Matériau (historique) Au commencement était le fer... Le fer est l'un des métaux les plus abondants de la croûte terrestre (5% pratiquement illimité) On le trouve un peu partout, combiné à de nombreux autres éléments, sous forme de minerai. En Europe, la fabrication du fer remonte à 1 700 avant J.C.
Matériau (historique) élaboration du fer Elle se fait en deux étapes: chauffage de couches alternées de minerai et de bois (ou de charbon de bois) jusqu'à obtention d’une masse de métal pâteuse. Martelage à chaud pour la débarrasser de ses impuretés et obtenir ainsi du fer brut. Remarque: On fabriqua aussi dès le début, une petite quantité d'acier, à savoir du fer enrichi en carbone. Un matériau qui se révéla à la fois plus dur et plus résistant
Matériau (historique) Puis vint la fonte... Au XVème siècle, les premiers "hauts fourneaux" Production d’un métal ferreux à l'état liquide, la fonte, fabrication de toutes sortes d'objets (marmites, boulets de canons, chenets, tuyau). production du fer en abondance par affinage le lingot de fonte était chauffé et soumis à de l'air soufflé, combustion du carbone contenu dans la fonte et écoulement du fer goutte à goutte, formant une masse pâteuse de fer brut.) :
Matériau (historique) ..Et enfin l'acier En 1786, définition exacte du trio Fer-Fonte-Acier le rôle du carbone dans l'élaboration et les caractéristiques de ces trois matériaux. Au XIXème siècle, Inventions des fours Bessemer, Thomas et Martin acier en grande quantité à partir du fer le métal-roi de la révolution industrielle. En quelques décennies, l'acier permit d'équiper puissamment l'industrie et supplanta le fer dans la plupart de ses applications.
Matériau (historique) L'acier, métal pluriel L'acier, c'est du fer additionné de carbone, (taux de ≈ % à 2%). Le dosage en carbone influe sur les caractéristiques du métal. On distingue 2 grandes familles d'acier : les aciers alliés les aciers non alliés. ( éléments chimiques autres que le carbone). exemple : 17% de chrome + 8% de Nickel (acier inoxydable). il n'y a pas un acier mais des aciers. (plus de 3 000 nuances)
LES MATIERES PREMIERES Du minerai de fer à l'acier le minerai de fer seul n'est pas suffisant. cinq matières premières principales Le minerai de fer, La ferraille, Le coke métallurgique, Les fondants, L’oxygène,
OPERATION SIDERURGIQUES On distingue trois opérations fondamentales : L’élaboration; La coulée; La mise en forme.
ELABORATION DE L’ACIER Il existe deux modes de fabrication de l'acier selon que celui-ci est produit à partir du minerai de fer ou provient du recyclage des ferrailles : Filière fonte ; Filière électrique
ELABORATION DE L’ACIER : Filière Fonte Haut fourneau Préparation minerai &coke Convertisseur à l’Oxygéné
ELABORATION DE L’ACIER FILIERE FONTE la fonte (% C = 2÷4) produite est dirigée vers un appareil appelé convertisseur.
ELABORATION DE L’ACIER FILIERE ELECTRIQUE la filière électrique: La filière électrique c’est l'élaboration de l'acier sans passer par la fonte; La matière première est constituée par de la ferraille; On fait appel aux fours électriques
La Coulée On distingue: La coulée en lingotières; La coulée continue.
Mise en forme Il s’agit, en général d’obtenir à partir de l'acier se présentant sous forme de : brames, Lingots, blooms, billettes, ronds. des produits finis sous forme de: tiges, tuyaux, rails de chemins de fer, pièces en T, poutrelles, etc. Par une opération de laminage
Les différents types d’acier L'acier est un alliage de fer contenant moins de 2 % de carbone. Il peut être répertorié selon cette teneur en carbone; haute teneur en carbone sera employé pour sa grande dureté, acier à teneur faible permettra un travail plus facile, sera plus malléable.
