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22èmeème partie : partie :Connaissance des matériaux Connaissance des matériaux
métalliquesmétalliques
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Chapitre 11 : Les métauxChapitre 11 : Les métaux
Plan du chapitre :• Généralités• Les fontes• Les aciers non alliés• Les aciers faiblement alliés• Les aciers fortement alliés
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GénéralitésGénéralités
Métal pur n’existe pasMinerai métallurgie
Alliages ferreux : fontes, aciersAlliages cuivreux : bronzes, laitonsAlliages d’aluminium : alpax, duraluminAlliages de zinc : zamak, kayem
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Fontes2 … 6 % C
Généralités : métaux ferreuxGénéralités : métaux ferreux
Aciers0,05 … 1,5 % C
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Généralités : métaux non ferreuxGénéralités : métaux non ferreuxMinerais Métallurgie
Energie électrique
Métal pur
(Sn)étain (Cu) cuivre bronzes les-(Zn) zinc (Cu) cuivre laitons les-
cuivre de Alliages
(Mg) magnésium (Al) aluminium (Zn) zinc zamaks les- zinc de Alliages
(Si) silicium (Al) aluminium alpax -(Mg) magnésium (Cu) cuivre (Al) aluminium duralumin -
aluminiumd' Alliages
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Plan du chapitre :• Généralités• Les fontes• Les aciers non alliés• Les aciers faiblement alliés• Les aciers fortement alliés
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Les fontes (1)Les fontes (1)
2 … 6 % CBonne coulabilitéFragilesPeu ductilesDifficilement soudablesFaible % C : fonte blancheFort % C : fonte grise
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Les fontes (2)Les fontes (2)Fontes grises (à graphite lamellaire)Fontes grises (à graphite lamellaire)
Carbone libre présent sous forme de lamellesLargement utilisée en mécaniqueEconomiqueBonne coulabilitéBonne usinabilitéBonne aptitude à l’absorption des vibrationsBonne résistance en compression
Désignation : selon NBN-EN 1560EN-GJL 200 : fonte grise, Rm = 200 N/mm²
Applications : bâtis de machine, supports, carters, blocs-moteurs, …
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Les fontes (3)Les fontes (3)Fontes à graphite sphéroïdalFontes à graphite sphéroïdal
Ajout de Mg provoquant la cristallisation du graphite2ème les plus utiliséesBonne ductilitéBonne usinabilitéBonne résilience
Désignation : selon NBN-EN 1560EN-GJS 400-15 : fonte à graphite sphéroïdal, Rm = 400 N/mm², A = 15%
Applications : vilebrequins, arbres de transmission, …
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Les fontes (4)Les fontes (4)Fontes malléables à cœur blanc ou à Fontes malléables à cœur blanc ou à
cœur noircœur noirObtenue par malléabilisation de la fonte blancheBonne ductilité (blanc et noir)Bonnes caractéristiques mécaniques (blanc et noir)Aptitude à la galvanisation à chaud (blanc)Résistance à l’usure (noir)
Désignation : selon NBN-EN 1560EN-GJMW 400-5 : fonte malléable à cœur blanc, Rm = 400 N/mm², A = 5%EN-GJMB 350-10 : fonte malléable à cœur noir, Rm = 350 N/mm², A = 10%Applications : carters, boîtiers, quincaillerie, …
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Les fontes (5)Les fontes (5)Désignation des fontesDésignation des fontes
La désignation des fontes est normalisée.La norme a une portée territoriale bien définie.Au niveau national (ex. Belgique : norme NBN, Allemagne : DIN, …)Au niveau européen (norme EN)Au niveau international (norme ISO)
La désignation des fontes est décrite dans la norme NBN-EN-1560.Cette norme est donc reconnue au niveau européen et au niveau belge.
La désignation abordée est la désignation symbolique.Il existe également une désignation numérique qui n’est pas abordée ici.
