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Résumé sdm

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Rupture :	Une	rupture	ou	fracture	d'un	matériau	est	la	séparation,	partielle	ou	
complète,	en	deux	ou	plusieurs	pièces	sous	l'action	d'une	contrainte.	→	Phénomène	de	la	
rupture	est	microscopique.	→	Elle	mesuré	par	RT	
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contrainte	constant	mais	T	>	0.3	à	0.5	Tf.	
	
Rigidité :	c’est	la	résistance	à	la	déformation	élastique	→	elle	mesuré	par	module	de	
Young	E 	
Ductilité :	capacité	d’un	matériau	à	la	déformation	plastique		→	elle	mesuré	par	A%	
	
Résistance mécanique :	la	contrainte	maximale	que	supporte	l’éprouvette	avant	la	
rupture	→	elle	mesuré	par	Rm
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Transformation des phases		
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 Transformation	Martensitique [déformation de la maille] déformation	de
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 Création	thermique	[Traitement	thermique]	
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Austénite [γ]	→	Traitement	thermique	[la	trempe]	→	α’	
Austénite [γ]	→	déformation	[Laminage………]	→		α’
I.4 Les Traitements Thermiques
I.4.1 Introduction
Les traitements thermiques traditionnels font partie d’un processus physique permettant
l’amélioration des propriétés des pièces mécaniques et des mécanismes. Le procédé se
résume dans la succession des opérations de chauffage, de maintien et suivi d’un
refroidissement approprié conformément aux différents diagrammes d’équilibre et d’analyse
thermique.
Ces traitements, pour leur élaboration, exigeaient certains paramètres et facteurs de
faisabilité, parmi lesquels on peut citer la nature du matériau, le pourcentage de carbone, la
température de chauffage et la loi du cycle de refroidissement permettant la sélection de
telle ou telle structure composite recherchée. Ils conduisent à l’amélioration des
caractéristiques et des propriétés superficielles par changement de structure cristalline ou
par changement de composition chimique.
L’industrie moderne ne cesse d’utiliser des matériaux nouveaux, de plus en plus diversifiés
(Aciers, fontes, céramiques, composites).
Et donc, ces traitements destinés initialement à l’augmentation des propriétés tribologiques
des pièces et des outils de coupe, se sont trouvés, au vu du progrès techniques et l’exigence
des besoins de l’industrie mécanique en adéquation avec l’apparition de nouveaux matériaux
durs.
C’est ainsi que l’alternative de l’introduction des carbures, caractérisés par une dureté
extrêmement élevée, en vertu du caractère covalent très prononcé de leurs liaisons
atomiques, font leur première application [15].
I.4.2 Définition
On désigne par traitement thermique, tout cycle d’opération faite à chaud, destinée à
modifier les propriétés mécaniques d’un métal pour lui donner de nouvelles qualités
mécaniques.
Les traitements thermiques des métaux et des alliages ont pour but de modifier les
propriétés de ces corps, uniquement par variation de la température.
Le mode opératoire du traitement thermique consiste en un chauffage, un maintien et
ensuite un refroidissement (Figure I.3.1) [15].
Figure I.4.1 mode opératoire d’un traitement thermique [15].
Le choix d’un traitement thermique reste étroitement lié à la composition chimique, le
pourcentage du carbone (℅ C) de la pièce mécanique, ainsi qu’à son emploi ultérieur.
L’industrie mécanique utilise dans la fabrication des mécanismes et des éléments de
machine des aciers de construction qui sont des aciers au carbone où le plus souvent leur
teneur en carbone ne dépasse pas 0.5 à 0.6 ℅ C.
La teneur en carbone est un facteur très importent, dans la variation des propriétés
mécaniques des aciers, et de ce fait la détermination du traitement thermique à faire
subir à la pièce mécanique est basée sur la connaissance du diagramme d’équilibre Fer-
Carbone [15].

