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  • Généralités

  • Ch 1. Matériaux

    1  Définitions

    La structure qui définit la façon d’organisation des atomes caractérise les alliages métalliques.

     

    1.1  Métal pur 

    Un métal pur qui a une pureté de 100% d’un seul élément. Qui est loin de la réalité mais il peut atteindre une valeur de 99,9% pour le nickel, 99,99% pour le cuivre et 99,998% pour l’aluminium. Dans le tableau de tableau de Mendeleïev (tableau périodique) les  métaux représentent 2/3 des éléments.

    1.2  Alliage 

    Le métal se compose d’un alliage dans lequel on  introduit volontairement un ou plusieurs éléments                 d ‘addition. Qui peut être binaire, ternaire ou quaternaire afin de renferme deux, trois ou quatre éléments d’addition. 

     

    1.3  Structure des métaux et alliages

    Les métaux et les alliages ont une organisation interne appelée structure cristallines cubiques (CC et CFC) ou hexagonales (HC). Les alliages des métaux sont obtenus par cristallisation de plusieurs métaux, parfois avec des inclusions des corps non métalliques, on distingue :

    -  Les alliages ferreux

    -  Les alliages non ferreux

     

    2  Les métaux ferreux et leurs alliages

     

    2.1  L’alliage fer-carbone : 

     

    Le fer est le métal de base, il est moins cher, il se compose par trois variétés allotropiques :

    Le fer α  (ferrite) 906°C., (C.C.). Le  fer    γ      (austénite)  stable  entre  906  et  1400°C.,  (C.F.C.).

    Le fer δ est stable entre 1400 et 1528°C., (C.C.).

    Le Carbone : sa température de fusion est de 3500°C., il se compose par trois variétés allotropiques (le graphite, le diamant, et le noir de fumée). Il est le composant principal des aciers et des fontes (après le fer).

     

    2.2  Les éléments d’adition 

    Pour modifier les caractéristiques mécaniques d’un alliage fer carbone, qui dépendent des éléments ajoutés et de leurs pourcentages.

    Exemple : 

    -  Nickel, manganèse, molybdène, cobalt, chrome, silicium, phosphore, tungstène, titane, vanadium…

    -  L’aluminium augmente légèrement la trempe. 

    -  Le chrome augmente la résistance à la corrosion et à l’oxydation. 

    -  Le plomb améliore l’usinabilité.

    -  Le soufre est considéré comme impureté.

     

    2.3  Les aciers 

    Deux groupes de désignations sont retenus par la norme (NF) pour des raisons industrielles:

    2.3.1  Groupe 1 : 

    Les aciers S et E (anciennement A) d’usage général et de construction mécanique ( fils tôles,..)

    Le chiffre qui suit la lettre S/E représente la valeur minimale de la limite d’élasticité en MPa (N/mm2). 

     

    Expemple : 

    S250 : acier de construction mécanique ayant une limite élastique minimale de 250MPa

    • S185 (anciennement A33), Re = 185 MPa
    • E295 (anciennement A50), Re = 295 MPa
    • GE295, acier moulé, Re = 295 MPa

    Il existe d’autre lettres H,P,D, L, B,Y… 

    L’acier moulé est précédé par la lettre G ( GS 200 ou GE 240).

     2.3.2  Groupe 2 :

    Se compose de trois :

    Les aciers non alliés C : (anciennement XC) : Son pourcentage de manganèse est inférieur à 1% (la teneur en carbone est multipliée par 100). Exp : C45  Un acier moulé sera précédé par la lettre G. Exp : GC22

    • C45, acier non allié comportant un taux de 0.45% de  carbone
    • GC22, acier moulé non allié comportant un taux de 0.22% de carbone

     

    Les aciers  faiblement alliés : Sa teneur en manganèse est supérieure à 1% et aucun élément d’addition ne doit dépasser 5% en masse. 

    Exemple : 32Cr Mo 4-2  (la valeur 32 représente le pourcentage de carbone multiplié par 100, Cr Mo sont des symboles chimiques des éléments d’addition placés dans l’ordre décroissant, valeurs 4-2 indique la teneur % en masse des éléments d’adition depuis le premier symbole, cette valeur étant multiplier par un facteur donné. Voir tableau).

