Matériaux

ANIMER UN
MECANISME
ISI
DOSSIER RESSOURCE : Matériaux
1.La désignation des métaux et des alliages (uniquement celle nécessaire au TP)
1.1.Les métaux ferreux
1.1.1.Définition : On appelle alliage ferreux tout alliage constitué essentiellement de Fer (Fe) et de
Carbone (C). Les qualités métallurgiques et mécaniques d'un alliage ferreux sont en grande
partie déterminées par sa teneur en carbone. Le diagramme d'équilibre Fe-C simplifié (fig. a)
met en évidence les deux domaines d'alliages ferreux.
 Le domaine des aciers dont la teneur maximale en carbone est de 1,7 %.
 Le domaine des fontes dont la teneur en carbone varie de 1.7 % à 6.67 %.
 On distingue : les aciers et les fontes non alliées, constituées uniquement de fer et de carbone,
les aciers et les fontes alliées, contenant, en faible quantité, des éléments d'addition (silicium,
manganèse, aluminium, ...etc.) qui améliorent leur qualité.
1.1.2.Les aciers (d'après la norme NF EN 10025, IC 10, NF EN 10027)
1.1.2.1.Les aciers faiblement alliés
Parmi ces aciers, on trouve les aciers à outils (35 Cr Mo 4 ; 100 Cr 6). Toutes les étapes de la
fabrication nécessitent des outils dont les conditions d'utilisation peuvent être très variées (choc,
tranchant, dureté). La teneur en carbone est en général assez élevée (de l'ordre de 0,6 % à 1 %)
sauf pour les outils travaillant aux chocs (moule d'injection pour matière plastique).
On appel acier faiblement allié, un acier dont la teneur en manganèse est ≥1 % et dont la
teneur de chaque élément d'alliage est <5 %.
La désignation est composée de la façon suivante :
 un nombre entier, égal à cent fois le pourcentage de la teneur moyenne en carbone,
 Exemple : 55 correspond à 0,55 % de carbone. (Cette désignation est incomplète, il manque
le ou les éléments d'addition).
 un ou de plusieurs groupes de lettres, qui sont les symboles chimiques des éléments d'addition.
Ces symboles sont indiqués suivant un ordre très précis, l'ordre décroissant des teneurs. Le
premier symbole indique que c'est lui qui possède le plus haut % et ainsi de suite jusqu'au
dernier qui est celui qui possède le plus petit %.
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 une suite de nombres qui est indiquée dans le même ordre que les éléments d'alliage. Ces
nombres indiquent le % de la teneur moyenne de chaque élément. Ces teneurs sont affectées
d'un coefficient (ou facteur) multiplicateur, variable en fonction des éléments d'alliage.
 Reprenons l'exemple précédent en le complétant : 55 Cr 3 correspond à 0,55 % de carbone et
à (3/4) % de chrome, soit 0,75 % car le chrome est affecté du coefficient 4.
 Exemple : 53 Cr V 4 correspond à 0,53 % de carbone et à (4/4) % de chrome, soit 1 % car
le chrome est affecté du coefficient 4 et moins de 1 % de vanadium.
TABLEAU DES FACTEURS DES ELEMENTS LES PLUS COURANTS
Elément d'alliage
Facteur
Elément d'alliage
Facteur
Cr, Co, Mn, Ni, Si, W
4
Ce, N, P, S
100
Al, Be, Cu, Mo, Nb, Ta, Ti, V,
10
B
1000
Zr
TABLEAU DES PRINCIPAUX ELEMENTS UTILISES EN METALLURGIE
Elément
d'alliage
Aluminium
Symbole
Elément
Facteur
chimique
d'alliage
*
Al
Cuivre
10
Symbole
chimique
Facteur
Cu
10
*
Elément
d'alliage
Symbole
chimique
Facteur
Plomb
Pb
10
*
Antimoine
Sb
Etain
Sn
Potassium
K
Argent
Ag
Fer
Fe
Sélénium
Se
Azote
N
Gallium
Ga
Silicium
Si
Baryum
Ba
Hydrogène
H
Sodium
Na
Béryllium
Be
Lithium
Li
Soufre
S
Bismuth
Bi
Magnésium
Mg
Strontium
Sr
Bore
B
1000 Manganèse
Mn
4
Tantale
Ta
10
Brome
Br
Molybdène
Mo
10
Titane
Ti
10
Cadmium
Cd
Nickel
Ni
4
Tungstène
W
4
Carbone
C
Niobium
Nb
10
Uranium
U
Chlore
Cl
Or
Au
Vanadium
V
Césium
Ce
100
Oxygène
O
Zinc
Zn
Chrome
Cr
4
Phosphore
P
Zirconium
Zr
Cobalt
Co
100
10
100
4
100
10
10
Platine
Pt
4
* : uniquement pour les aciers faiblement alliés.
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1.1.2.2.Les aciers fortement alliés
Parmi ces aciers, nous avons les aciers inoxydables dont le chrome est l'élément d'addition
essentiel. A des teneurs supérieures à 12 % il rend l'acier pratiquement inoxydable en favorisant la
formation d'un film passif à sa surface. On utilise ce type d'acier en visserie, pour les ressorts,
pour les arbres de pompes, les soupapes, ...etc.
On appelle acier fortement allié, un acier dont la teneur d'au moins un élément d'alliage
est ≥ 5 %.
La désignation est composée de la façon suivante :
 une lettre X qui est suivie par la même désignation que celle des aciers faiblement alliés, à
l'exception des valeurs des teneurs qui sont des pourcentages réels. Les valeurs qui
