2ème partie : Connaissance des matériaux métalliques

Chapitre 11 : Les métaux Plan du chapitre : Généralités Les fontes Les aciers non alliés Les aciers faiblement alliés Les aciers fortement alliés

Généralités Métal pur n’existe pas Minerai  métallurgie Alliages ferreux : fontes, aciers Alliages cuivreux : bronzes, laitons Alliages d’aluminium : alpax, duralumin Alliages de zinc : zamak, kayem

Généralités : métaux ferreux Fontes 2 … 6 % C Aciers 0,05 … 1,5 % C

Généralités : métaux non ferreux Minerais Métallurgie Energie électrique Métal pur

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Les fontes (1) 2 … 6 % C Bonne coulabilité Fragiles Peu ductiles Difficilement soudables Faible % C : fonte blanche Fort % C : fonte grise

Les fontes (2) Fontes grises (à graphite lamellaire) Carbone libre présent sous forme de lamelles Largement utilisée en mécanique Economique Bonne coulabilité Bonne usinabilité Bonne aptitude à l’absorption des vibrations Bonne résistance en compression Désignation : selon NBN-EN 1560 EN-GJL 200 : fonte grise, Rm = 200 N/mm² Applications : bâtis de machine, supports, carters, blocs-moteurs, …

Les fontes (3) Fontes à graphite sphéroïdal Ajout de Mg provoquant la cristallisation du graphite 2ème les plus utilisées Bonne ductilité Bonne usinabilité Bonne résilience Désignation : selon NBN-EN 1560 EN-GJS 400-15 : fonte à graphite sphéroïdal, Rm = 400 N/mm², A = 15% Applications : vilebrequins, arbres de transmission, …

Les fontes (4) Fontes malléables à cœur blanc ou à cœur noir Obtenue par malléabilisation de la fonte blanche Bonne 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 1560 EN-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, …

Les fontes (5) Désignation 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.

Les fontes (6) Désignation des fontes EN-GJ L - 150S EN-GJ Indiquent qu’il s’agit d’une fonte 1 ou 2 lettres : La 1ère (*) indique la structure du graphite La 2ème (**) (éventuelle) une structure particulière Dernière zone peut être codées selon 3 variantes (*) 1ère lettre (**) Seconde lettre L S M V N Y Lamellaire Sphéroïdale Malléable Vermiculaire Sans graphite Structure spéciale A F P Q T B W Austénitique Ferritique Perlitique Lédéburitique Etat trempé Etat trempé revenu Malléable à cœur noir Malléable à cœur blanc

Les fontes (7) Désignation des fontes – 1ère variante EN-GJL - 400C 150 RT EN-GJL Indiquent 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 séparément U : échantillon attenant C : échantillon prélevé sur la pièce Ici Rm = 400 N/mm² testée sur un échantillon prélevé sur la pièce Nombre et facultativement des lettres Nombre seul indique l’allongement en % Nombre avec des lettres représente la résilience RT : à température ambiante LT : à basse température Ici résistance au choc par flexion de 150 N/mm² sur base d’un essai réalisé à température ambiante

Les fontes (8) Désignation des fontes – 2ème variante EN-GJS - HB 180 EN-GJS Indiquent qu’il s’agit d’une fonte ; Ici Fonte sphéroïdale Lettre H indique que le nombre correspond à une dureté. B : Brinell R : Rockwell V : Vickers Ici 180 de dureté Brinell

Les fontes (8) Désignation des fontes – 3ème variante EN-GJN - X 300 Cr Ni Si 9-5-2 EN-GJN Indiquent 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 fonte Série de symboles chimiques suivie par une série de nombres représentant le % respectif de chaque constituant. Ici : 3% C ; 9% Cr ; 5% Ni ; 2% Si

Les fontes (9) Quelques applications Boîtiers Paliers Tubulures Carters Moules pour verrerie

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Les aciers non alliés (1) – Acier usuels 58 nuances d’acier principalement commercialisées. Applications : carrosseries, trains, chaudronnerie, ameublement, électroménager, biens de consommation, etc.

Les aciers non alliés (2) – Acier usuels Désignation normalisée (NBN-EN-10027-1) Lettre Acier Nombre S de construction Re P pour appareils sous pression L pour tubes de conduite E de construction mécanique B à béton Rm Y pour béton précontraint R pour ou sous forme de rails H laminé pour emboutissage à froid Re ou Rm DC, 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

Les aciers non alliés (3) – Acier usuels Aciers au carbone Nuances normalisées Rm (N/mm²) MPa Re A % (maxi) K (daJ/cm²) Aciers d’usage général S 185 290 185 8 à 18 6 S 235 340 235 15 à 26 S 275 410 275 12 à 22 S 355 490 355 5 De construction mécanique E 295 470 295 10 à 20 E 335 570 335 6 à 16 E 360 670 360 3 à 11 Pour cémentation C 22 410 à 980 255 à 600 8 à 15

Les aciers non alliés (4) – Acier usuels Aciers au carbone Nuances normalisées Rm (N/mm²) MPa Re A % (maxi) K (daJ/cm²) Traitements thermiques – forgeage C 25 460 à 690 285 à 370 18 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 superficielle Dureté de la couche trempée : 55 HRc

Les aciers non alliés (5) – Acier spéciaux Aciers spéciaux non alliés de type C Destinés aux traitement thermiques Si %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 moulé C : acier spécial Nombre : représente le % de carbone multiplié par 100 Lettre : 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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Les aciers faiblement alliés (1) Aucun élément d’addition ne peut dépasser 5% en masse ! Choisis si une haute résistance est exigée. 34 Cr Mo 5 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 : 4 Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr : 10 Ce, N, P, S : 100 B : 1000

