CARACTERISTIQUES ET CHOIX DES MATERIAUX

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CARACTERISTIQUES ET CHOIX DES MATERIAUX

Materials Science, Mechanical Properties, Engineering · notes

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IN2P3

CARACTERISTIQUES

ET CHOIX

DES MATERIAUX --------------------

1

SOMMAIRE

CARACTERISTIQUES ET CHOIX DES MATERIAUX

1 Généralités

11 Propriétés mécaniques des matériaux 111 Propriétés d’usage 112 Essai de Traction 113 Re, Rm, Re0,2 114 Courbe réelle ou rationnelle 115 Palier de limite élastique 116 Influence de la température sur Re et Rm 117 Effet de masse 118 Autres caractéristiques mécaniques: A, E, G, ν variations en fonction de la température

118-1 A: allongement à la rupture 118-2 E: module d’Young 118-3 Valeur spécifique du module 118-4 ν : coefficient de Poisson 118-5 G: module de cisaillement 118-6 La résilience 118-7 La ténacité

12 Comportement é lastique des matériaux

13 Comportement plastique

14 Coefficient de sécurité

2 Métaux ferreux

21 Définitions

211 Transformations structurales : rappels 212 Classement des aciers

22 Désignation normalisée: rappels

23 Avantages / Inconvénients / Compara ison

231 Variations des propriétés en fonction du traitement thermique 232 Comparaison de caractéristiques mécaniques des aciers et de quelques matériaux. 233 Rapports des prix et poids 234 Aciers / Aciers spéciaux: propriétés et caractéristiques

24 Soudage

25 Renseignements pratiques complémentaires

2

3 Alliages d’aluminium

31 Généralités

32 Désignation normalisée : rappels

321 Désignation numérique 322 Désignation alphanumérique

33 Durcissement

331 Caractéristiques obtenues

34 Etats métallurgiques

35 Influence de la température

36 Soudage

37 Renseignements pratiques complémentaires

4 Matériaux polymères

41 Généralités

411 Les thermoplastiques 412 Les thermodurcissables

42 Avantages et limites

43 Caractéristiques

431 Polyesters 432 Polyamides 433 Polycarbonates 434 Polyacétals 435 Polyphénylènes 436 Polyimides

44 Vieillissement sous radiations

45 Critères de sélection

46 Renseignements pratiques complémentaires

5 Utilisation aux basses températures

51 Evolution des propriétés à basse température

511 Les aciers 512 Les alliages d’aluminium 513 Les composites

52 Renseignements complémentaires

Polymères techniques, doses limites, dureté des matériaux

6 Tableaux de synthèse:

3

CARACTERISTIQUES ET CHOIX DES MATERIAUX

Le BE de mécanique est confronté au problème du choix des matériaux dans le respect des

contraintes imposées par le cahier des charges. L’objectif de ces pages est de faciliter ce choix et les calculs de prédétermination pour les matériaux courants en donnant les caractéristiques physiques et mécaniques (E, ν, Re, A%..). Les caractéristiques thermiques (Cp, λ, Τmax..) ne sont généralement pas indiquées ici. Il est possible de les trouver sur le site de l’IUSTI (http://iusti.univ-mrs.fr).

Les explications, les définitions et rappels, ont pour but de permettre une meilleure compréhension des phénomènes et des incertitudes liées aux valeurs données. En effet, les caractéristiques dépendent de la nature du matériau (métal, polymère, composite, céramique), de sa composition et de sa structure. La structure microscopique est liée aux conditions d’élaboration et aux traitements thermomécaniques effectués lors de la fabrication.

1 Généralités

11 Propriétés mécaniques des matériaux

Le comportement d’un métal est fonction des forces extérieures appliquées et traduit les évolutions de la cohésion de l’édifice cristallin. Pour les métaux, les forces qui assurent cette cohésion résultent de l’ionisation des atomes du métal qui perdent des électrons de valence et circulent entre les ions.

Les propriétés mécaniques dépendent de la température d’utilisation, de l’état de surface,

des conditions d’application des efforts, de la vitesse de déformation.. Elles sont déterminées, avec un certain intervalle de précision, au moyen d’essais normalisés.

111 Propriétés d’usage

Elles peuvent être séparées en deux catégories:

- celles qui font l’objet d’une garantie: Rm, Re, A, à 20°C, ou la limite élastique à chaud

t , la résilience à température donnée Kc. Rp

- celles données à titre indicatif: résistance au fluage (allongement donné, de 0,5 ou 1% à température donnée, en un temps donné : 10000 ou 100000 heures ), à la fatigue (limite d’endurance dépendant de nombreux facteurs pour 107 cycles pour les aciers)

Les mesures sont effectuées sur des éprouvettes normalisées prélevées dans les matériaux à tester. Les conditions de prélèvement et d’essais sont définies par les normes .