Les différents types d’acier Les aciers ordinaires ou aciers au carbone non alliés: aciers standard improprement appelés aciers au carbone. Les aciers alliés ou aciers spéciaux Ils contiennent des éléments ou composants en plus du carbone On distingue les aciers: fortement alliés; faiblement alliés Quelques caractéristiques
Désignation des fontes et des aciers Acier ordinaire; Acier faiblement allié; Acier fortement allié. Les applications
ESSAIS MECANIQUES expériences dont le but est de caractériser les lois de comportements des matériaux. Parmi ces essais normalisés, les plus classiques sont : L’essai de dureté ; L’essai de traction ; L’essai de résilience ; L’essai de fatigue ; L’essai de fluage.
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Haut Fourneau XVème siècle Hauteur de 4 à 6m
Fours Bessemer, Thomas et Martin XIXème siècle
Minerai de fer les minerais oxydés, les carbonates, Magnétite (FE3O4); Hématite FE2O3); Limonite (HFeO2) ; L’ilménite (FeTiO3) les carbonates, Sidérite (FeCO3) les minerais sulfurés chamosite, stilpnomelane, les silicates pyrite (FeS2)
La ferraille récupération à partir des industries de transformation et des industries sidérurgiques, collecte de biens d’équipement et de consommation hors d’usage. La ferraille est surtout utilisée dans les aciéries électriques
Le coke métallurgique combustible obtenu à partir de la houille Il remplit trois rôles principaux dans le haut-fourneau : il favorise la circulation des gaz montants (rôle perméabilisant), fournit la chaleur nécessaire à la poursuite de la réaction, assure la réduction et la carburation du fer.
Le coke métallurgique Préparé dans des cokeries calibre homogène, Léger, mécaniquement résistant; Bonne perméabilité; teneur en soufre faible.
Les fondants L’utilité des fondants est double : Première fonction: rendre les minéraux de la gangue plus facilement fusibles; Seconde fonction: former avec les impuretés contenues dans le minerai des combinaisons qui permettent de les éliminer.
les fondants Les fondants sont ajoutés afin de permettre d’éliminer la gangue sous forme de laitier fusible.
L’oxygène L’oxygène est principalement utilisé pour l’élaboration de l’acier. Des centrales à oxygène permettent de le produire à partir d’air liquide. Elles produisent en général de l’oxygène à 40 bars et alimente l’aciérie sous une pression de 15 bars.
L’élaboration : Série de processus métallurgiques dont le dernier au moins a lieu en phase liquide et qui est destiné à aboutir à une nuance d’acier désirée ;
La coulée passage de l’acier de l’état liquide à l’état solide ;
La mise en forme : D’une manière générale, laminage (déformation plastique à chaud ou à froid) conduisant à des produits: plats (tôles) ou longs (profilés, barres, etc.).
Élaboration de l’acier Electrique Fonte
Préparation concassage, criblage, agglomération ou bouletage (minerais) couches alternées coke et minerai
Haut fourneau Réacteur à lit consommable à contre courant extraire le fer contenu dans les minerais (oxydes de fer: Fe2O3, FeO, Fe3O4); appareil de réduction où l'on met en contact: les oxydes de fer et des agents réducteurs ;
Haut fourneau température des gaz supérieure à 2 000 °C; très réducteur les matières s’échauffent progressivement par le gaz; oxydes, métal primaire et gangue entrent en fusion. écoulement liquide au travers du coke ; la réduction des oxydes de fer s'achève ; la fonte et le laitier se constituent. Évacuation périodique par le trou de coulée
Haut fourneau Le laitier La fonte (% C = 2÷4) : débouché dans le secteur du bâtiment et des travaux publics comme revêtement routier La fonte (% C = 2÷4) : moulage direct, Deuxième fusion pour des caractéristiques particulières Acier par affinage.