     

    Exemple : 35NiCrMo16 : contient 0.35% de carbone, 4% de nickel, du chrome et molybdène en plus faible teneur. Cet acier présente une bonne tenue aux chocs ainsi qu'une haute résistance mécanique jusque 600 °C.

    Les aciers fortement alliés :

    Avec un élément d’addition dépasse-les 5 % en masse, destinés à des usages bien spécifiques,

    Exemple : X 8 Cr Ni 18-9 (X précise que l’alliage est un acier fortement allié). 

                     HS 7-4-2-5  (HS précise que l’alliage est un acier à coupe rapide, 7 valeur correspond au % de tungstène, 4 est le % de molybdène, 2 est le % de vanadium, 5 est le % de cobalt).

     

     

     

    2.4 Les Fontes

    En métallurgie la fonte est un alliage de fer riche en carbone, elle est caractérisé par sa grande coulabilité qui nous permet d’obtenir des pièces complexes.     

     

    2.4.1 Classification est désignation des fontes

    2.4.1.1 La fonte grise (fonte à graphite lamellaire)

    La désignation de fontes à graphite lamellaire est composée de :

    - Le préfixe EN suivi d'un tiret

    - Les lettres GJL qui représente la fonte à graphite lamellaire

    - Un tiret

    -Un nombre correspondant à la résistance minimale à la rupture par extension en MPa.

     

    Exemple :                               EN- GJL-250

     

    Cette fonte à graphite lamellaire possède une résistance à la traction d'au moins 250 Mpa.

     

     

    2.4.1.2 Les fontes à graphite sphéroïdale

     

    La désignation de fontes à graphite sphéroïdale est composée de :

    - Le préfixe EN suivi d'un tiret

    - Les lettres GJS qui représente la fonte à graphite sphéroïdale

    - Un tiret

    - Un nombre correspondant à la résistance minimale à la rupture par extension en MPa.

    - Un tiret

    - Un nombre correspondant au % d'allongement après rupture.

    Exemple :                           EN- GJS-500-7

    Cette fonte à graphite sphéroïdale possède une résistance à la traction d'au moins 500 Mpa et une valeur minimale d'allongement de 7%.

     

    2.4.1.2 Les fontes malléables

     

    La désignation de fontes malléables est composée de :

    - Le préfixe EN suivi d'un tiret

    - Les lettres GJM qui représente la fonte malléable

    - la lettre W pour le cœur blanc (white) ou la lettre B pour le cœur noir (black)

    - Un nombre correspondant à la résistance minimale à la rupture par extension en MPa.

    - Un tiret

    - Un nombre correspondant au % d'allongement après rupture.

     

    Exemple :                       EN- GJMW-450-7

     

    Cette fonte malléable à cœur blanc possède une résistance à la traction d'au moins 450 Mpa et une valeur minimale d'allongement de 7%.

     

    2.5 Les alliages d'Aluminium

     

    2.5.1 Alliage d'Aluminium moulé : La désignation de l'aluminium moulé est composée de :

    - Le préfixe EN suivi d'un espace

    - La lettre A qui représente l'aluminium

    - La lettre B qui représente les produits moulés

    - Un tiret  puis le code numérique

    - Les symboles chimiques de l'aluminium puis des éléments d'addition suivie de leur teneur.

      Ces éléments sont classés par ordre décroissant de leur teneur.

     

    Exemple :                         EN AB-2110 [AlCu4MgTi]

     

    Cet aluminium est moulé est composé d’aluminium, de 4 % de cuivre, de trace de magnésium et de titane (moins de 1 %).

     

    2.5.1 Alliage d'Aluminium corroyé

    Le corroyage est une opération consistant à déformer une pièce avec allongement (forgeage, laminage, etc...) à chaud ou à froid afin d'obtenir une pièce de la forme désirée.

    La désignation de l'aluminium moulé est composée de :

    - Le préfixe EN suivi d'un espace

    - La lettre A qui représente l'aluminium

    - La lettre W qui représente les produits corroyés

    - Un tiret  puis le code numérique

    - Les symboles chimiques de l'aluminium puis des éléments d'addition suivie de leur teneur.