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Les fontes (6)Les fontes (6)Désignation des fontesDésignation des fontes
EN-GJ L - 150SEN-GJIndiquent qu’il s’agit d’une fonte
1 ou 2 lettres :La 1ère (*) indique la structure du graphiteLa 2ème (**) (éventuelle) une structure particulière
Dernière zone peut être codées selon 3 variantes
(*) 1ère lettre (**) Seconde lettre
LSMVNY
LamellaireSphéroïdaleMalléableVermiculaireSans graphiteStructure spéciale
AFPLQTBW
AusténitiqueFerritiquePerlitiqueLédéburitiqueEtat trempéEtat trempé revenuMalléable à cœur noirMalléable à cœur blanc
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Les fontes (7)Les fontes (7)Désignation des fontes – 1Désignation des fontes – 1èreère variante variante
EN-GJL - 400C - 150 RT
EN-GJLIndiquent qu’il s’agit d’une fonte ;
Ici fonte à graphite lamellaire
Nombre indique Rm en traction.Unités : N/mm² ou MPa
Lettre éventuelle :S : échantillon coulé séparémentU : échantillon attenantC : échantillon prélevé sur la pièce
Ici Rm = 400 N/mm² testée sur un échantillon prélevé sur la pièce
Nombre et facultativement des lettresNombre seul indique l’allongement en %
Nombre avec des lettres représente la résilienceRT : à température ambianteLT : à basse température
Ici résistance au choc par flexion de 150 N/mm² sur base d’un essai réalisé à température ambiante
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Les fontes (8)Les fontes (8)Désignation des fontes – 2Désignation des fontes – 2èmeème variante variante
EN-GJS - HB 180
EN-GJSIndiquent qu’il s’agit d’une fonte ;
Ici Fonte sphéroïdale
Lettre H indique que le nombre correspond à une dureté.B : BrinellR : RockwellV : Vickers
Ici 180 de dureté Brinell
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Les fontes (8)Les fontes (8)Désignation des fontes – 3Désignation des fontes – 3èmeème variante variante
EN-GJN - X 300 Cr Ni Si 9-5-2
EN-GJNIndiquent qu’il s’agit d’une fonte ;
Ici Fonte sans graphite
Lettre X suivie d’un nombre puis d’une série de symboles chimiques puis de nombres.1er nombre : correspond au centième de % de C dans la fonteSérie de symboles chimiques suivie par une série de nombres représentant le % respectif de chaque constituant.
Ici :3% C ; 9% Cr ; 5% Ni ; 2% Si
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Les fontes (9)Les fontes (9)Quelques applicationsQuelques applications
TubuluresPaliers
Moules pour verrerie
Boîtiers
Carters
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Plan du chapitre :• Généralités• Les fontes• Les aciers non alliés• Les aciers faiblement alliés• Les aciers fortement alliés
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Les aciers non alliés (1) – Acier usuelsLes aciers non alliés (1) – Acier usuels58 nuances d’acier principalement commercialisées.
Applications : carrosseries, trains, chaudronnerie, ameublement, électroménager, biens de consommation, etc.
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Les aciers non alliés (2) – Acier usuelsLes aciers non alliés (2) – Acier usuelsDésignation normalisée (Désignation normalisée (NBN-EN-10027-1)NBN-EN-10027-1)
Lettre
Acier Nombre
S de construction ReP pour appareils sous pression ReL pour tubes de conduite ReE de construction mécanique ReB à béton RmY pour béton précontraint RmR pour ou sous forme de rails ReH laminé pour emboutissage à froid Re ou RmDC,DD,DX
laminé à froid (C), à chaud (D) ou non spécifié (X) pour formage à froid à l’exclusion des aciers H
Numéro d’ordre
M magnétique *T fer noir, fer blanc, fer chromé (aciers pour
emballage)*Exemple : E295 : acier de construction mécanique, Re = 295 N/mm²
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Les aciers non alliés (3) – Acier usuelsLes aciers non alliés (3) – Acier usuelsAciers au carbone
Nuancesnormalisées
Rm(N/mm²)
MPa
Re(N/mm²)
MPa
A %(maxi)
K(daJ/cm²)
Aciers d’usage généralS 185 290 185 8 à 18 6S 235 340 235 15 à 26 6S 275 410 275 12 à 22 6S 355 490 355 12 à 22 5
De construction mécaniqueE 295 470 295 10 à 20 5E 335 570 335 6 à 16 5E 360 670 360 3 à 11 5
Pour cémentationC 22 410 à 980 255 à 600 8 à 15
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Aciers au carboneNuances
normaliséesRm
(N/mm²)MPa
Re(N/
mm²)MPa
A %(maxi
)
K(daJ/cm²)
Traitements thermiques – forgeageC 25 460 à 690 285 à
37018 à 21
C 35 570 à 830 335 à 490
16 à 20
C 40 620 à 880 355 à 520
14 à 19
C 45 660 à 930 375 à 580
13 à 18
C 50 700 à 980 395 à 600
12 à 17
Pour trempe superficielleC 40 Dureté de la couche trempée : 55 HRc
Les aciers non alliés (4) – Acier usuelsLes aciers non alliés (4) – Acier usuels
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Les aciers non alliés (5) – Acier spéciauxLes aciers non alliés (5) – Acier spéciauxAciers spéciaux non alliés de type CDestinés aux traitement thermiquesSi %C < 0,3 : aciers réservés à la cémentation (aciers doux)Si 0,3 < %C < 0,5 : pour trempe et revenu (aciers mi-durs)Si %C > 0,5 : pour grandes duretés, tenue à l’usure (aciers durs)
G C 35 E
G : lettre facultative mentionnant s’il s’agit d’un acier mouléC : acier spécialNombre : représente le % de carbone multiplié par 100Lettre : E : teneur en soufre, C pour formage, S pour ressort
Ici : acier moulé avec 0,35% C avec une teneur en soufre
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Plan du chapitre :• Généralités• Les fontes• Les aciers non alliés• Les aciers faiblement alliés• Les aciers fortement alliés
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Les aciers faiblement alliés (1)Les aciers faiblement alliés (1)
34 Cr Mo 5
Aucun élément d’addition ne peut dépasser 5% en masse !Choisis si une haute résistance est exigée.
