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INSTITUT SUPERIEUR DES ETUDES
TECHNOLOGIQUE DU KEF
Cours des sciences des matériaux
2021/2022
Nizar FERJAOUI
2
Cours des sciences des matériaux
Introduction
Les principales familles de matériaux
 Les matériaux métalliques
 Les polymères
 Les céramiques
 les composites
Les essais des matériaux
 Définitions
 Essai de traction
 Essai de résilience
 Essai de dureté
3
Importance des matériaux dans le domine industriel :
 Les matériaux sont à la source de la technologie et du monde
industriel
 La réussite technique et le succès commercial d’un produit
fabriqué dépendent en grande partie du ou des matériaux choisis
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Introduction :
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Prix comparatif indicatif (au Kg) des principaux matériaux industriel :
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Cours des sciences des matériaux
6
Métaux et alliages Polymères
Fer, acier
Aluminium et alliage
Cuivre et alliage
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Titane et alliage
Polyéthylène (PC)
Nylon
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Polychlorure de vinyle (PVC)
Caoutchoucs
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  • 1. 1 INSTITUT SUPERIEUR DES ETUDES TECHNOLOGIQUE DU KEF Cours des sciences des matériaux 2021/2022 Nizar FERJAOUI
  • 2. 2 Cours des sciences des matériaux Introduction Les principales familles de matériaux  Les matériaux métalliques  Les polymères  Les céramiques  les composites Les essais des matériaux  Définitions  Essai de traction  Essai de résilience  Essai de dureté
  • 3. 3 Importance des matériaux dans le domine industriel :  Les matériaux sont à la source de la technologie et du monde industriel  La réussite technique et le succès commercial d’un produit fabriqué dépendent en grande partie du ou des matériaux choisis  Grande variété proposée; le choix dépend des caractéristiques (mécaniques, chimiques, etc.), du procédé de fabrication et du prix Introduction : Cours des sciences des matériaux
  • 4. 4 Prix comparatif indicatif (au Kg) des principaux matériaux industriel : Unité arbitraire Cours des sciences des matériaux
  • 5. 5 Les principales familles de matériaux : Cours des sciences des matériaux
  • 6. 6 Métaux et alliages Polymères Fer, acier Aluminium et alliage Cuivre et alliage Nickel et alliage Titane et alliage Polyéthylène (PC) Nylon Polystyrène (PS) Polychlorure de vinyle (PVC) Caoutchoucs Céramiques et verres Composites Alumine (Al2O3) Silice, verres et silicates Carbure de silicium Ciment et béton Bois Fibre de verre (PRFV) Polymères renforcés par fibre de carbone (PRFC) Polymères chargés cermets Les principales familles de matériaux : Cours des sciences des matériaux
  • 7. 7 Désignation normalisé : on utilise des lettres pour préciser le métal et les éléments d’alliages + des chiffres pour les quantités et la pureté Les métaux : Structure cristalline : c’est la façon dont les atomes sont empilés (les monocristaux ou grains) Mailles : à l’intérieur du grain (disposition « régulière » des atomes) Allotropie : propriétés de certains métaux ou alliages qui peuvent avoir, selon la température, des mailles différentes Alliages: ajout d’autres métaux; ceci permet d’améliorer les Caractéristiques du matériau Cours des sciences des matériaux
  • 8. 8 Symboles chimiques et métallurgiques, densités des métaux usuels : Cours des sciences des matériaux
  • 9. 9 Les matériaux métalliques : Les ferreux : FONTE = FER + CARBONE (2 à 6 %) ACIER = FER + CARBONE (0,1 à 2 %) Cours des sciences des matériaux
  • 10. 10 Le fer Le fer s'obtient industriellement en réduisant par le monoxyde de carbone (CO) provenant du carbone, les oxydes contenus dans le minerai. C'est un métal qui, en fonction de la température, se présente sous plusieurs formes allotropiques. Dans les conditions normales de pression et de température, c'est un solide cristallin de structure cubique centré (fer α ou ferrite) ; à partir de 912 °C, il devient cubique à faces centrées.  fer+oxygène (les oxydes),  fer+ oxygène+hydrogène (les hydroxydes),  fer+ oxygène+carbone (les carbonates), fer+ soufre (les sulfures). Cours des sciences des matériaux
  • 11. 11 L’acier  L'acier est un alliage à base de fer additionné d'un faible pourcentage de carbone (de 0,008% à environ 2,14% en masse).  La teneur en carbone a une influence considérable sur les propriétés de l'acier : en dessous de 0,008%, l'alliage est plutôt malléable et on parle de fer.  au-delà de 2,14%, les inclusions de carbone sous forme graphite fragilisent la microstructure et on parle de fonte.  l'augmentation de la teneur en carbone a tendance à améliorer la résistance mécanique et la dureté de l'alliage ; on parle d’aciers doux, mi-doux, mi-durs, durs ou extra-durs. Cours des sciences des matériaux