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Résumé sdm

  • 1. Rupture : Une rupture ou fracture d'un matériau est la séparation, partielle ou complète, en deux ou plusieurs pièces sous l'action d'une contrainte. → Phénomène de la rupture est microscopique. → Elle mesuré par RT Ténacité : l’énergie nécessaire pour déformer le matériau jusqu'à la rupture W/V0 grand → matériaux a une grande ténacité = très tenace W/V0 faible → matériaux a une faible ténacité = peu tenace Métaux alliage → forte ténacité Céramique, polymère → faible ténacité Résilience : Quantité d’énergie absorbée par les matériaux lors d’un choc Forte résilience → l’énergie absorbée grande Faible résilience → l’énergie absorbée faible TTDF : température de transition ductile fragile Dureté : c’est la résistance d’un matériau à la pénétration Fluage: variation de déformation, en fonction du temps, lorsqu'on applique un état de contrainte constant mais T > 0.3 à 0.5 Tf. Rigidité : c’est la résistance à la déformation élastique → elle mesuré par module de Young E Ductilité : capacité d’un matériau à la déformation plastique → elle mesuré par A% Résistance mécanique : la contrainte maximale que supporte l’éprouvette avant la rupture → elle mesuré par Rm
  • 2. L’austénite : c’est une solution solide de carbone dans le fer γ Ferrite : c’est une solution solide de carbone dans le fer α Perlite : mélange de (α+Fe3c) Martensite: c’est une solution solide d’insertion sursaturée de carbone dans le fer α’ Fe3 c : Cémentite (combinaisons chimique) Fer α → cubique à face centré [CFC] → Amagnétique Fer γ → cubique centré [CC] →Ferromagnétique Limite élastique:  c’est le début du mouvement des dislocations  c’est le début de la déformation [Glissement] Propriétés mécanique = f (microstructures) Microstructure : c’est la quantité et qualité des défauts et phases Phase:  c’est un domaine du matériau dont les propriétés physiques et chimiques sont uniformes. Cette région ou cet ensemble de régions sont caractérisés par une structure et par un arrangement atomique identique. Se compose de:  Solution solide  Combinaisons chimique  Composé intermétallique  Carbures : [métal+carbone] Solution solide: compose de deux éléments [solvant + soluté] Solution solide d’insertion → R atomique de B <<<<<< R atomique de A Solution solide substituions → R atomique de B ≈ R atomique de A Solution solide: c’est un mélange homogène à l’état solide. La condition est la miscibilité de soluté dans le solvant à température ambiante.
  • 3. Le phénomène démixtion: C’est la formation des plusieurs phases non miscibles de compositions différentes. La miscibilité : désigne usuellement la capacité de divers liquides à se mélanger. Homogène: même propriétés en tout point des matériaux Hétérogène: en deux points différent → propriétés différent Diagramme d’équilibre Un diagramme de phases (ou diagramme d’équilibre) permet de résumer les constitutions d’équilibre d’un système d’alliage. Un diagramme de phases permet de prédire, pour un mélange donné, la constitution des phases en présence, en équilibre les unes avec les autres. Les défauts de la structure cristalline Mouvement des dislocations → déformation plastique Lacune : c’est un défaut ponctuel Dislocation: une dislocation est un défaut linéaire Joint de grain: c’est un défaut surfacique Inclusions : c’est un défaut volumique Transformation allotropique et polymorphisme: TRANSFORMATION ALLOTROPIQUE : c'est la transformation au chauffage ou au refroidissement d'une variété cristalline d'un métal ou alliage en une autre variété cristalline. Polymorphisme : On peut avoir aussi des changements de forme cristalline en phase solide. Un métal à une structure donnée à basse température, et une autre à haute température, c'est le cas du fer pur (Fe) : en dessous de 912°C il est Cubique Centré (Fer alpha ou ferrite) entre 912° et 1394° il est Cubique à Face Centrées (Fer gamma ou austénite) entre 1394° et la fusion (1538°) il est à nouveau Cubique Centré (Fer Delta) Ces changements de formes sont le polymorphisme, pour les éléments purs on appelle cela ALLOTROPIE soit 3 formes dans le fer Alpha, Gamma, et Delta.