4

112 Essai de Traction

Il consiste à imposer un allongement à une éprouvette de section initiale So et de longueur

utile Lo. La courbe type obtenue pour un matériau ductile est la suivante:

σ=F/So

A

Rm Re 0,2

Re

C

B

l

D

l

O

0,2%

Figure 1

ε=∆l/lo

La droite OA correspond à la déformation élastique réversible.

La courbe AC est le domaine de déformation plastique homogène: si on supprime la force de traction, il y a un retour élastique suivant une parallèle à OA et il reste une déformation permanente.

Pour CD, la force nécessaire pour déformer le matériau diminue alors que l’allongement continue d’augmenter : cette instabilité est appelée instabilité plastique. La striction apparait. En D il y a rupture de l’éprouvette.

113 Re, Rm, Re 0,2

Re (MPa) est la limite de proportionnalité ou limite élastique . Elle est bien marquée pour

les matériaux ductiles. Re correspond au seuil d’écoulement plastique.

Rm est la résistance limite à la traction. Cette valeur est utilisée pour estimer la limite

d’endurance à la fatigue (Figure 1)

Re est atteinte quand on observe la première chute de l’effort lors de l’essai. En l’absence de ce phénomène, quand OA n’est pas rectiligne, on doit utiliser la limite conventionnelle d’élasticité Re 0,2 qui correspond à un allongement plastique de 0,2% (voir Figure 1).

Les aciers austénitiques ont une limite élastique plus faible qui conduit en pratique à utiliser

Re0,2..

5

Dans le cas des aciers ferritiques recuits, les interactions carbone - dislocations peuvent

induire une anomalie de limite d’élasticité (crochet: voir figure 2).

σ=F/So

Ferrite légérement écrouie

Ferrite recuite

Austénite

O

ε=∆l/l o

Courbe de traction avant striction pour des aciers inoxydables

Figure 2

114 Courbe réelle ou rationnelle

Dans la réalité, la section varie à chaque instant et s’éloigne de sa valeur initiale. Il en va de

même pour l’allongement relatif réel.

On peut tracer la courbe de traction vraie, ou rationnelle, qui utilise les sections et déformations réelles à chaque instant et met en évidence le durcissement du matériau (écrouissage) au cours de la déformation plastique.

σ MPa

300

courbe vraie σ=F/S (ε)

courbe brute σn=F/S 0

O

0,18 0,2

0,34 0,4

0,47 0,6

ε=ln(1+ εn) εn=∆l/lo

Figure 3

6

115 Palier de limite élastique

La courbe brute de certains matériaux tels le polycarbonate ou l’acier doux recuit montrent à la fin du domaine élastique une chute des contraintes suivie d’un palier qui correspond à une déformation plastique locale qui se propage sous effort constant.

σ

60

σp

40

σp

20

O

fronts de déformation plastique

εn

0,4

0,8

1,2

Courbe de traction brute du polycarbonate à 20°C d'après les référentiels Dunod

Figure 4

116 Influence de la température sur Re et Rm

Les définitions de Re ou Rm sont conventionnelles car elles dépendent de la section initiale de l’éprouvette (surtout Rm), de la qualité de l’extensomètre (Re), de la vitesse de mise en charge et de la température d’essai: ce ne sont pas des contraintes vraies.

R: N/mm2

selon le vieillissement

Rm

Re

- 196°C

20°C

250°C

425°C

Evolution de Re et Rm pour un acier en fonction de la température (selon L’essai de traction - Grumbach-Otua)

température essai (°C)

Figure 5

7

Cette évolution des caractéristiques de résistance aux basses températures sera développée

au paragraphe 5

117 Effet de masse

Pour les aciers traités , un effet de masse apparaît. Il se traduit par une diminution des

caractéristiques de la surface vers le coeur quand la taille des pièces augmente.

Le tableau suivant donne les caractéristiques de deux aciers ayant une trempabilité respective moyenne et forte (d’après les référentiels Dunod). Les éprouvettes sont prises à 12,5 mm de la surface.

Dimension du barreau traité (en mm)

Re

Rm A%

Re

Rm A%

35 CD4

35 NCD16

Publicité

d<16

16<d<40

40<d<100

80

68

57

110

100

87

11

12

14

105

135

105

105

9

9

95

95

10

118 Autres caractéristiques mécaniques: A, E, G, ν; variations en

fonction de la température

118-1 A: allongement à la rupture

L’ allongement à la rupture est le rapport A= 100.(ld-lo)/lo où ld est la longueur de

l’éprouvette à la rupture en D.