  • 12. 12 L’acier L’ajoute d'autres éléments modifie également les propriétés des aciers, et on parle d'aciers alliés.  De plus, on peut encore améliorer grandement leurs caractéristiques par des traitements thermiques (notamment les trempes) prenant en surface ou à cœur de la matière ; on parle alors d'aciers traités.  L'intérêt majeur des aciers réside d'une part dans les valeurs élevées des propriétés mécaniques fondamentales : résistance aux efforts : module d'élasticité, limite élastique, résistance mécanique ;  dureté ;  résistance aux chocs (résilience) Cours des sciences des matériaux
  • 13. 13 Cours des sciences des matériaux L’acier  Le coût d'élaboration reste relativement modéré, car le minerai de fer est abondant sur terre (environ 5% de l'écorce) et sa réduction assez simple (par addition de carbone à haute température).  Les aciers sont pratiquement entièrement recyclable Les aciers présentent une mauvaise résistance à la corrosion. on peut remédier, soit par divers traitements de surface, soit par l'addition d'éléments réalisant des nuances dites « inoxydables ». les aciers sont difficilement moulables
  • 14. 14 Cours des sciences des matériaux L’aluminium  L’aluminium est un élément chimique, de symbole Al. C'est un élément important sur la planète Terre avec 1,5 % de la masse totale en élément Al.  C'est un métal argenté et malléable. Il est remarquable pour sa résistance à l'oxydation et sa faible densité.  Il est très oxydable mais à l'air, il se forme une couche de quelques micromètres d'oxyde d'aluminium (Al2O3) imperméable qui protège le reste du métal et qui se reforme très rapidement
  • 15. 15 Cours des sciences des matériaux L’aluminium Les composants structuraux faits à partir d'aluminium sont essentielles à l'industrie aérospatiale et très importants dans d'autres secteurs du transport et de la construction où sa faible densité, sa longévité et sa résistance sont nécessaires  L'aluminium a une densité (2,7) environ trois fois plus faible que celle de l'acier ou du cuivre.  il est malléable, ductile et facilement usiné et moulé. Il est également non magnétique et ne provoque pas d'étincelles. C’est le métal le plus utilisé après le fer, grâce à sa légèreté et sa bonne conductivité électrique et thermique
  • 16. 16 Cours des sciences des matériaux La céramique Premier « art du feu » à apparaître (avant la métallurgie et le travail du verre), la céramique désigne l’ensemble des objets fabriqués en terre cuite qui ont subi une transformation physico-chimique irréversible à une température plus ou moins élevée. Un matériau céramique est solide à la température ambiante et n'est ni métallique, ni organique. Les objets en céramique sont réalisés par solidification à haute température d'une pâte humide plastique (verres minéraux), ou par chauffage (frittage) d'une poudre sèche préalablement comprimée, sans passer par une phase liquide (céramiques polycristallines)
  • 17. 17 Les plastiques Les matières plastiques désignent une large gamme de martiaux macromoléculaires synthétiques et artificiels, ainsi que de nombreux polymères naturels. Généralement, les polymères industriels ne sont pas utilisés à l'état « pur », mais mélangés à des substances miscibles ou non dans la matrice polymère. La matière plastique = polymère brut (résine de base) +charges + plastifiants + additifs Cours des sciences des matériaux
  • 18. 18 On distingue 3 familles de matière plastique Les thermoplastiques Les thermoplastiques se déforment et sont façonnables sous l'effet de la chaleur, gardant cette forme en refroidissant. Cette propriété permet leur recyclage : les objets sont broyés et refondus pour en élaborer d'autres Les thermodurcissables Les thermodurcissables prennent leur forme définitive au premier refroidissement, sans réversibilité Les élastomères Les élastomères sont des polymères amorphes présentant des propriétés remarquables en élasticité, amortissement et étanchéité (air, eau). Ils sont employés fabrication de pneumatiques coussins, certains isolants, mastics, joints, etc. Cours des sciences des matériaux
  • 19. 19 Processus de fabrication des aciers : Cours des sciences des matériaux L'acier liquide est élaboré à partir du minerai (filière fonte) ou à partir de ferrailles (filière électrique). l'acier liquide est solidifié par moulage dans une machine de coulée continue. A la sortie, on obtient les DEMI-PRODUITS : des barres de section rectangulaire (brames) ou carrée (blooms ou billettes), qui sont les ébauches des formes finales. Enfin, les ébauches sont transformées en PRODUITS FINIS par laminage, dont certains subissent un traitement thermique. Plus de la moitié des tôles laminées à chaud sont relaminées à froid et éventuellement revêtues d'une protection anti-corrosion.