  • 4. Transformation martensitique : c’est la transformation qui se produit lors de la trempe des aciers : l’austénite formée à haute température se transforme en martensite par refroidissement rapide pour éviter la diffusion. Durcissement : c’est la création ou l’augmentation d’obstacles au mouvement des dislocations.  Durcissement → Nombre d’obstacle au mouvement au mouvement augmente.  A durcissement → Nombre d’obstacle au mouvement diminué. Transformation des phases  Germination + Croissance Type de transformation :  Transformation Eutectoide → [Perlitiques γ → α+Fe3C] → refroidissement lente.  Transformation Bainitique → refroidissement moyenne.  Transformation Martensitique [déformation de la maille] déformation de « BAIN » → refroidissement rapide. La création de la Martensitique  Création thermique [Traitement thermique]  Création par déformation [Laminage………] Austénite [γ] → Traitement thermique [la trempe] → α’ Austénite [γ] → déformation [Laminage………] → α’
  • 5. I.4 Les Traitements Thermiques I.4.1 Introduction Les traitements thermiques traditionnels font partie d’un processus physique permettant l’amélioration des propriétés des pièces mécaniques et des mécanismes. Le procédé se résume dans la succession des opérations de chauffage, de maintien et suivi d’un refroidissement approprié conformément aux différents diagrammes d’équilibre et d’analyse thermique. Ces traitements, pour leur élaboration, exigeaient certains paramètres et facteurs de faisabilité, parmi lesquels on peut citer la nature du matériau, le pourcentage de carbone, la température de chauffage et la loi du cycle de refroidissement permettant la sélection de telle ou telle structure composite recherchée. Ils conduisent à l’amélioration des caractéristiques et des propriétés superficielles par changement de structure cristalline ou par changement de composition chimique. L’industrie moderne ne cesse d’utiliser des matériaux nouveaux, de plus en plus diversifiés (Aciers, fontes, céramiques, composites). Et donc, ces traitements destinés initialement à l’augmentation des propriétés tribologiques des pièces et des outils de coupe, se sont trouvés, au vu du progrès techniques et l’exigence des besoins de l’industrie mécanique en adéquation avec l’apparition de nouveaux matériaux durs. C’est ainsi que l’alternative de l’introduction des carbures, caractérisés par une dureté extrêmement élevée, en vertu du caractère covalent très prononcé de leurs liaisons atomiques, font leur première application [15]. I.4.2 Définition On désigne par traitement thermique, tout cycle d’opération faite à chaud, destinée à modifier les propriétés mécaniques d’un métal pour lui donner de nouvelles qualités mécaniques. Les traitements thermiques des métaux et des alliages ont pour but de modifier les propriétés de ces corps, uniquement par variation de la température.
  • 6. Le mode opératoire du traitement thermique consiste en un chauffage, un maintien et ensuite un refroidissement (Figure I.3.1) [15]. Figure I.4.1 mode opératoire d’un traitement thermique [15]. Le choix d’un traitement thermique reste étroitement lié à la composition chimique, le pourcentage du carbone (℅ C) de la pièce mécanique, ainsi qu’à son emploi ultérieur. L’industrie mécanique utilise dans la fabrication des mécanismes et des éléments de machine des aciers de construction qui sont des aciers au carbone où le plus souvent leur teneur en carbone ne dépasse pas 0.5 à 0.6 ℅ C. La teneur en carbone est un facteur très importent, dans la variation des propriétés mécaniques des aciers, et de ce fait la détermination du traitement thermique à faire subir à la pièce mécanique est basée sur la connaissance du diagramme d’équilibre Fer- Carbone [15].