ELABORATION DE L’ACIER FILIERE FONTE
ELABORATION DE L’ACIER FILIERE FONTE
ELABORATION DE L’ACIER FILIERE FONTE Principe : On insuffle de l'air dans le convertisseur L'oxygène de l'air permet : la combustion (1600°C) des impuretés contenues dans le métal brut, l'élimination d'une partie du carbone par oxydation. La transformation de la fonte en acier est ainsi opérée. L'acier (% C < 1,8) est obtenu: en décarburant la fonte, en éliminant le plus possible le soufre et le phosphore en modifiant la teneur des autres éléments (Si, Mn).
Four électrique
Four électrique Le four électrique permet d'effectuer un affinage très poussé. Le chauffage est assuré par un arc électrique jaillissant entre des électrodes de carbone et les matières placées dans le four. Après fusion, on effectue l'affinage par l'intermédiaire de plusieurs laitiers. On procède lors de la phase finale aux adjonctions nécessaires à l'obtention du type d'acier désiré
La coulée en lingotières
La coulée en lingotières Les lingotières sont en fonte et peuvent avoir des formes et sections variables), Le poids du lingot varie, en général, de 6 à 8 tonnes. L'extraction des lingots solidifiés est facilitée par: l'inclinaison donnée aux parois, La lubrification des parois intérieures (goudron et d'aluminium en poudre).
La coulée continue l'acier est coulé dans une lingotière spéciale appelée Coulée Continue. solidification de l'acier sous forme d'une longue bande ininterrompue Découpage au chalumeaux de façon à donner des brames. parallélépipède d'acier: - (10x1.5x0.2) m3 - 5 tonnes
Laminage Modification des lingots par des opérations successives de laminage.
laminage Rouleaux de laminoirs rainurés pour formes particulières: rails de chemins de fer; Poutrelles; etc.
laminage Train de laminoirs laminoir dégrossisseur. laminoirs de finissage qui réduisent à une section correcte.
laminage
Aciers ordinaires Nuance Pourcentage de carbone (C) Charge de rupture en hbar (P) état recuit Emplois extra doux C < 0,15 33< P <42 tôles pour carrosserie, feuillards, quincaillerie, pièces de forge doux 0,15 <C 0,20 37< P <46 charpente métallique, profilés, construction mécanique courante, boulons, fils ordinaires demi doux 0,20 <C< 0,30 48< P <55 pièces de machines pour applications mécaniques, pièces ou bâtis moulés, pièces forgées demi dur 0,30 <C< 0,40 55< P < 65 petit outillage, éléments de machines agricoles, organes de transmission dur 0,40 <C< 0,60 65< P < 75 pièces d'outillage, d'armement, glissières, rails et bandages, ressorts, coutellerie, pièces moulées et traitées extra dur 0,60 < C 75 < P outils d'usinage et découpe, câbles, ressorts
Composants d’addition Ils possèdent des caractéristiques spécifiques selon le ou les composant(s) qui sont ajoutés : Nickel; Chrome; Manganèse; Étain; Autres.
Acier fortement allié Un des éléments représente plus de 5%
Acier faiblement allié Aucun éléments ou composants ne dépasse 5%
Les aciers alliés Les aciers au nickel (2 à 40%) : Trempe et résistance à la corrosion Les aciers au chrome (1 à 25%) : résistance à la rupture à 4% de chrome, l'alliage peut être utilisé comme aciers à outils ou à roulements. Si l'acier contient entre 10% et 20% de chrome, il devient inoxydable aux agents corrosifs et aux oxydants industriels. Les aciers au manganèse : bonne résistance à l'usure Les aciers à l'étain "fer blanc" : grande résistance à la corrosion, non-toxicité et apparence plaisante Autres aciers Aciers au silicium pour les ressorts; aciers au tungstène fabrication des aimants