  • 20. 20 Figure 4. Four électrique à arc. Diverses phases de l’élaboration Benne de chargement Fusion Electrode Décrassage Cuve à scories coulée poche porte Trou de coulée Voûte pivotante Dispositif de basculement Four électrique à l’arc. Diverse phases de l’élaboration Processus de fabrication des aciers : Cours des sciences des matériaux Fabrication de l’acier au four électrique : l’acier peut être obtenu au four électrique : - Par oxydation du carbone de la fonte au moyen d’un oxyde de fer. - Par mélange et fusion de ferraille et de fonte. Comme four à creusets : la chaleur nécessaire à la fusion est fournie par l’électricité Chaleur à l’arc électrique (four à induction) Chaleur développée par le passage du courant dans la masse métallique (four à induction)
  • 21. 21 Désignation des aciers : Les aciers non alliées : A/ Les aciers d’usage général : S B/ Les aciers de construction mécanique : E S 235 E 335 Symbole Re : résistance minimale d’élasticité en Mpa C/ Les aciers pour traitement thermique et forgeage : C C 40 Symbole % de carbone x100 Acier non allié à 0,4% de carbone D/ Les aciers non alliés moulés : G GS 235 GS 335 GC40 Cours des sciences des matériaux
  • 22. 22 Les aciers alliées : A/ Les aciers faiblement alliés (aucun élément d’addition n’atteint 5%) : B/ Les aciers fortement alliés : X 5 Cr Ni 18-10 % réel des éléments d’alliage % de carbone x 100 Symbole Symbole des éléments d’alliage par teneur décroissante 30 Ni Cr Mo 8-6 % de carbone x 100 Symbole des éléments d’alliage par teneur décroissante % des éléments d’alliage x4 pour Cr, Co, Mn, Ni, Si, W x10 pour Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr x100 pour N, P, S x1000 pour B Cours des sciences des matériaux
  • 23. 23 Désignation des fontes : A/ les fontes à graphites lamellaires : EN-GJL-200 Préfixe Symbole du type de fonte Rr Limite à la rupture en Mpa (N/mm²) B/ les fontes malléables : EN-GJMB-450-6 Symbole du type de fonte Préfixe Rr en Mpa A% : allongement à la rupture C/ les fontes à graphite sphéroïdal : EN-GJS-400-18 Symbole du type de fonte Préfixe Rr en Mpa A% : allongement à la rupture Cours des sciences des matériaux
  • 24. 24 Les matériaux non métalliques : Les alliages d’Aluminium : EN AB-21 000 [Al Cu4 Mg] Code numérique Désignation symbolique 1er élément d’addition suivi de son pourcentage réel Symbole du métal de base : ALUMINIUM 2e élément d’addition suivi de son pourcentage réel Exemples d’alliages d‘Aluminium :  EN AB-21 000 [Al Cu 4 Mg] : 4% de Cuivre – faible % de Magnésium  ALPAX : Aluminium (Al) + Silicium (Si) EN AB-44 200 [Al Si 12], Bonne moulabilité  DURALIUM : Aluminium (Al) + Cuivre (Cu), EN AW-2017 [Al Cu 4 Mg Si] Bonne usinabilité DURALINOX : Aluminium (Al) + Magnésium (Mg), EN AW-5086 [Al Mg 4] Bonne soudabilité (Pièces chaudronnées :Citernes, tuyauterie) Cours des sciences des matériaux
  • 25. 25 Les matériaux non métalliques : Les alliages de cuivre : Cu Zn 39 Pb2 1er élément d’addition suivi de son pourcentage réel Symbole du métal de base : CUIVRE 2e élément d’addition suivi de son pourcentage réel  Cu Zn 39 Pb2 : 39% de Zinc – 2 % de Plomb  BRONZE : Cuivre (Cu) + Etain (Sn), Cu Sn 8 Matériau de frottement (Bague, douille, segments)  LAITON : Cuivre (Cu) + Zinc (Zn), Cu Zn 15 Bonne usinabilité (robinetterie, pompe)  CUIVRE AU BERYLIUM :Cuivre (Cu) + Bérylium (Be), Cu Be 2, Ressorts, rondelles, connecteurs Exemples d’alliages de cuivre : Cours des sciences des matériaux
  • 26. 26 Les essais des matériaux : Définitions préliminaires : Malléabilité: Homogénéité: Contraintes (N/mm2 ou MPa): Déformations: Isotropie: Élasticité: Plasticité: Ductilité: il possède en tous points les mêmes propriétés chimiques et physiques. pression élémentaire sur les sections selon les charges appliquées (élastiques, élastoplastiques etc.) même caractéristiques mécaniques dans toutes les directions. mêmes forme et dimensions après sollicitations forme et dimensions changent après sollicitations capacité de se déformer plastiquement sans se rompre Capacité d'un matériau à subir de grandes déformations plastiques sous contrainte de compression. Cours des sciences des matériaux
  • 27. 27
  • 28. 28 Essai de traction : Éprouvettes de traction : Machine de traction : Cours des sciences des matériaux
  • 29. 29 Courbe de traction : Cours des sciences des matériaux