118-2 E: module d’Young

La pente de la partie linéaire OA (Figure 1) représente le module d’Young E (en Mpa ou

en GPa) ou module d’élasticité.

On appelle loi de Hooke la relation

σ élastique= E ε élastique.

La mesure de E est obtenue à l’aide d’un extensomètre. Le module d’Young à 20°C va de 4 Mpa pour le caoutchouc à 500 GPa pour les céramiques (SiC ). Cette variation importante est due aux intensités très variables des forces de liaison entre les atomes ou molécules au sein des matériaux: liaisons covalentes, ioniques.

La rigidité d’une structure en traction, compression, flexion, est proportionnelle au module d’Young.

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La valeur de ce dernier, pour les matériaux isotropes , est indépendante de la direction de l’effort. Par contre, pour les matériaux anisotropes , tels les stratifiés, les composites orientés, les monocristaux, E varie avec l’orientation.

E décroît quand la température augmente : environ 10-4 par degré pour les métaux, les céramiques et les verres. Il varie de façon beaucoup plus importante en fonction de la température dans le cas des polymères et des composites à matrice organique.

118-3 Valeur spécifique du module

Il est intéressant d’utiliser le rapport du module et de la densité du métal. La valeur de E/ρ est la valeur spécifique du module: c’est un indice de performance qui tient compte de la déformation élastique et de l’allégement.

Les métaux peuvent être classées en deux catégories

- aluminium, fer, magnésium, titane (les plus performants)

26<E/ρ<27 (en 10 9 N.mm.Kg-1)

- cuivre et zinc (les moins performants) 14<E/ρ<15

118-4 ν : coefficient de Poisson

L’éprouvette subit aussi des déformations latérales: le coefficient de Poisson , ou

coefficient de contraction latérale dans le domaine élastique est le rapport sans dimension

ν= (do-d)/do

Ce coefficient, compris selon les matériaux entre 10-2 et 4 10-1, dépend légèrement de la température.

118-5 G: module de cisaillement

Le module de cisaillement G ou module de Lamé ou module de Coulomb, exprimé en Mpa ou Gpa, définit le cisaillement élastique consécutif à l’application d’une sollicitation de cisaillement.

Il varie sensiblement comme E en fonction de la température et le type de matériau.

Pour les matériaux isotopes, on a la relation

G =E / 2(1+ν)

118-6 La résilience

On mesure l’énergie qui provoque la rupture en flexion d’une éprouvette entaillée en U ou V (Kcu ou Kcv). L’essai de résilience (essai Charpy) permet de déterminer la température de

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transition d’un matériau qui sépare la rupture ductile, à énergie élevée, et la rupture fragile du type clivage, de faible énergie. Les ruptures ductiles sont fibreuses, tourmentées (déformation plastique); les ruptures fragiles sont plates ou cristallographiques.

Joules

50

TD

-80

0

80 °C

Transition fragile/ductile. Acier 18NCD laminé. TD: température moyenne de transition

Figure 6:

118-7 La ténacité

C’est une caractéristique, à la base du concept de tolérance au dommage dans les structures, qui est basée sur la formulation des contraintes et déplacements au voisinage d’une fissure de géométrie connue. Le chargement est statique ou dynamique. Ces conditions déterminent le facteur d’intensité de contraintes K, calculé, qui caractérise l’accroissement des contraintes et des déformations provoqué par la fissure.

La tenacité , Kc, est déterminée expérimentalement au moyen d’éprouvettes préfissurées. Elle correspond à la valeur critique de K pour laquelle se produit une propagation brutale d’une fissure de longueur ac sous une charge Pc.

Kd est la ténacité dynamique qui correspond à la valeur critique de K sous un choc.

12 Comportement élastique des matériaux

Il correspond à de petits déplacements réversibles des atomes autour de leur position d’équilibre dans le réseau cristallin. Sous l’action d’une force, les atomes s’écartent. Une réaction due aux forces de liaison tendant à les rapprocher provoque la réaction.

Pour les matériaux métalliques et les polymères non étirés et non renforcés, les caractéristiques d’élasticité sont indépendantes de la direction et le comportement élastique est linéaire.

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Ce n’est pas le cas pour les composites ou certains polymères pour lesquels le module d’Young varie avec l’amplitude de la déformation du fait de l’orientation des chaînes macromoléculaires: ce comportement correspond à des lois d’élasticité non linéaire.

13 Comportement plastique

Lorsque la limite d’élasticité est dépassée, les atomes du réseau cristallin ont changé de

place sous l’action d’un effort de cisaillement.