DESIGNATION DES FONTES ET DES ACIERS Fontes À Graphite Lamellaire Symbole Valeur de la résistance minimale à la rupture Préfixe EN-GJL-300
DESIGNATION DES FONTES ET DES ACIERS Fontes À Graphite Sphéroïdal Symbole Valeur de la résistance minimale à la rupture Préfixe EN-GJS-300-22 Pourcentage de l’allongement après la rupture
DESIGNATION DES FONTES ET DES ACIERS Fontes Malléables Symbole Valeur de la résistance minimale à la rupture Préfixe EN-GJM-350-4 Pourcentage de l’allongement après la rupture GJMW : à cœur blanc GJMB : à coeur noir
DESIGNATION DES FONTES ET DES ACIERS Aciers d’usage courant Valeur minimale de la limite élastique en MPa Symbole pour aciers d’usage général S 235 E 295 Symbole pour aciers de construction ; GE 295 pour un acier moulé
DESIGNATION DES FONTES ET DES ACIERS Aciers non alliés C 40 Symbole acier non allié La désignation est précédée de la lettre G pour un acier moulé Pourcentage de la teneur moyenne en carbone multipliée par 100, soit 0,4% de carbone Teneur en manganèse <1%
DESIGNATION DES FONTES ET DES ACIERS Aciers faiblement alliés 25 Cr Mo 10 - 20 Pourcentage de la teneur moyenne en carbone multipliée par 100, soit 0,25% Un ou plusieurs groupes de lettre qui sont les symboles des éléments d’addition rangés dans l’ordre des teneurs décroissantes, ici, Chrome (Cr) et Molybdène (Mo) Teneur en manganèse <1% Teneur de chaque élément d’alliage <5% Une suite de nombres rangés dans le même ordre que les éléments d’alliages, et indiquant le % de la teneur moyenne de chaque élément. Les teneurs sont multipliées par un coefficient variable en fonction des éléments d’alliage Coefficient multiplicateur Elément d’alliage Coef. Cr, Co, Mn, Ni, Si, W 4 Al, Be, Cu, Mo, Pb,Ta, Ti, V, Zr 10 Ce, N ,P, S 100 B 1000 DESIGNATION DES FONTES ET DES ACIERS
DESIGNATION DES FONTES ET DES ACIERS Aciers fortement alliés X 5 Cr Ni 18 - 10 Symbole acier fortement allié Teneur d’au moins un élément d’alliage ≥5% Eléments d’addition 0,05% de carbone Pourcentage réel de la teneur ; 18% Cr et 10% Ni
LES APPLICATIONS Dans la construction (1er utilisateur): ouvrages d’art, béton armé… Dans l'automobile (2éme utilisateur): 55% à 70% du poids d'un véhicule Industrie alimentaire (emballages, ustensiles de cuisine...): Fer blanc, inox. Autres secteurs d'utilisation: Le secteur de l'informatique et de la téléphonie. le domaine de l'aérospatiale, les satellites
ESSAIS MECANIQUES Suivant principalement la forme du pénétrateur, on définit: dureté Brinell; dureté Vickers ; dureté Rockwell . Comparaison entre les méthodes
ESSAIS MECANIQUES L’essai de dureté Brinell bille en acier ou en carbure de tungstène, maintenue pendant un temps bien défini et avec une force bien déterminée. la dureté Brinell: HB
ESSAIS MECANIQUES L’essai de dureté Vickers La mesure de dureté Vickers se fait avec une pointe pyramidale normalisée en diamant de base carrée et d'angle au sommet entre face égal à 136°. HV : dureté Vickers
ESSAIS MECANIQUES: L’essai de dureté Rockwell On mesure une pénétration rémanente du pénétrateur sur lequel on applique une faible charge. cône en diamant; bille en acier trempé polie L’essai de dureté Rockwell se déroule ainsi en trois phases : HRB , HRC
ESSAIS MECANIQUES L’essai de dureté Rockwell La valeur de dureté est alors donnée par la formule suivante : Échelle B, E et F Échelle C La valeur de r étant l'enfoncement rémanent obtenu en appliquant puis en relâchant la force F1. Une unité de dureté Rockwell correspondant à une pénétration de 0,002 mm.