  • 30. 30 Courbe de traction conventionnelle Cours des sciences des matériaux Le diagramme de traction représente l’évolution de la charge unitaire en fonction du taux d’allongement 0 F R S  0 0 l l e l  
  • 31. 31 • La courbe conventionnelle permet de définir des propriétés mécaniques permettant de caractériser un matériau • elle ne peut pas renseigner sur la loi de comportement (relation entre la charge réelle et la déformation réelle) dans les domaines élastique et plastique du matériau car elle ne teint pas compte de la diminution de la section. Cours des sciences des matériaux Courbe de traction conventionnelle
  • 32. 32 Courbe de traction rationnelle (ou vraie) La courbe de traction rationnelle représente l’évolution de la contrainte vraie en fonction de la déformation vraie. Elle se déduit de la courbe conventionnelle. Cours des sciences des matériaux
  • 33. 33 La courbe de traction rationnelle tient compte de la variation de la section au cours de l’essai. La contrainte vraie appliquée est égale à la charge F rapportée à la section instantanée S F S   En admettant que le volume de la partie calibrée de l’éprouvette reste constant (conservation de volume) on a:   0 0 0 S L SL S L L     0 0 0 1 1 S S S L e L          0 1 1 F e F R e S S       Cours des sciences des matériaux
  • 34. 34 Caractéristiques mécaniques : Module d’élasticité longitudinale E (N/mm2); E = 210 000 MPa pour les aciers Loi de Hooke  = E e Limite d’élasticité Re (MPa) Limite à la rupture Rr (MPa) Phénomène d’écrouissage (Branchement et coincement des dislocations) Cours des sciences des matériaux
  • 35. 35 Essai de résilience : La résilience, de symbole K, caractérise la capacité d’un matériau à absorber les chocs sans se rompre ; ce risque est amplifié aux basses températures. L’essai est comparatif entre deux matériaux, mesure l’énergie qu’il faut fournir à un pendule pesant pour briser une éprouvette entaillée du matériau à tester Éprouvettes de l’essai Charpy : Machine d’essai de résilience : Cours des sciences des matériaux
  • 36. 36 Principe d’essai de résilience : Cours des sciences des matériaux
  • 37. 37 Essai de dureté : La dureté, de symbole général H, caractérise la capacité d’un matériau à résister au marquage (empreintes, rayures, …), à l’usure et à l’érosion. Elle peut être évaluée en mesurant une empreinte laissée en surface par un poinçon agissant sous l’action d’une force connue (essais Brinell, Vickers et Rockwell) mais aussi par une hauteur de rebondissement d’un objet très dur sur la surface à tester (essai Shore pour les élastomères et plastiques). Cours des sciences des matériaux
  • 38. 38 Calcul de la dureté : Cours des sciences des matériaux
  • 39. 39 Diagramme des phases Définitions utiles Une phase : 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 Un composant : un corps pur. Il peut être simple (exemples : Ti, Ag, Cu...) ou être un composé chimique (H2O, Al2O3, SiO2...) Les alliages métalliques : sont des systèmes mono ou polyphasés ayant des propriétés générales similaires à celles des métaux purs. Ils comprennent des éléments métalliques ou non métalliques Solutions solides Une solution solide est constituée par un mélange homogène de deux éléments différents. L’élément de base A, appelé solvant, forme un réseau de structure α. L’élément B, appelé soluté, passe dans le réseau. Il y occupe les sites interstitiels ou substitutionnels (voir figure). Cours des sciences des matériaux
  • 40. 40 En substitution : l'atome étranger remplace un des atomes du cristal. En insertion : l'atome étranger se glisse dans les espaces vides, les positions interstitielles, des atomes du cristal Cours des sciences des matériaux
  • 41. 41 Diagrammes d’équilibre binaires Pour un système binaire, un diagramme d’équilibre permet de représenter les domaines de stabilité des phases et les conditions d’équilibre entre plusieurs phases en fonction de deux variables, la température et la composition C. Solidification Lorsqu’un métal pur en fusion est refroidi, sous pression constante, le changement de phase s’effectue toujours à une température fixe : la température de solidification (ou de fusion). La courbe de refroidissement d’un métal pur, (voir figure), présente un palier. Ce palier correspond à la période de coexistence du métal liquide et des cristaux solides déjà formés. Ce palier isotherme est d’autant plus marqué que le refroidissement est lent et que la masse d’alliage est plus grande Cours des sciences des matériaux