La prise en compte des défauts du cristal, notamment des dislocations, est indispensable

pour comprendre le comportement plastique.

Lorsqu’une déformation plastique est provoquée, on constate que la résistance à la

déformation augmente car

- les dislocations interagissent entre elles

- de nouvelles dislocations prennent naissance, venant augmenter les interactions

Cette augmentation de la résistance à la déformation plastique est l’écrouissage .

Si on relâche l’effort qui a provoqué la plasticité, on constate un retour élastique: le domaine élastique s’étend jusqu’à la contrainte qui était appliquée précédemment, ce qui se traduit par une augmentation de la limite élastique.

Ce phénomène est limité par l’apparition de microcavités qui provoquent une diminution de

la section résistante et conduisent à la rupture ductile.

14 Coefficient de sécurité

L’aptitude d’une pièce à un usage donné peut se traduire par la relation de sécurité

S < Li / s

- S est la valeur maximale admissible des contraintes qui sera définie par la suite.

- Li est l’une des limites Re, Re0,2 ou Rm.

- Le coefficient de sécurité s relatif à une limite donnée est toujours supérieur à 1.

Il traduit l’incertitude liée à la connaissance du matériau, dont certains aspects ont été soulignés lors des paragraphes précédents, à la détermination des efforts et au calcul des contraintes, aux conséquences résultant de la destruction de la pièce.

Pour les ouvrages stationnaires et de grandes durées de service, on prend des coefficients relativement élevés (2 à 5). Dans l’aviation, les coefficients de sécurité se déterminent à partir de la résistance limite.

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On peut mettre s sous la forme suivante pour la traction si les sollicitations et la section

sont constantes:

s= αm.αe.αf

avec − αm, incertitude sur l’homogénéité du matériau (1.2 pour du laminé, 1.1 pour du moulé)

− αe, incertitude sur les caractéristiques (1.2 si on a effectué un seul essai de traction, 1 si on procède selon les normes)

- αf, incertitude sur les charges appliquées

Si la section est variable, on voit apparaître le phénomène de concentration de contrainte au voisinage des raccordements. On doit vérifier que σ<S et que k.σ<Re avec k coefficient de concentration de contraintes.

Dans le cas de sollicitations dynamiques, on vérifie que σ<S et que k.σ < limite de fatigue

2 Métaux ferreux

21 Définitions

Les aciers sont des alliages à base de fer qui titrent moins de 2% de carbone, contrairement

aux fontes qui en contiennent plus de 2%.

211 Transformations structurales : rappels

La structure du fer change avec la température. A 20°C, la structure est cubique centrée CC(fer α) A partir de 912°C apparaît la forme cubique à faces centrées CFC (fer γ). Cette forme est stable jusqu’à 1394°C où le fer redevient cubique centré (fer δ) jusqu’à la fusion à 1538°C.

Les atomes de carbone peuvent entrer dans les espaces libres entre les atomes du fer CFC.

La solubilité varie avec la température.

La solution solide de carbone dans le fer γ s’appelle austénite.

Celle formée dans le fer α s’appelle ferrite (Nota: le carbone est très peu soluble dans le fer α).

Du fait des variations de solubilité du carbone, ce dernier est mis en solution dans le fer γ, puis il se trouve rejeté sous forme de précipités de Fe3C, ou cémentite lors du refroidissement. L’alliage FE/C est durci par ces carbures. Cette précipitation dépend de la température et du temps.

12

Le diagramme d’équilibre présente deux domaines, fer α + fer γ et fer γ + cémentite qui ont en commun un point correspondant à 727°C et 0,77% de C (en poids); un tel alliage subit à 727°C une transformation eutectoïde

Fe γ <=>Fe α + Fe3C

Les grains de ferrite et cémentite qui se forment sont petits et étroitement liés; ils constituent

un agrégat eutectoïde appelé perlite .

Les conditions dans lesquelles l’austénite se transforme en ferrite sont très importantes pour l’obtention des caractéristiques mécaniques des alliages.

A 727 °C, si la teneur de l’alliage FE/C est inférieure à 0,77%, l’austénite qui reste se

transforme en perlite. A 20°C, l’alliage est constitué de ferrite et de perlite.

Ses propriétés sont intermédiaires entre

- la faible résistance due aux gros grains de ferrite

- la résistance plus élevée de la perlite

Si la teneur est supérieure à 0,77% de C, l’alliage à température ambiante est constitué de ferrite et de cémentite et éventuellement de perlite et de graphite: ses propriétés sont celles de la perlite fragilisée par les carbures.