Nombre représente le % en carbone multiplié par 100
Ici : 0,34% C
Symboles chimiques des éléments d’addition placé dans l’ordre décroissant de leur teneur (hormis le carbone et bien sûr le fer).
Ici : Chrome qui a une teneur > Molybdène
Nombres représentant la teneur % de chaque symbole chimique.Ces nombres peuvent être multipliés par un facteur.
Ici : 1% de chrome et < 1 % de molybdène
Facteur :Si, Mn, Ni, Cr, Co, W : 4Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr : 10Ce, N, P, S : 100B : 1000
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Les aciers faiblement alliés (2)Les aciers faiblement alliés (2)Aciers de cémentation :
%C < 0,2%Peuvent subir une trempe dans la masse
Aciers pour trempe dans la masse : Meilleurs que les aciers C
++++ : très forte : engrenage : pièces de frottement+++ : forte : arbres, axes,
tiges, leviers, fusées
: pièces d’usure
++ : moyenne : boulonnerie haute résistance
: pièces de sécurité, résistance aux chocs
+ : limitée : roulements : basses températuresP : petite ( 50) : ressorts : pour trempe
superficielleM : moyenne (
100)G : grosse (
200)
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Les aciers faiblement alliés (3)Les aciers faiblement alliés (3)
Apt
itu de cro
iss
ant e
Principaux aciers faiblement alliésNuances Caractéristiques
mécaniquesPour cémentation
Trempabilité
Taille des pièces
Exemple d’utilisationPropriétésFa
mille
Désignation Anciennedésignation
RmdaN/mm²
RedaN/mm²
A%
KdaJ/cm²
Chrome
38 Cr 2 38 C 2 60 – 95 35 – 55 14 – 17
5 + P – M
46 Cr 2 42 C 2 65 – 110 40 – 65 12 – 15
4 + P – M
41 Cr 4 42 C 4 80 – 120 56 – 80 11 – 14
4 ++ P – M
100 Cr 6 100 C 6 85 – 125 55 – 85 10 – 13
4 ++ P – M HRc62
Nickel-Chrome
10 NiCr6 10 NC 6 60 – 115 42 – 62 10 – 12
8 – 10 + P
20NiCr6 20 NC 6 70 – 110 70 – 95 8 – 10 6 – 8 ++ P 13NiCr14 14 NC 11 80 – 145 65 – 90 8 – 10 7 – 8 + M 30NiCr11 30 NC 11 70 – 110 45 – 70 12 –
167 ++ M
Ni + Cr +
Mo
20NiCrMo7 18NCD6 80 – 150 70 – 90 8 – 10 5 – 6 +++ G 20NiCrMo2 20NCD2 75 – 155 60 – 95 8 – 11 5 – 7 ++ M 16NiCrMo1
316NCD13 85 – 155 65 – 95 8 – 11 5 – 7 ++ M
34NiCrMo6 35NCD6 85 – 140 65 – 100 10 – 13
6 +++ G
36NiCrMo16
35NCD16 100 – 145
80 – 105 9 – 11 5 ++++
G Trempable à l’air
30CrNiMo8 30CND8 90 – 145 70 – 105 10 –
126 +++
+G
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Principaux aciers faiblement alliésNuances Caractéristiques
mécaniquesPou
r
Cém
enta
tion
Tremp
abilité
Taille des pièce
s
Exemple d’utilisat
ionPropriétésFa
mi
lle
Désignation Anciennedésignation
RmdaN/mm²
RedaN/mm²
A%
KdaJ/cm²
Cr +
Mo
31CrMo12 30CD12 90 – 130 70 – 90 10 – 12
5 – 6 +++ G pour nitrurati
on25CrMo4 25CD4 75 – 110 45 – 75 12 –
167 ++ M soudabilité
34CrMo4 35CD4 70 – 120 50 – 85 11 – 15
6 ++ G
42CrMo4 42CD4 75 – 130 55 – 90 10 – 14
5 +++ G
50CrMo4 50CD4 80 – 130 60 – 90 9 – 13 4,5 +++ G nua
nces div
er
ses
51CrV4 50CV4 70 – 130 50 – 90 8 – 14 4 +++ G 41CrAlMo7 40CAD6-12 80 – 120 60 – 80 10 –
145 ++ M pour
nitruration
28Mn6 20M5 50 – 75 35 – 45 19 –
218 + P soudabilité
20MnCr5 20MC5 90 – 150 75 – 95 8 – 9 4 – 5 + M 55Si7 55S7 70 – 170 50 – 90 9 – 13 4 ++ P
45SiCrMo6 45SCD6 85 – 180 60 – 95 9 – 13 5 +++ P – M
13MnS4 13MF4 78 – 118 54 9 4 pourdécolletage35MnS6 35MF6 88 – 108 74 9 3,5
Les aciers faiblement alliés (4)Les aciers faiblement alliés (4)
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Plan du chapitre :• Généralités• Les fontes• Les aciers non alliés• Les aciers faiblement alliés• Les aciers fortement alliés
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Les aciers fortement alliés (1)Les aciers fortement alliés (1)Destinés à des usages particuliers (inoxydable, etc.)Un élément d’addition doit dépasser 5% en masse.