ESSAIS MECANIQUES Comparaison entre les méthodes Type d'essai Préparation de la pièce Utilisation principale Commentaire Brinell La surface de la pièce ne nécessite pas une préparation extrêmement soignée (tournage ou meulage) En atelier La méthode ayant la mise en œuvre la plus facile des trois méthodes. Rockwell Bonne préparation de surface (au papier de verre OO par exemple). La présence de rayures donne des valeurs sous estimées. L'essai est simple et rapide Convient bien pour des duretés plus élevées (supérieures à 400 Brinell). Elle est plutôt utilisée pour les petites pièces (il est nécessaire que la pièce soit parfaitement stable) La dureté Rockwell présente l'inconvénient d'avoir une dispersion relativement importante. Vickers État de surface très soigné (on obtient de petites empreintes, la présence d'irrégularité gène la lecture). En laboratoire C'est un essai assez polyvalent qui convient aux matériaux tendres ou très durs. Il est utilisé généralement pour des pièces de petites dimensions. La lecture des longueurs de diagonale est généralement lente.
ESSAIS MECANIQUES: Essai de traction le plus utilisé pour caractériser les propriétés mécaniques des matériaux ductiles; il permet de tracer une courbe de traction
ESSAIS MECANIQUES: Essai de traction contrainte vraie Contrainte nominale σ = F/S’ σ = F/S S : section initiale S’ : section vraie
Essai de traction contrainte maximale avant rupture: σrs limite apparente d'élasticité: σe Le Module de Young : Coefficient de Poisson:
ESSAIS MECANIQUES: Essai de traction Matériau fragile: Limite de rupture en traction Limite de rupture en compression
ESSAIS MECANIQUES: Essai résilience En mécanique, la résilience est l'énergie nécessaire pour produire la rupture d'un échantillon entaillé section droite de l'entaille (appelé éprouvette). L'essai de résilience se fait sur une machine du nom de Mouton de Charpy : Elle se mesure par la différence d'énergie potentielle entre le départ du pendule et la fin de l'essai:
Eprouvette
Mouton de Charpy
ESSAIS MECANIQUES Essai résilience L'énergie absorbée est obtenue en comparant la différence d'énergie potentielle entre le départ du pendule et la fin de l'essai. L'énergie obtenue (en négligeant les frottements) est égale à : m : masse du mouton pendule g : accélération de la pesanteur (environ 9.81 m.s-2) h : hauteur du mouton pendule à sa position de départ h' : hauteur du mouton pendule à sa position d'arrivée
ESSAIS MECANIQUES: Essai de fatigue Déroulement de l’essai L’éprouvette d’essai est soumise: à une charge moyenne donnée (qui peut être égale à zéro) et à une charge alternée donnée et on note le nombre de cycles nécessaires pour provoquer la défaillance (rupture par fatigue). Généralement, on effectue plusieurs essais avec des charges variables différentes sur des éprouvettes identiques.
Essai de fatigue Les résultats des essais de fatigue sont souvent présentés sous la forme d’un diagramme σ‑N (ou de Wöhler) qui représente: le nombre de cycles nécessaires pour amener la défaillance de l’éprouvette
ESSAIS MECANIQUES Essai de fatigue Contraintes cycliques & Diagramme d’endurance (de Wöhler)
ESSAIS MECANIQUES Essai de fluage Déformation lente d’un matériau qui se produit sous l’effet d’une contrainte constante à température constante. Métaux: fluage haute température. Matières plastiques: fluage à température ambiante appelé « fluage à froid » ou « déformation sous charge ».
ESSAIS MECANIQUES Essai de fluage le matériau est soumis à une charge constante de traction ou de compression sur une durée prolongée et à température constante. La déformation est enregistrée selon une périodicité donnée La rupture, si elle intervient, termine l’essai et l’instant de la rupture est enregistré.
ESSAIS MECANIQUES Essai de fluage première étape, ou fluage primaire, commence à vitesse rapide et ralentit avec le temps ; la vitesse de fluage diminue avec le temps, ce qui correspond à une augmentation de la résistance du matériau, ou encore à une consolidation ; deuxième étape (fluage secondaire) s’effectue à vitesse relativement constante. troisième étape (fluage tertiaire) présente une accélération et s’achève avec la défaillance du matériau à l’instant de rupture.