Lors du refroidissement dans des conditions industrielles, qui sont hors équilibre car le refroidissement est trop rapide, le déroulement de ces transformations est perturbé et peut même être impossible.

On utilise alors un diagramme de refroidissement ou de transformation en continu

(diagrammes dits TRC) qui décrit les transformations effectuées dans ces conditions.

L’austénite peut se transformer en un mélange de petits grains de ferrite et de cémentite, la

bainite .

Il existe un domaine, au dessus de 310°C pour l’acier, dans lequel l’austénite se transforme en fer α dont la structure est déformée par les atomes de carbone n’ayant pas eu le temps de précipiter sous forme de carbures: c’est la martensite .

Elle donne à l’alliage sa dureté mais peut, si C>0,1%, provoquer une fragilisation de

l’acier. Un revenu redonne une certaine ductilité en faisant précipiter le carbone.

Les éléments d’alliage modifient les conditions d’équilibre et les états d’équilibre.

- ils peuvent modifier la température d’apparition de la perlite et l’on distingue

- les éléments gammagènes qui abaissent cette température (Ni, Mg)

- les éléments alphagènes qui l’élèvent (Cr, Si, W, Ti, Mo)

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- ils peuvent modifier la composition de la perlite par formation de carbures

- en se substituant à une partie de fer de la cémentite (Mn, Cr, Mo)

- en formant leurs propres carbures (Ti, niobium Nb, vanadium V) ou des carbures

dans lesquels le fer peut partiellement se substituer à ces composants (Cr, Mo, W).

212 Classement des aciers

Les aciers ont été classés en fonction de deux critères; la composition et le niveau de qualité.

Ainsi on distingue les aciers

- non alliés (<1% d’alliage) - peu alliés (teneur de chaque élément d’alliage<5%) - très alliés

et, en fonction de la garantie donnée aux propriétés d’usage, les aciers

- de base - de qualité - les aciers spéciaux.

Ces derniers sont placés dans trois familles

- les aciers de construction mécanique(peu ou non alliés) - les aciers à outils (peu ou très alliés) - les aciers inoxydables.

22 Désignation normalisée: rappels

La norme NF A 02-025 a été remplacée par la norme européenne NF EN 10-020. Les règles générales pour la désignation symbolique sont les suivantes ( Yves DABIN- Matériaux - Ecole de technologie IN2P3 ou les documents AFNOR pour une désignation plus détaillée ou complète):

- aciers de base : Rm>690 Mpa, Re>360 Mpa, A%>26, C% >0,1 ...

- aciers désignés à partir de leurs applications et caractéristiques

- une lettre indique le domaine d’application S, acier de construction, P, acier pour appareil

à pression (garantie de limite élastique), E acier de construction mécanique, L acier pour tubes...

- une valeur de la limite élastique est indiquée

- d’autres symboles correspondent à des propriétés garanties ou à des conditions de fabrication (L, emploi à basse température, Q, trempé et revenu, M, laminage thermomécanique...).

Ex: S 355 acier de construction, Re> 355 Mpa

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14

- aciers désignés selon la composition

- aciers non alliés Mn<1% : lettre C suivie de la teneur en carbone multipliée par cent

Ex : C 35 (0,35% de carbone)

- aciers non alliés Mn>1% ou aciers peu alliés, aucun élément supérieur à 5%: le premier chiffre donne la teneur en C multipliée par 100. Les lettres suivantes donnent les symboles chimiques dans l’ordre des concentrations des principaux éléments. Le ou les chiffres donnent les teneurs, multipliées par 4 ( Cr, Co, Mg, Mm, Ni, Si, W) ou 10 (Al, Mo, Nb, Pb, Ti, V, Cu) ou 100 (N, S, P).

Ex : 100 Cr 6 (1% de C, 1,5% de chrome) 10 Cr Mo 9 10 ( 0,1% de C, 2,25% de Cr, 1% de Mo)

- aciers très alliés : ils sont désignés par la lettre X, la teneur en C multipliée par 100 les

principaux éléments suivis de leur teneur en %

Ex: X 6 Cr Ni 18 10 (0,06% de C 18% de chrome et 10% de nickel)

- aciers rapides : le symbole HSS est suivi des chiffres donnant dans l’ordre les concentrations (en %) en W, MO, V, Co

Une désignation simplifiée numérique existe également.

23 Avantages / Inconvénients / Comparaison

Ces alliages possèdent 2 caractéristiques favorables: leurs propriétés mécaniques sont

élevées et leur prix est faible. Par contre, leur densité de l’ordre de 7,8 est élevée et leur résistance à la corrosion est médiocre, sauf pour les aciers inoxydables.