  • 42. 42 Cours des sciences des matériaux
  • 43. 43 Construction d’un diagramme d’équilibre Un diagramme d’équilibre de phases est un diagramme qui décrire les constitutions d’un mélange de corps purs à l’équilibre, en fonction de sa composition globale et de sa température. Le diagramme d’équilibre de phases d’un mélange binaire A-B comporte en ordonnées un axe de température et en abscisse un axe de composition graduée en B (%). Le diagramme est divisé en domaines correspondant à la présence d’une seule phase (domaine monophasé) ou de deux phases coexistantes (domaine biphasé), selon les coordonnées du point constitutif du mélange. Cours des sciences des matériaux
  • 44. 44 Cours des sciences des matériaux
  • 45. 45 Diagrammes de phases à miscibilité totale à l’état solide La solidification des alliages dépend en général de la température. Entre le liquidus et le solidus, l’alliage est dans un état biphasé (liquide + solide). Il y a une solution solide unique lorsque les éléments d’alliage A et B sont miscibles en toutes proportions à l’état solide, donc les deux métaux forment une seule phase sur toute l’étendue du diagramme On parle alors de miscibilité totale à l’état solide. La figure 4 représente le diagramme d’équilibre de deux composants A et B qui sont miscible en toute proportion à l’état solide Cours des sciences des matériaux
  • 46. 46 Etude d’un exemple Soit un alliage de composition nominale C0 porté à une température θ. Si on prend un point représentatif (C0, θ) dans le domaine monophasé, l’alliage contient alors une seule phase liquide de proportion égale à 100%. on prend un point représentatif (C0, θ) dans le domaine biphasé, figure 5, l’alliage contient deux phases liquide et solide de composition CL et CS dont les proportions respectivement fS et fL sont déterminées par la règle des bras de leviers. En effet, la conservation de la masse permet d’écrire les deux relations suivantes Cours des sciences des matériaux
  • 47. 47 Cours des sciences des matériaux
  • 48. 48 Cours des sciences des matériaux
  • 49. 49 Diagramme à miscibilité partielle à l’état solide Dans la majorité des alliages binaires, il n’existe pas de miscibilité des constituants en toutes proportions à l’état solide. Le cas le plus fréquent, ils existent deux solutions solide α : Solution solide primaire de B dans A (riche en A) β : Solution solide primaire de A dans B (riche en B) Les deux fuseaux de solidifications se raccordent dans la région centrale du diagramme en faisant apparaître un point d’équilibre E invariant entre une phase liquide commune et deux phases appartenant respectivement aux deux solutions solides. Suivant la position de la température caractéristique du point triple remarquable, par rapport aux températures de fusion des constituants purs. Cours des sciences des matériaux
  • 50. 50 Cours des sciences des matériaux
  • 51. 51 Transformation eutectique Cours des sciences des matériaux
  • 52. 52 Le diagramme à point eutectique est caractérisé par la présence d’une zone de démixtion (séparation spontanée d'un mélange (ou alliage) homogène de particules en plusieurs phases non miscibles de compositions différentes) et de deux fuseaux de solidification se raccordant en un point eutectique E. La courbe AB représente la limite de solubilité de l’étain dans le plomb et la courbe CD celle du plomb dans l’étain. Ces deux courbes constituent les lignes de Solvus. La solubilité d’un élément dans l’autre varie avec la température. Ainsi la solubilité de l’étain dans le plomb passe de 18% à 183°C à 2% à la température ambiante. Le domaine de composition et de température délimité par la température de fusion du plomb (327°C), les points A, B et O caractérise la phase solide primaire α riche en plomb et l’alliage ainsi formé est monophasé Cours des sciences des matériaux
  • 53. 53 Etude de l’exemple Pb-Sn D’une façon analogue, on retrouve sur le diagramme d’équilibre un domaine monophasé : phase primaire β, riche en étain. Le point E est un point invariant, il caractérise le point eutectique à la température eutectique TE=183°C et le segment AC représente le palier eutectique. A ce point, trois phases sont en équilibre 1. Une phase liquide de composition CL = CE = 62% Sn 2. Une phase solide α de composition Cα=18% Sn 3. Une phase solide β de composition Cβ=97.5% Sn La réaction eutectique s’écrit : Cours des sciences des matériaux