      Ces éléments sont classés par ordre décroissant de leur teneur.

    Exemple :                            EN AW-2024 [AlCu4Mg1]

    Cet aluminium corroyé est composé d'aluminium, de 4 % de cuivre et de 1 % de magnésium.

     

     

    2.5.3 Les alliages de Cuivre

    La désignation de l'aluminium moulé est composée de :

    - La lettre C qui représente l'aluminium

    - La lettre W qui représente les produits corroyés (B ou C pour les produits moulés)

    - Un tiret  puis le code numérique sur la composition chimique

    - Les symboles chimiques du cuivre puis des éléments d'addition suivie de leur teneur.

      Ces éléments sont classés par ordre décroissant de leur teneur.

     

    Exemple :                     C W -612 N [Cu Zn39 Pb2]

    Cet alliage de cuivre corroyé est composé de cuivre, de 39 % de zinc et de 2 % de Plomb.

     

    Les laitons: Cu + Zn

    - Prix plus faible que le bronze

    - Bonne résistance à la rupture (Rr) et allongement élevé (A%)

    - Bonne aptitude au moulage

     

    Les bronzes: Cu + Sn

    - Plus couteux que le laiton

    - Bonne résistance à la corrosion

    - Meilleures caractéristiques mécaniques que le laiton

    - Moins bonne (aptitude au moulage).

     

     


    • Chapitre 2 Procédés d’obtention des pièces sans enlèvement de matière

      1  Le moulage

      Le moulage : le moulage consiste à verser dans une empreinte un métal liquide qui  s’écoule par gravité ou sous pression  et  qui prend en se solidifiant la forme de  l’empreinte.

       

      Remarques sur le moulage :

      -  La température de fusion du métal coulé doit être inférieure à la température de fusion du matériau constituant le moule.

      -  Un moule métallique prend le nom de « coquille ».

      -  Le moulage permet d’obtenir économiquement des pièces compliquées.

      -  La fonte se moule mieux que l’acier. La fonte en fusion est plus fluide que l’acier en fusion.

      Les étapes du moulage :  

      1. Fondre le métal

      2. Le verser dans le moule

      3. Le laisser refroidir

       

      On distingue deux techniques de moulage : 

      1)  Avec moules permanents

      2)  Avec moules à usage unique

       

      2  Le Cintrage (Roulage) :

      Le cintrage (roulage) consiste à cintrer une tôle plane. On déforme une feuille de  métal pour arriver à une pièce de révolution conique ou cylindrique. Ceci est réalisé  par des outils qui sont des cylindres  comportant le même profil que la pièce à déformer en nombre et en disposition variés autour de la pièce.

       

      Fig.02. Schéma de principe du cintrage


      3  Repoussage au tour

      Il consiste à plaquer une feuille de métal (Le Flan) contre une forme (le Mandrin) à  l’aide d’un outil.

      Le flan et le mandrin sont entrainés en rotation par le tour.

       

      4  Le Laminage 

      Le laminage est un procédé de fabrication par déformation plastique. Il concerne  différents matériaux comme du métal ou tout autre matériau sous forme  pâteuse  comme le papier. Cette déformation est obtenue par compression continue au passage entre deux cylindres contrarotatifs appelés laminoir1.

      Un laminoir est une installation industrielle ayant pour but la réduction d'épaisseur d'un matériau (généralement du métal). Il permet également la production de barres profilées (produits longs).

      Figure 03 Schémas de fonctionnement (Laminage)

       

      5  Le tréfilage :

      Le fil machine obtenu par les opérations de laminage est un produit intermédiaire, surtout dans la  fabrication des câbles électriques, dont le fil doit avoir un diamètre plus petit. L’opération qui permet la réduction du diamètre du fil est dite tréfilage, la machine de tréfilage est appelée tréfileuse.

       

      Le principe de tréfilage est d’utiliser la plasticité du métal pour réduire le diamètre du fil, par passage à travers un orifice calibré, appelé filière sous l’effet combiné d’application d’un effort de traction T et d’un effort radial de compression P.