Les performances mécaniques d’un acier dépendent

- de la teneur en carbone qui conditionne la valeur de Rm - de sa structure qui dépend de la façon dont l’austénité formée à haute température

se transforme lors du retour à la température ambiante.

231 Variations des propriétés en fonction du traitement thermiq ue

Les propriétés mécaniques peuvent varier largement selon les conditions de réalisation des

traitements thermiques (voir aussi paragraphe 117).

15

Par exemple pour l’acier martensitique 34 Cr Mo 4

Température de revenu

Rm (MPa)

200°C

400°C

600°C

1800

1500

1050

A%

5,5

7

13

matériaux.

232 Comparaison de caractéristiques mécaniques des aciers et de quelques

Ce tableau donne des ordres de grandeur indicatifs à 23°C des caractéristiques de divers matériaux. Des données plus complètes sont fournies dans les paragraphes qui suivent.

Rm (Mpa)

Re (Mpa)

E (Gpa)

Acier ordinaire

300/1100

200/900

Acier hautes caractéristiques

Aciers inoxydables austénitiques

1100/1800

1000/1700

180/240

Alliages aluminium

200/600

100/500

Titane

650

500

210

210

195

70

110

ν

0,3

0,3

0,3

0,34

0,34

A%

>17

densité

7,85

7,85

7,85

40

2,8

4,5

5 / 30

35 / 55

Composites / fibres

Rm (Mpa)

E (Gpa)

densité

A%

Composites C/Ep Verre/Ep

Verre R (filaments diamètre 3 à 30microns)

1400 1400

4400

130 42

86

1,6 1,9

2,5

Carbone (fibres)

2000/7000

200/600

1,8

0,4 / 1,5

16

Polymères

Polymères

Re (Mpa)

E (Gpa)

ν

densité

A%

Altuglas (PMMA)

Polycarbonate

Teflon (PTFE)

60/70

60/75

20/40

3,2

2,3

0,75

Nylon (PA 6)

85 / 60**

1,4 / 3,4

PVC rigide

55

3

0,39*

0,38

0,48

0,34

1,18

1,2

2,18

1,14

1,4

60 / 100

250 / 500

70 / 200**

20 / 50

*0,35 à -20°C, 0,4 à 80°C ** humide à saturation

233 Rapports des prix et poids

pour une résistance égale à un effort axial (indice 1 pour une tôle en acier) selon les référentiels Dunod

indice de prix

indice de poids

Acier inox

Alliage Al

Allage Ti

Céramiques - compression

- traction

Plastiques

- polyester

- polycarbonate

Composites

- fibres de C

- fibres de verre

0,7

0,5

0,25

6,5

58

1,6

1

0,06

0,2

3,5

4,4

23

0,4

31

Publicité

5

10

10

2,5

17

234 Aciers/ Aciers spéciaux: caractéristiques et propriétés- soudage

234 1 caractéristiques

Aciers ferrito perlitiques

- Aciers de construction métallique * NF EN 10113

- Aciers pour appareils à pression NF EN 10027 70028

- Aciers pour emboutissage et pliage à froid NF EN 10130

NF EN 10149

Aciers martensitiques

Re(N/mm2)

A%

235 / 460*

235 / 460

17

17

140 / 200

240 / 700

40 / 28

30 / 12

- Aciers de construction mécanique NF EN 10083-1

290 / 1000

22 / 9

Aciers inoxydables NF EN 10088

- martensitiques

- martensitiques + hypertrempe

- ferritiques

- austenitiques - austenitiques + azote 0,1 à 0,2%

- austéno ferritiques

400 / 800

520 / 1380

240 / 700

180 / 240 270 / 350

400 / 550

10 / 20

3 / 20

25 / 12

40 35

15

234 2 propriétés

Le coefficient λ de dilatation linéaire est, entre 0 et 100°C, de l'ordre de 11x10-4 pour les aciers martensitiques et ferritiques et a pour valeur 15x 10-4 pour les austénitiques.

La conductibilité thermique (en cal.cm/cm2.s.°C) vaut 0,06 pour une nuance à 12% de chrome et descend à 0,045 pour 26% de chrome. Le nickel diminue aussi la conductibilité pour les austénitiques (0,04 pour du 18-8, 0,033 pour du 25-20).

18

Les aciers ferritiques et martensitiques sont ferromagnétiques à température ambiante. La susceptibilité magnétique décroît avec la température: ils sont considérés comme étant amagnétiques à basse température.

Les austénitiques sont paramagnétiques à toute température. Ils sont susceptibles, par écrouissage, de se transformer pour partie en martensite ferromagnétique.