  • 54. 54 Lors de la solidification d’un alliage de composition eutectique (Figure 8), celui-ci se comporte comme un composant pur. En effet, sa solidification se produit à température constante (183°C) comme celle d’un corps pur donnant lieu simultanément à deux phases solides distinctes. Cours des sciences des matériaux
  • 55. 55 La règle des segments inverses permet de calculer la proportion de chaque phase. Leur mise en œuvre est similaire à celle illustrée dans le cas de la miscibilité totale. Cours des sciences des matériaux
  • 56. 56 L’alliage ainsi formé est un mélange de deux phases (α en noir et β en blanc) comme montré sur la micrographie. pour un alliage à 30% Sn et 70% Pb. La composition C0 de cet alliage étant inférieure à celle du point eutectique, il s’agit d’un alliage hypo-eutectique. D’après le diagramme d’équilibre, la solidification de cet alliage débute à 262°C. Cours des sciences des matériaux
  • 57. 57  Pour θ>262°C, l’alliage est constitué d’une seule phase liquide de composition CL= C0= 30%Sn fL=100%  Pour θ=262°C, il y a formation d’une première phase solide primaire α ou appelée aussi pro-eutectique à 10%Sn.  Les premiers germes solides évoluent progressivement avec la température formant des dendrites de la phase α Cours des sciences des matériaux
  • 58. 58 Exercices de synthèses: Exercice N°1 : diagramme binaire Al-Cu
  • 59. 59 1. Quel est le type de ce diagramme. 2. Indiquer le liquidus et le solidus. 3. Indiquer pour chaque région, le nombre de phase et la variance. 4. Indiquer le nom, la température ainsi que la réaction de la transformation au niveau de 33,2% Cu. 5. Quels sont les phases et les constituants présents à 500°C dans un alliage contenant 15% de Cu ? Pour chacun(e) d’entre eux (elles), donnez leur composition et leur proportion. 6. Quels sont les phases et les constituants présents à 500°C dans un alliage contenant 15% Cu ? Pour chacun(e) d’entre eux (elles), donnez leur composition et leur proportion.
  • 60. 60
  • 61. 61 Cours des sciences des matériaux diagramme fer-carbone Variétés allotropique et magnétique du fer Le Fer existe sous deux variétés allotropiques différentes, c'est-à-dire avec deux formes cristallines : CC et CFC. À des basses températures et jusqu’à 912°C (A3), ses atomes sont disposés suivant un réseau cubique centré (CC) On l’appelle alors Fer α. Le ferα ne dissout pratiquement pas le carbone : 0.02%C au maximum à 723°C, moins de 0.01%C à 300°C. À des températures supérieures à 912 °C et jusqu’à 1394°C (A4) le réseau cristallin est du type cubiques à faces centrées (CFC) : on l’appelle Fer γ. Le fer γ dissout facilement le carbone : 0.8%C à 723°C, 2.14%C à1147°C. Au-dessus de 1394°C et jusqu’au point de fusion à 1538°C, le fer retrouve la structure cubique centrée du Fer α :On l’appelle alors Ferδ. Il dissout un peu mieux le carbone que le Fer α (0.07%C au maximum à 1493°C)
  • 62. 62 Cours des sciences des matériaux
  • 63. 63 Cours des sciences des matériaux les différentes phases du système Fer-Carbone La ferrite α Solution solide d’insertion de carbone dans le Fer α, à structure cubique centrée. Elle est relativement tendre (HB≈80), peu tenace (R≈300 MPa), mais très ductile (A≈35%). La ferrite δ Solution d’insertion de quelques atomes de carbone dans le fer δ. Sa structure est cubique centré CC. Il se forme à la marge 1394-1538 °C et renferme 0.11% de carbone. L’austénite γ Solution solide d’insertion d’atome de carbone dans le Fer γ, à structure cubique à face centrée, la quantité de carbone atteint ≈2%C à 1145°C. Il est stable qu’à haute température. L’austénite est très ductile La cémentite (Carbone de fer Fe3C) Sa décomposition égale à 6,67% en masse de carbone, en état métastable. La cémentite se présente sous forme de lamelles ou de globules dans la perlite ou d’aiguilles dans les fontes blanche. Elle est très dure et très fragile. La perlite Agrégat eutectoïde ayant une structure de lamelles alternées de ferrite et de cémentite. Ce constituant contient 0.8%C, La perlite est dure (HB≈200), résistante (Rm≈850 MPa) et assez ductile (A%≈10).