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 températures P : petite (  50)  : ressorts  : pour trempe superficielle M : moyenne (  100) G : grosse (  200)

Les aciers faiblement alliés (3) Principaux aciers faiblement alliés Nuances Caractéristiques mécaniques Pour cémentation Trempabilité Taille des pièces Exemple d’utilisation Propriétés Famille Désignation Ancienne désignation Rm daN/mm² Re A % K daJ/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 41 Cr 4 42 C 4 80 – 120 56 – 80 11 – 14 ++     100 Cr 6 100 C 6 85 – 125 55 – 85 10 – 13   HRc62 Nickel-Chrome 10 NiCr6 10 NC 6 60 – 115 42 – 62 10 – 12 8 – 10  P 20NiCr6 20 NC 6 70 – 110 70 – 95 6 – 8   13NiCr14 14 NC 11 80 – 145 65 – 90 7 – 8 M   30NiCr11 30 NC 11 45 – 70 12 – 16 7 Ni + Cr + Mo 20NiCrMo7 18NCD6 80 – 150 70 – 90 5 – 6 +++ G     20NiCrMo2 20NCD2 75 – 155 8 – 11 5 – 7 16NiCrMo13 16NCD13 85 – 155 65 – 95   34NiCrMo6 35NCD6 85 – 140 65 – 100 6    36NiCrMo16 35NCD16 100 – 145 80 – 105 9 – 11 ++++ Trempable à l’air 30CrNiMo8 30CND8 90 – 145 70 – 105    Aptitude croissante

Les aciers faiblement alliés (4) Principaux aciers faiblement alliés Nuances Caractéristiques mécaniques Pour Cém enta tion Tremp abilité Taille des pièces Exemple d’utilisation Propriétés Fami lle Désignation Ancienne désignation Rm daN/mm² Re A % K daJ/cm² Cr + Mo 31CrMo12 30CD12 90 – 130 70 – 90 10 – 12 5 – 6 +++ G pour nitruration 25CrMo4 25CD4 75 – 110 45 – 75 12 – 16 7 ++ M soudabilité   34CrMo4 35CD4 70 – 120 50 – 85 11 – 15 6     42CrMo4 42CD4 75 – 130 55 – 90 10 – 14 5 50CrMo4 50CD4 80 – 130 60 – 90 9 – 13 4,5    nuan ces diver ses 51CrV4 50CV4 70 – 130 50 – 90 8 – 14 4   41CrAlMo7 40CAD6-12 80 – 120 60 – 80   28Mn6 20M5 50 – 75 35 – 45 19 – 21 8 + P soudabilité   20MnCr5 20MC5 90 – 150 75 – 95 8 – 9 4 – 5      55Si7 55S7 70 – 170   45SiCrMo6 45SCD6 85 – 180 60 – 95 P – M 13MnS4 13MF4 78 – 118 54 9 pour décolletage 35MnS6 35MF6 88 – 108 74 3,5

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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

Les aciers fortement alliés (2) Austénitiques : les + utilisés Tenue aux T élevées Ductilité Résilience Faciles à forger et souder Usinabilité faible Chimie, alimentaire, transports, … Aciers inoxydables Martensitiques : Résilience Trempable Soudable Forgeable Usinable Caractéristiques mécaniques bonnes à T élevée Organes mécaniques Ferritiques : Ductilité Trempe et écrouissage ne fonctionnent pas Faciles à déformer Usinage, soudage, résilience médiocres Equipements ménagers, automobiles, mobiliers, …

Les aciers fortement alliés (3) Principaux aciers inoxydables Nuances Normalisées NF-EN-10088 Re daN/mm² Rm A % K daJ/cm² Austénitiques X2CrNi19.11 18 à 21,5 46 à 68 35 à 45 12 ou 60 à 100 HV X5CrNi18.10 19 à 25 52 à 72 X5CrNiMo17.12 20 à 26 50 à 70 30 à 40 X6CrNiTi18.10 50 à 72 X6CrNiMoTi17.12 20 à 27 50 à 73 Martensitiques X30Cr13 60 à 65 80 à 100 10 à 15 2,5 Ferritiques X6Cr17 24 à 28 40 à 64 18 à 20

Les aciers : Quelques applications

Les matériaux : Prix relatifs à masses égales 30 28 Alliages de Cuivre Infos: densités des métaux Magnésium, 1,7 g/cm3 Aluminium, 2,7 g/cm3 Zinc, 7,1 g/cm3 Fer, 7,9 g/cm3 Cuivre, 8,9 g/cm3 20 Aciers inoxydables, hautes sollicitations 18 Araldite [ EP ] Alliages d ’Aluminium (légers) 10 Aciers fortement alliés X fois l ’indice de prix référent 7 Aciers faiblement alliés 6 Plexiglas [ PMMA ] 5 Alliages de Zinc 4 Aciers type C Les PVC [ U ou P ] Acier S235 2 Fontes GJL 1,7 Polystyrène [ PS ] 1 0,8 0,6

Désignation des matériaux : 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

Désignation des matériaux : deux sites (2) http://www.cnomo.com/

Désignation des matériaux : Exercices EN-GJMW 300-9 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. S345 22 NiCrMo 8-6 G X 6 CrNiTi 18-11 Acier contenant 0,04 % de carbone, 18% de chrome et 10% de nickel Acier moulé contenant 0,35% de carbone, 4% de nickel, 2% de chrome et des traces de molybdène G C 35 E EN-GJS-400-18 Fonte lamellaire contenant 15 % de chrome et des traces de molybdène et de nickel.