Les propriétés magnétiques des auténoferritiques dépendent de la proportion de ferrite.

24 Soudage

Avec les aciers inoxydables, tous les procédés suivants peuvent être employés: arc avec électrodes enrobées, sous atmosphère gazeuse (TIG, MIG), bombardement électronique, automatique sous flux, laser, induction. Le brasage est possible en général avec une brasure à l’argent.

Les aciers ferritiques sont en général soudables sans précaution particulière.

Les martensitiques sont sensibles à la fissuration car autotrempants: les nuances à C<15% sont soudées industriellement. Celles de type Fe Cr nécessitent un pré-chauffage et un recuit après soudage.

Les austénitiques sont en général correctement soudables. Il peut se produire des fissures à chaud dues aux contraintes de bridage.

Les austénoferritiques sont particulièrement bien soudables.

Des risques sont liés au soudage:

- fissuration à chaud des structures austénitiques (due à la présence d’impuretés créant des zones à bas point de fusion) au dessus de 1250°C.. - fragilisation par grossissement de grain des dépôts ferritiques au dessus de 1150°C - fragilisation par formation de phases intermétalliques entre 500 et 900°C pour des éléments d’addition tels le molybdène (>5%). - fissuration à plus de 400°C des cordons martensitiques.

25 Renseignements pratiques complémentaires

Le CETIM (Centre technique des industries mécaniques) a développé une méthode de choix des aciers en fonction de la nature des sollicitations et des facteurs métallurgiques.

CETIM service diffusion 52, Av. Felix Louat 60304 Senlis Tél. : 03 44 67 32 21

OTUA (Office technique pour l’utilisation de l’acier) Cet organisme professionnel donne des informations sur l’acier, son emploi dans tous les domaines, les méthodes de mise en oeuvre. Il publie de nombreux documents, en particulier des dossiers techniques donnant les caractéristiques des principales nuances.

OTUA 19 Le Parvis La Défense 4 Cedex 35 92072 Paris la Défense Tél. : 01 47 67 86 63

19

Ouvrages :

Peyre - Tournier : Le choix des aciers CETIM informations 1981 Peyre – Tournier : Choix des traitements thermiques superficiels Coll ‘Matériaux en mécanique’ CETIM

Rabey - Philbert : Bases de choix des aciers de construction mécanique Otua 1973

Otua - Cetim : Conseils aux mécaniciens pour la préparation et la rédaction des clauses techniques d’une commande d’aciers de construction Document technique 1981 Otua

AFNOR Tour Europe Cedex 7 92080 Paris la Défense

AFNOR Recueil de normes « les produits sidérurgiques » tomes 1 3 5 1988

Lacombe Baroux Beranger : Les aciers inoxydables Les éditions de physique, Les Ulis 1990

Les aciers inoxydables Propriétés, mise en oeuvre, emploi Tec et Doc Lavoisier 1990

Handbook of stainless steels Mc Graw Hill

Techniques de l’ingénieur - Métallurgie - Mise à jour permanente

3 Alliages d ’aluminium

31 Généralités

L’aluminium est utilisé pour

- sa faible masse spécifique de 2,7 Kg/dm3 - sa résistance à la corrosion - sa bonne conductivité thermique de 237 W/m.K - sa faible résistivité électrique 0,026 µΩ.m à 20°C

Pour un emploi en mécanique, on fait appel à des alliages définis par les critères suivants:

- l’aluminium est l’élément dominant - la teneur totale en masse des éléments d’alliage dépasse 1% (Fe+Si>1%, Cr, Cu,

Mg, Mn, Ni, Zn >0,1%)

Le durcissement est obtenu par écrouissage ou par précipitations de composés

intermétalliques formés à partir des éléments d’alliage et réalisées par traitement thermique.

L’addition de 5% de Si augmente E de 3000N/mm2 . Les valeurs classiques de E et ν sont données au tableau 1.

20

3 2 Désignation normalisée :rappels

La normalisation prévoit deux types de désignation basées sur la composition chimique.

321 Désignation numérique (NF EN 573-1)

Derrière les quatre lettres EN AW, on trouve quatre chiffres:

- le premier indique le groupe d’alliage; 1 si Al >99%, 2 Al + Cu, 3 Al + Mn

4 Al + Si, 5 Al + Mg, 6 Al + Mg + Si, 7 Al + Zn, 8 Al + autres éléments.

- le deuxième est égal à 0 s’il s’agit du métal d’origine et peut prendre les valeurs de

1 à 9 si l’alliage présente des particularités.