  • 64. 64 Cours des sciences des matériaux
  • 65. 65 Cours des sciences des matériaux
  • 66. 66 Acm : indique la fin de la dissolution après dissociation, de la cémentite dans l’austénite lorsque celle- ci existe. A0 : (210°C) précise la température de la transformation magnétique de la cémentite. A1 : précise la fin de la transformation au refroidissement de l’austénite. L’austénite n’existe plus au- dessous de cette ligne. A2 : (point de Curie ≈ 768°C) précise la température de la perte de magnétisme du Fer α. en générale ce point ne figure pas sur le diagramme Fer-C. A3 : précise la fin de la transformation au chauffage de la ferrite en austénite .La ferrite n’existe plus au-dessus de cette ligne. A4 : précise la fin de la transformation au chauffage de l’austénite en ferrite δ et/ou liquide. L’austénite n’existe plus au-dessus de cette ligne. On peut trouver Ac3, Ac4… pour indiquer que le point est tracé en chauffage, ou Ar3, Ar4 lorsqu’il s’agit de refroidissement. Cours des sciences des matériaux
  • 67. 67
  • 68. 68 Le diagramme Fer-carbone contient trois réactions isothermes caractérisées par des paliers :  Eutectique à 1147°C : il marque la température minimale d’existence du liquide. Eutectoïde à 723°C (A1). Il marque la fin de la transformation au chauffage de la perlite en austénite. Au-dessus de 723°C, la perlite n’existe plus Péritectique à 1487°C, mais d’importance négligeable de point de vue industrielle. Cours des sciences des matériaux
  • 69. 69 Réaction eutectoϊde: Un premier point remarquable doit être noté, correspondant à la teneur de 0.8%C à 723°C, ce point est dit eutectoϊde ; les aciers qui contiennent moins de 0.8%C sont dits hypoeutectoïdes et ceux qui sont plus carburés hypereutectoïdes Cours des sciences des matériaux
  • 70. 70 Réaction eutectique: Un deuxième point remarquable doit être noté correspondant à la teneur de 4.3% de carbone à 1147°C, ce point est dit eutectique. A la température eutectique il existe trois phases en équilibre. Le liquide se solidifie, pour former les phases d’austénite et de cémentite on l’appelle lédéburite. Réaction péritectique: Un troisième point remarquable correspondant à la teneur de 0.51% de carbone à 1487°C, ce point est dit péritectique. Cours des sciences des matériaux
  • 71. 71 Influence des éléments d'alliages: La mise en solution solide d'éléments d'alliage dans le fer modifie la position des points A3 et A4. Ces éléments sont classés selon leurs influences sur la position de ces points  On appelle α-gènes tout élément qui stabilise la phase CC, il élève la température du point A3 et abaisse celle du point A4.  On appelle γ-gènes tout élément qui stabilise la phase CFC, il abaisse la température du point A3 et élève celle du point A4. Cours des sciences des matériaux
  • 72. 72 Étude du refroidissement du diagramme métastable Fe3-C Acier hypœutectoïde à 0.4%C Cours des sciences des matériaux
  • 73. 73 Cas de l’acier hypœutectoïde à 0.4%C À T1 apparition des premiers cristaux de la ferrite α proeutectoïde. À T = 727 + ε, les fractions massiques des différentes phases présentes sont : À T = 727 : température de transformation eutectoïde, L’austénite γ subit la transformation eutectoïde pour donner naissance à la perlite. La structure finale typique des aciers hypoeutectoïdes à la température ambiante est : Ferrite (proeutectoïde) + perlite Cours des sciences des matériaux
  • 74. 74 Cours des sciences des matériaux
  • 75. 75 Cours des sciences des matériaux
  • 76. 76 Acier hypereutectoïdes 1. 2%C: La description du refroidissement des aciers hypereutectoïdes est semblable à ceux des aciers hypoeutectoïdes sauf que cette fois ci la phase proeutectoïde est la cémentite. La structure finale typique des aciers hypereutectoïdes à la température ambiante est : Cémentite (proeutectoide) + perlite. Cours des sciences des matériaux
  • 77. 77 Acier eutectoïde à 0.77%C: La spécificité de cet acier c’est qu’il ne possède pas de phase proeutectoïde donc sa structure à la température ambiante est 100% de perlite Cours des sciences des matériaux
  • 78. 78 Cours des sciences des matériaux