  • 7. I.4.3 Les principales étapes dans les traitements thermiques : I.4.3.1 Chauffage des pièces La première étape de chaque traitement thermique est le chauffage de la pièce à la température exigée. Le chauffage doit s'effectuer très rapidement pour avoir une faible consommation d'énergie et une grande productivité. I.4.3.2 Conditions de chauffage des pièces en traitements thermiques : L'appareil de chauffage doit permettre :  D'atteindre et de maintenir toutes les parties de la pièce à une température déterminée et avec une précision de l'ordre de plus ou moins 5°C.  D'éviter une dénaturation du métal et principalement une décarburation dans le cas des aciers.  De présenter des possibilités de préchauffage lorsque la température à atteindre est élevée. En général seul le chauffage dans une enceinte fermée possédant une régulation automatique de température est susceptible d’offrir la solution cherchée [3]. I.4.4 Diagramme d’équilibre Fer-Carbone I.4.4.1/ éléments de base : Le diagramme d’équilibre se compose des éléments suivants : a) Le fer : Le fer est un métal blanc d’argent, son nombre atomique est 26, sa masse atomique est 55.85, le rayon atomique est 1.27A°, la température de fusion du fer est de 1539 °C. On connaît deux formes polymorphes du fer, le fer α et le fer γ  Le fer α existe aux températures entre l’ambiante et 910°C.  Dans l’intervalle de température entre 1392 °C et 1539 °C le fer α est souvent désigné par fer δ (Fe δ).  Le fer γ existe entre 910 °C et 1392 °C, il a un réseau cristallin cubique à faces centrées (C.F.C), tandis que le fer α a un réseau cristallin cubique centré (c.c) [15]. b) Le carbone: le carbone est un élément non métallique.
  • 8. I.4.4.2 constituant du diagramme Fer –carbone: Le diagramme Fer – carbone met en évidence la présence des constituants suivants : a) la ferrite : c’est une solution solide d’insertion de carbone dans le fer α, elle a un réseau cubique centré (c.c). Figure I.4.2 : Réseau Cubique Centré [15]. b) la perlite : formée d’agrégats intime de ferrite d’où la composition est 87,6 ℅ de ferrite et de 12,4 ℅ de cémentite. c) L’austénite : c’est une solution solide d’insertion de carbone dans le fer γ; elle a un réseau cristallin cubique à faces centrées. Figure I.4.3 : Réseau C.F.C [15]. d) la lédeburite : Les alliages dont la teneur en carbone excède 2,06, donne naissance au refroidissement à un eutectique, mélange de cémentite et d’austénite correspondant à une teneur en carbone de 4,3 ℅ ; c’est la ledeburite. e) la Cémentite : C’est un composé chimique de dureté élevée, elle représente différents modes de formation :
  • 9. e-1/ cémentite primaire : Elle apparaît sur le diagramme Fer- carbone au début de la solidification des alliages hypereutectiques. e-2/cémentite secondaire : Elle est libérée par l’austénite pendant le refroidissement entre 1147° et 723° C. e-3/ cémentite tertiaire : Elle est libérée par la ferrite pendant le refroidissement au-dessus du palier eutectoїde f) le graphite (carbone pur) : Le graphite est la forme stable de la phase riche en carbone, il remplace la cémentite dans le diagramme Fer- carbone, et il cristallise dans le système hexagonal [15]. Figure I.4.4 : Réseau hexagonal [14].
  • 10. Figure I.4.5: Diagramme d’équilibre fer-carbone (Fe-Fe3C ou fer-cémentite) [16]. Ce diagramme est très utile pour comprendre les aciers, les fontes et les traitements thermiques. Il est limité à droite par la cémentite (6,67 % C, matériau fragile, cassant, très dur) et fait apparaître les deux grandes familles de métaux ferreux : les aciers (entre 0,008 et 2,1 % C) et les fontes (de 2,1% à 6,67 %C) [16].  Ligne A1 (727 °C) : elle marque la fin de la transformation de la perlite, mixture de fer contenant 0,77 % C, en austénite ; au-dessus de 727 °C la perlite n'existe plus.  Ligne A3 : elle précise la fin de la transformation de la ferrite en austénite ; la ferrite n'existe plus au-dessus de cette ligne.