      La filière constitue l’élément fondamental de l’opération de tréfilage. La forme qu’il convient de lui donner a fait l’objet de nombreux travaux théorique et expérimentaux. Elle est constituée d’un noyau dur  A,  généralement en carbure de tungstène ou en diamant, fretté dans une monture B en acier. 

      Fig.04 Profile d’une filière 

      6  Le découpage 

      6.1  Le poinçonnage  et l’emboutissage

      L’emboutissage est un procédé de mise en forme très utilisé dans l’industrie, permettant d’obtenir des pièces de surface non développable à partir de feuilles de tôle mince, montées sur presse. La tôle appelée « flan », est la matière brute qui n’a pas encore été emboutie. L’opération peut être réalisée avec ou sans serre flan pour maintenir le flan contre la matrice pendant que le poinçon déforme la feuille.

       

      Le poinçonnage est un procédé par cisaillage des tôles. La tôle est coincée entre un poinçon et une matrice. La descente du poinçon dans la matrice découpe le matériau comme le ferait une paire de ciseaux. En principe il n’y a pas de limite au poinçonnage, seule la puissance de la machine limite l’épaisseur des matériaux à découper en fonction des caractéristiques mécaniques du matériau. 

      Ce procédé permet d’obtenir de grandes précisions de découpe.

       

       

      Figure 05 Schéma de principe du poinçonnage

       

      6.2  L’Oxycoupage 

      C’est un procédé de découpage par fusion du matériau par combustion localisée et continu d’un jeu d’oxygène pur. Pour amorcer l’opération, il faut au préalable chauffer un point de la pièce appelé point d’amorçage au moyen d’une flamme de chauffe. Puis un jet d’oxygène est envoyé à grande vitesse pour commencer la combustion. Le jet d’oxygène expulse le matériel en fusion provoquant une saignée

      de coupe. Le mélange d’oxydes et de métal en fusion est appelé  scories d’oxycoupage. 

      Figure 06  Schéma de fonctionnement (Oxycoupage)

       

      7  Le pliage

      Le pliage est un procédé de mise en forme sans enlèvement de matière, permettant de fléchir des tôles par un poinçon dans une matrice. C’est un cintrage de très faible rayon obtenu par un effort de flexion localisé.

       

        

      Figure 07 Schémas des actions mécaniques


      8  Frittage et métallurgie des poudres

      Le frittage est un procédé de fabrication de pièces consistant à chauffer une poudre  sans la mener jusqu’à la fusion. Sous l'effet de la chaleur, les grains se soudent entre eux, ce qui forme la cohésion de la pièce. Le cas le plus connu est celui de la cuisson des poteries. Il permet d'obtenir des matériaux durs mais fragiles.

       

      9  Le forgeage

      Le forgeage est un procédé de mise en forme des métaux par déformations plastiques à chaud ou à froid.

      On chauffe le métal (fours) à une température convenable afin que le métal devient malléable et forgeable. Le métal est appelé « Lopin » de volume calculé.

      9.1  Le forgeage manuel :

      C’est le forgeage traditionnel à l’enclume et l’outillage de frappé à main.

      9.2  Le matriçage et l’estampage

      Le matriçage et l’estampage sont deux termes synonymes. C’est un procédé de fabrication mécanique exécuté par les presses sur lesquelles sont fixées des « matrices ». Il permet de produire des grandes séries de pièces.

       

      La forge par matriçage consiste à former par déformation plastique après chauffage des pièces brutes réalisées en alliages tels que les alliages d'acier d'aluminium, de cuivre, de titane, de nickel, etc.

      On utilise deux matrices, une supérieure mobile, et une inférieure fixe.  Les matrices portent en creux la forme de la pièce.

      La pièce « lopin » est comprimée entre deux matrices. La mise en forme se fait par chocs entre les deux matrices.

      L'excédent de métal file en bavure dans le logement prévu à cet effet. La bavure est ensuite découpée en suivant le contour de la pièce.

      Les matrices doivent assurer :

      -  Plan de joint

      -  Surépaisseur à l’usinage

      -  Dépouille de 3°-7°

      Figure 08 les différentes phases de l’estampage 


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