X 8 Cr Ni 18-9
La lettre X mentionne qu’il s’agit d’un acier fortement allié
Nombre : représente le % de carbone multiplié par 100
Ici : 0,08% de carbone
Symboles chimiques des éléments d’addition placé dans l’ordre décroissant de leur teneur (hormis le carbone et bien sûr le fer).
Ici : Chrome qui a une teneur > Nickel
Nombres représentant la teneur % de chaque symbole chimique.
Ici : 18% de chrome et 9% de nickel
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Les aciers fortement alliés (2)Les aciers fortement alliés (2)
Aciers inoxydables
Ferritiques : DuctilitéTrempe et écrouissage ne fonctionnent pasFaciles à déformerUsinage, soudage, résilience médiocresEquipements ménagers, automobiles,mobiliers, …
Austénitiques : les + utilisésTenue aux T élevéesDuctilitéRésilienceFaciles à forger et souderUsinabilité faibleChimie, alimentaire, transports, …Martensitiques :
RésilienceTrempableSoudableForgeableUsinableCaractéristiquesmécaniques bonnes à T élevéeOrganes mécaniques
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Les aciers fortement alliés (3)Les aciers fortement alliés (3)
Principaux aciers inoxydablesNuances
NormaliséesNF-EN-10088
RedaN/mm²
RmdaN/mm²
A%
KdaJ/cm²
Austénitiques
X2CrNi19.11 18 à 21,5 46 à 68 35 à 45 12ou
60 à100 HV
X5CrNi18.10 19 à 25 52 à 72X5CrNiMo17.12 20 à 26 50 à 70 30 à 40X6CrNiTi18.10 19 à 25 50 à 72
X6CrNiMoTi17.12 20 à 27 50 à 73Martensitiques
X30Cr13 60 à 65 80 à 100 10 à 15 2,5Ferritiques
X6Cr17 24 à 28 40 à 64 18 à 20
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Les aciers :Les aciers :Quelques applicationsQuelques applications
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1
0,60,8
1,72
4
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Polystyrène [ PS ]
Les PVC [ U ou P ]
Plexiglas [ PMMA ]
18
28
Araldite [ EP ]
Infos: densités des métauxMagnésium, 1,7 g/cm3Aluminium, 2,7 g/cm3Zinc, 7,1 g/cm3Fer, 7,9 g/cm3Cuivre, 8,9 g/cm3
Les matériaux :Les matériaux :Prix relatifs à masses égalesPrix relatifs à masses égales
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Désignation des matériaux : Désignation des matériaux : deux sites (1)deux sites (1)
http://www.ac-nancy-metz.fr/enseign/sti/genimeca/le_site/la_boite_a_outil/les_doc_ressources/dossiers_ressources/appli_peda_aide_info/Materiaux/design_index.htm
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Désignation des matériaux : Désignation des matériaux : deux sites (2)deux sites (2)
http://www.cnomo.com/
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Désignation des matériaux : Désignation des matériaux : ExercicesExercices
1. EN-GJMW 300-92. Fonte vermiculaire dont la résistance à la rupture vaut 300 N/mm² et
la résistance à la flexion vaut 150 N/mm² à température ambiante.3. S3454. 22 NiCrMo 8-65. G X 6 CrNiTi 18-116. Acier contenant 0,04 % de carbone, 18% de chrome et 10% de nickel7. Acier moulé contenant 0,35% de carbone, 4% de nickel, 2% de
chrome et des traces de molybdène8. G C 35 E9. EN-GJS-400-1810. Fonte lamellaire contenant 15 % de chrome et des traces de
molybdène et de nickel.