  • 11.  Ligne Acm : elle indique la fin de la dissolution, après dissociation, de la cémentite dans l'austénite lorsque celle-ci existe. Symboles A, r, et c : ils sont normalisés, aux normes internationales. Le symbole A est utilisé pour arrêt, r pour refroidissement et c pour chauffage. Exemples : Ar1 signifie passage de la ligne A1 lors d'un refroidissement ; Ac3 passage de A3 lors d'un chauffage ; Acm passage de Acm lors d'un chauffage [16]. I.4.5 Notions sur les traitements thermiques : Les traitements thermiques sont des opérations dont le mode opératoire comporte un chauffage suivi de refroidissement, qui a pour but de donner à une pièce métallique les propriétés les plus convenables pour son emploi ou sa mise en forme. Ils permettent d’améliorer dans une large mesure les propriétés mécaniques d’un acier décomposition déterminée. Le but principalement recherché étant l’augmentation de la limite élastique et la diminution de la fragilité. Un traitement thermique est défini par la variation de la température du métal en fonction du temps (cycle thermique). D’une façon générale, un traitement thermique ne modifie pas la composition chimique de l’alliage [15]. Mais il peut apporter des modifications relatives aux trois points de vue suivants: A. constitution (état du carbone, et forme allotropique du fer) ; B. structure (grosseur des grains et répartition des constituants) ; C. état mécanique (les différences de température aux divers points de la pièce provoquent des irrégularités de dilatation qui peuvent créer des contraintes propres et causer des déformations externes. Les principaux traitements thermiques de larges applications sont :  la trempe.  le revenu.  le recuit.
  • 12. I.4.6 La trempe La trempe comme traitement thermique est utilisée pour améliorer la qualité d’emploi de l’acier en lui donnant une meilleure dureté. I.4.6.1 Cycle thermique de la trempe Le cycle thermique comporte trois phases successives 1. chauffage à une température θt (température de trempe correspondant à un état austénitique. La durée de mise en température est suffisamment prolongée pour que l’homogénéité thermique soit réalisée jusqu’au cœur de la pièce. 2. Maintien à cette température de façon à réaliser plus ou moins complètement la mise en solution des carbures dans les fers γ et l’homogénéisation de l’austénite. L’ensemble de ces deux phases est dit (austénitisation). 3. Refroidissement par immersion dans un milieu convenable, suffisamment rapide pour assurer la transformation correspondant à la constitution prévue par le diagramme d’équilibre voir la figure I.3.5. I.4.6.2 Facteurs de trempe Les transformations subies par l’acier lors du refroidissement dépendent de nombreux facteurs. En première approximation, pour une pièce de petites dimension, les facteurs de trempe sont au nombre de quatre : 1. Composition chimique. 2. Température de trempe. 3. Loi de refroidissement. 4. Effet de masse.
  • 13. I.4.7 Le Revenu : I.4.7.1 Définition : L’acier trempé souvent très dure qu’il n’est nécessaire, et généralement trop fragile. Pour pouvoir être mise en service, La trempe est habituellement suivie d’un revenu qui consiste en un chauffage au-dessus à AC1 avec maintien de durée suffisante, suivi d’un refroidissement relativement rapide. Le revenu réalise un compromis entre deux exigences contradictoires : Diminution de la fragilité et haute dureté. Il augmente l’allongement et surtout la résilience; mais il diminue la dureté, la limite élastique et la résistance à la traction. Lors du revenu, le chauffage effectué à un double effet .il tend à réaliser l’équilibre physico- chimique (ferrite + cémentite) De plus, et c’est l’effet essentiel, il y a atténuation ou disparition des contraintes propres (Équilibre mécanique) d’où diminution de la fragilité [15]. I.4.8 Le Recuit I.4.8.1 Définition et rôles du recuit Il est définit par un cycle thermique dont les étapes sont :  Un chauffage jusqu’à une température de recuit.  Un maintien isotherme à cette température.  Un refroidissement généralement lent, qui s’opère habituellement à l’air où on utilise un milieu assurant une vitesse de refroidissement plus faible (four…) [15]. I.4.8.2 Effets du recuit Le recuit amène le métal en équilibre physico-chimique initial, et tend à réaliser l’équilibre structural. Donc, il a pour but de faire disparaître les états hors d’équilibre résultant de traitements antérieurs, thermiques ou mécaniques.