- les 2 derniers chiffres ont une signification si c’est un aluminium non allié (2 premières décimales de la teneur minimale en aluminium). Si on a un alliage, ils servent à différencier les nuances d’un même groupe.

Ex: EN AW-1098 (99,98% d’Al)

EN AW-4045 (10% de Si)

322 Désignation alphanumérique (NF EN 573-2)

On distingue

- l’aluminium non allié.

La désignation comprend le symbole Al suivi de la teneur minimale du métal (%)

Ex: EN AW-Al 99,98 (au moins 99,98% d’Al) correspond à EN AW-1098

- les alliages.

Le symbole Al est suivi des symboles des éléments d’alliage puis de la teneur moyenne arrondie en % des éléments.

Ex: Al Si2 Mn (1,8% de Si, 0,9% de Mn) correspond à EN AW-4015

Pour une désignation complète, voir les documents de l’AFNOR ou le cours de Y DABIN.

33 Durcissement

Il s’effectue

- par écrouissage: ce sont les alliages des séries 3*** et 5*** Comme pour nombre de métaux, l’écrouissage des alliages d’aluminium augmente

sa dureté, sa limite élastique et la charge de rupture mais diminue le A%.

- par traitement thermique: séries 2***, 6*** et 7*** Le traitement thermique consiste en un chauffage à température suffisamment élevée pour permettre la mise en solution totale des éléments d’addition, un refroidissement assez rapide par trempe à l’eau à 20°C (état de ‘ trempe fraîche ’) et un durcissement par mûrissement (ou maturation ou vieillissement naturel) à température ambiante pendant plusieurs semaines ou un revenu entre 100 et 200°C de 5 à 24 heures

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331 Caractéristiques obtenues

Re 02 N/mm2

A%

- écrouissage

3*** et 5*** écroui

3*** et 5*** écrouissage important

3*** et 5*** écrouissage important et réchauffage de restauration

- traitement thermique

série 2*** trempe et mûrissement

série 2*** trempe et revenu

série 6*** trempe et mûrissement

série 6*** trempe et revenu

série 7*** trempe et revenu

40 / 150

180 / 400

140 / 200

160 / 330

300 / 420

130 / 210

200 / 360

320 / 620

18 / 30

3 / 5

5 / 8

20 / 24

10 / 13

18 / 28

10 / 17

5 / 12

Pour certains alliages, un léger écrouissage augmentant les caractéristiques est fait entre la trempe et le revenu: ainsi l’alliage 2024 passe de 370 à 430 N/mm2 avec un écrouissage intermédiaire de 2%.

34 Etats métallurgiques

La norme NF EN 515 définit la désignation des états métallurgiques

- état recuit : symbole - état écroui : symbole - état obtenus par traitement thermiques

O H T (avec de nombreuses variantes)

35 Influence de la température

A chaud, on utilise surtout les alliages de la série 2*** (jusqu’à 250°C). A 150°C, Re est

divisé par 2.

Les alliages d’aluminium à basse température ne présentent pas de risque de rupture fragile. La résistance et le A% augmentent : pour la série 5***, la limite d’élasticité augmente de 15 à 20% de 20 à -196°C et l’allongement à la rupture, pour la même variation des températures, augmente de 50% (voir paragraphe 4).

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36 Soudage

Le soudage peut être employé avec les séries 1***, 3***, 4***, 5***, 6*** et sur certains

alliages de la série 7***. Il demande une absence d’oxygène. Les procédés TIG, MIG, plasma, laser et faisceau d’électrons peuvent être utilisés. Le produit d’apport choisi doit éviter les risques de fissuration à chaud. Le brasage sous flux est réservé aux séries 1***, 3***, 5*** et à quelques alliages de la série 6***.

37 Renseignements pratiques complémentaires

Chambre syndicale de l’aluminium et de ses alliages 30 av de Messine 75008 Paris Tél. : 01 45 63 02 66

Institut français des technologies de l’aluminium (institut de formation) Tour Manhattan Cedex 21 92087 Paris la Défense Tél. : 01 46 91 40 13

Aluminium Pechiney Immeuble Balzac 92048 Paris la Défense Cedex Tél. : 01 46 91 46 91

Pechiney Rhénalu Tour Manhattan 92087 Paris la Défense Cedex Tél. : 01 46 91 46 67

Alusuisse France 89600 Saint Florentin Tél.: 03 86 43 56 00

Softal Tour Manhattan 92087 Paris la Défense Cedex Tél. : 01 46 91 52 01

Guide de l’acheteur: Aluminium Métaux non ferreux Répertoire des fournisseurs Editions SIRPE 76, rue de Rivoli 75004 Paris Tél. : 0