  • 79. 79 Transformation dans les fontes: Les fontes contiennent plus de 2 %C et toutes terminent leur solidification au palier eutectique à 1148 ou 1153°C : leur aptitude au moulage et leur nom de « fontes » proviennent de cette basse température de solidus. Ce sont des matériaux de bon marché mais dans l’ensemble plus fragiles que les aciers. Cours des sciences des matériaux
  • 80. 80 À T1 : début de solidification, il y a formation de cristaux d’austénite, en général sous forme dendritique. La température étant relativement élevée, l’homogénéisation par diffusion des phases liquides et solide est rapide. À T = 1148°C + ε : l’alliage est biphasé et constitué de dendrites d’austénite à environ 2% de C et de liquide à 4,3% C. La fraction de l’austénite = (4,3 – 3) / (4,3 – 2,1) = 0,59 À 1148°C : température eutectique: Le liquide se transforme en un agrégat eutectique (lédéburite) formé d’ilots d’austénite à 2% C dans une matrice de cémentite. Les dendrites d’austénite proeutectique ne subissent aucune transformation. En dessous de 1148°C jusqu’à 727°C : Il y a appauvrissement en C (de à 0,8 %) de la phase austénite avec formation de cémentite proeutectoïde (ou secondaire). À T = 727°C + ε : la fraction massique de l’austénite est de l’ordre de 0,37. À T = 727°C : l’austénite va se transformer en perlite. À l’ambiante : une fonte blanche hypoeutectique est donc constituée par une matrice de cémentite (eutectique + proeutectoïde) et de blocs de perlite. Cours des sciences des matériaux
  • 81. 81 Fonte hypoeutectique à 5%C Les transformations sont celles décrites pour les fontes hypoeutectiques. Sauf que cette fois ci la phase proeutectique est la cémentite (cémentite primaire). Cours des sciences des matériaux
  • 82. 82 Cours des sciences des matériaux
  • 83. 83 Cours des sciences des matériaux Considérez le diagramme d’équilibre « fer – carbone » (Fe-FeC) donné en cours. Pour un acier à 0.6% de carbone, répondre aux questions 1 et 2 ci-dessous. 1. À quelle(s) température(s) le fer pur solide subit-il une transformation allotropique au chauffage ? Précisez le changement de phase qui se produit au cours de la transformation allotropique. 2. Lequel des schémas présentés ci-dessous représentent la microstructure de cet alliage aux températures suivantes : 1460 °C, 1400 0C, 724 0C et 20 0C Applications
  • 84. 84 Considérez maintenant un acier de composition eutectoïde. 3. Identifier les phases en présence et leur proportion à la température ambiante (20°C)? 4. Quelles sont les températures de début et de fin de solidification de cet acier ? 5. Lequel des schémas (Fig. 1) représentent la microstructure de cet acier à 1420 °C
  • 85. 85 Application 2 L’observation micrographique d’une pièce en acier non allié permet d’évaluer une présence d’environ 20% de ferrite et 80% de perlite dans la structure. 1. Quelle est la composition chimique exacte de cet acier en vous référent aux nuances d’aciers normalisés selon norme européenne. 2. Calculer la proportion exacte de chaque phase présente dans l’acier et donner leur composition chimique. 3. L’acier non allié à 0,45% de carbone est refroidi depuis l’état liquide à l’aide d’une vitesse lente. Décrire les transformations qu’il aurait subies depuis l’état liquide jusqu’à l’ambiante Données : Désignation des aciers non alliés, C22, C25, C30, C40, C50, C60, C70.
  • 86. 86 Cours des sciences des matériaux
  • 87. 87 Le diagramme suivant représente le diagramme d’équilibre binaire Fer-Carbone. Application 3
  • 88. 88 1. Quel est le type de ce diagramme (stable ou métastable) 2. Indexer le diagramme en précisant le nombre de phase de chaque domaine. 3. Donner les coordonnées des points particuliers dans ce diagramme, en précisant pour chacun le type de la transformation et l’équation d’équilibre. 4. 4. Soit l’alliage à 1,5% de carbone. • Calculer la proportion de chaque phase présente dans cet alliage. • Donner le nom de cet alliage
  • 89. 89 Cours des sciences des matériaux
  • 90. 90 Cours des sciences des matériaux
  • 91. 91 Cours des sciences des matériaux
  • 92. 92 Cours des sciences des matériaux
  • 93. 93 Cours des sciences des matériaux
  • 94. 94 Cours des sciences des matériaux CONCLUSION A VOUS DE CONCLURE !!