  • 14. L’état de recuit correspond aux valeurs maximales des caractéristiques de ductilité, et aux valeurs minimales des caractéristiques de résistance [15]. I.4.8.3 Les différents genres de recuits Suivant l’état structural ou mécanique de l’acier et le but à atteindre, on peut distinguer plusieurs genres de recuit (Figure I.3.6) :  Recuit complet : généralement appelé simplement recuit, il a pour but de provoquer la formation d’une structure d’une dureté minimale favorable à l’usinage ou à la déformation.  Recuit de détente : dont la finalité et de faire relâcher plus ou moins complètement les tensions résiduelles dues aux opérations thermique ou mécanique intérieurs.  Recuit de globalisation : qui donnent à l’acier une structure la plus homogène que possible avec des carbures globulaires.  Recuit d’adoucissement : atténuer l’état de la contrainte les plus complètement possible sans changer la structure de trempe.  Recuit de régénération ou normalisation : sert à affiner le grain (le rendre plus petite) pour les pièces qui ont subi un grossissement de gain parce qu’il était exposé à une température élevé lors d’une opération de forgeage, moulage ou soudage. Le traitement s’effectue, pour une durée de quelque minutes, entre 50 et 100°C au- dessus de la limite inférieure du domaine austénitique le refroidissement (normalement à l’air) ne dois pas être trop lent pour éviter un grossissement de grain de la ferrite.  Recuit de diffusion : s’emploie pour les lingots d’acier allié dans le but d’affaiblir la ségrégation dendritique inter-cristalline qui renforce la susceptibilité d’un acier subissant la pression à la cassure fragile, l’anisotropie des propriétés et aux défaut tel que cassures, stratifiés ou flocons.  Recuit de recristallisation : sert à diminuer la fragilité d’un métal écroui et de redonner sa capacité de déformation. Pour un acier ordinaire, ce traitement s’effectue au-dessus de 600°C [3].
  • 15. L’Aciers inoxydables à durcissement par précipitation a été développé par United Steel Corporation dans les années 1940. Depuis ce temps trois classes des aciers inoxydables à durcissement par précipitation ont été élaborés : martensitique, austénitique, semi austénitique et sont utilisés dans des applications allant des écrans thermiques. Le mécanisme de durcissement final dans les trois classes est le durcissement par précipitation. Les aciers inoxydables durcissant par précipitation sont des alliages fer-nickel-chrome contenant un ou plusieurs éléments de renforcement de précipitation tels que l'aluminium, le titane, le cuivre....etc. Les types d’aciers sont déterminés par la température de début de martensite et de fin de martensite (Ms et Mf) ainsi que la microstructure de trempe. La microstructure des aciers semi austénitique à l’état fournir est austénite métastable ductile. La transformation martensitique est une transition structurale présentant une déformation homogène de réseau cristallographique. Le durcissement par précipitation est le renforcement d’un matériau par la création des précipité se forme des particules de second phase cette transformation obtenu par un refroidissement rapide (trempe) Il y a trois étapes dans le cycle complet des aciers inoxydable à durcissement par précipitation :  Mise en solution  Traitement de conditionnement  Durcissement par précipitation (Revenu) Les obstacles dans les aciers semi-austénitiques sont des précipité ce forme des particules d’aluminium (Ni3 Al). Il y a un chute de dureté avec l’augmentation de la température à cause de dissolution des éléments de durcissement c’est ta dire grossissement de la taille de la précipité. Les précipité ce forme des particules d’aluminium (Ni3 Al), trop petit de l’ordre nanométrique en peuvent pas voire au niveau optique il faut le MET (transmission électron microscope)