caractérisent le pourcentage des éléments d'addition sont indiquées dans l'ordre croissant.
 Exemple : X45 Cr Ni 18-10 correspond à 0,45 % de carbone, 18 % de Chrome et 10 %
de Nickel.
1.2.Les métaux non-ferreux
Bien que ne représentant que 10 % (en masse) des matériaux métalliques utilisés industriellement,
les alliages non-ferreux n'en restent pas moins utilisés pour certaines de leurs propriétés
spécifiques : masse volumique faible, propriétés électriques, résistance à la corrosion et à
l'oxydation, facilité de mise en œuvre. Ces avantages l'emportent dans certaines applications,
malgré le coût de revient plus élevé de ces alliages. Nous nous limiterons à l'étude des alliages
d'aluminium.
1.2.1.L'aluminium et ses alliages
1.2.1.1.Aluminium et alliages d'aluminium moulés (Norme NF EN 17 80)
Le point de fusion de l'aluminium est particulièrement bas (≈ 600°C) ce qui le rend particulièrement
apte aux opérations de fonderie. Compte tenu de ces avantages, c'est un alliage principalement
utilisé en aéronautique, dans l'industrie alimentaire et cryogénique, pour les articles de sport et les
structures utilisées en atmosphère marine.
 La désignation utilise un code numérique qui peut être suivi si nécessaire par une désignation
utilisant les symboles chimiques des éléments d'addition et de nombres indiquant la pureté de
l'aluminium ou la teneur nominale des éléments d'addition en %.
 Exemple de désignation usuelle : EN AB-4300 ou EN AB-4300 [Al Si 10 Mg] : alliage
d'aluminium moulé, contenant 10 % de silicium et du magnésium (- de 1 %).
 Exemple de désignation exceptionnelle : EN AB-Al Si 10 Mg.
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Désignations globales (nuances
usuelles)
EN AB - 1050 [Al 99.5]
EN AB - 21 000 [Al Cu 4 Mg Ti]
EN AB - 43 000 [Al Si 10 Mg]
EN AB - 44 200 [Al Si 12]
EN AB - 51 300 [Al Mg 5]
Emplois principaux
Appareils ménagers. Matériels électriques.
Se moule bien, s'usine bien. Ne pas utiliser en air salin.
Se moule très bien, s'usine et se soude bien. Convient en air
salin
Se moule et se soude très bien. Sa forte teneur en silicium
rend l'usinage difficile.
Excellente aptitude à l'usinage, au soudage et au polissage.
Résiste bien à l'air salin.
1.2.1.2.Aluminium et alliages d'aluminium corroyés (Norme NF EN 573)
 La désignation utilise un code numérique qui peut être suivi si nécessaire par une désignation
utilisant les symboles chimiques des éléments d'addition et de nombres indiquant la pureté de
l'aluminium ou la teneur nominale des éléments d'addition en %.
 Exemple de désignation usuelle : EN AW-2017 ou EN AW-2017 [Al Cu 4 Mg Si] : alliage
d'aluminium, contenant 4 % de cuivre, du magnésium (- de 1 %) et du silicium (- de 1 %).
 Exemple de désignation exceptionnelle : EN AW- Al Cu 4 Mg Si.
Nuances usuelles*
EN AW - 1350 [EAl 99.5]**
EN AW - 1050 [Al 99.5]
Emplois principaux
Matériel électrodomestique. Chaudronnage.
Matériel pour les industries chimiques &
alimentaires
Pièces chaudronnées : citernes, cuves,
tubes, tuyauteries.
Bonne résistance aux
agents
atmosphériques & à
l'air salin.
Bonne soudabilité.
EN AW - 5154 [Al Mg 3.5]
EN AW - 5754 [Al Mg 3]
EN AW - 5086 [Al Mg 4]
EN AW - 2017 [Al Cu 4 Mg Pièces usinées & forgées.
Il faut éviter de les
Si]
utiliser à l'air salin.
se
soudent
EN AW - 2030 [Al Cu 4 Pb Pièces décolletées (fragmentation de Ils
difficilement.
Mg]
copeaux).
EN AW - 7075 [Al Zn 5.5 Mg Pièces usinées et forgées de hautes
Cu]
caractéristiques mécaniques.
EN AW - 7049 [Al Zn 8 Mg
Cu]
* Produits étirés, filés, laminés, forgés.
** Pour les applications électriques particulières, le symbole Al est précédé de la lettre E.
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1.3.Les polymères (matières plastiques)
1.3.1.Définition
Un plastique est un mélange dont le constituant de base est une résine, ou polymère, à laquelle on
associe des adjuvants (charges, renforts, plastifiants, stabilisants, anti-oxydant) et des additifs
(pigments et colorants, ignifugeants, lubrifiants, fongicides). Plastique = Polymère + Adjuvant +
Additif
1.3.2.Propriétés
 Les plastiques présentent de nombreux avantages :





faible masse volumique,
bonne résistance chimique (corrosion notamment),
esthétisme (formes, couleurs),
isolation thermique et électrique,
coût généralement faible.
 Les emplois sont limités dans les cas suivants :




tenue en température,
résistance mécanique,
stabilité dimensionnelle,
conservation des caractéristiques dans le temps.
 Les plastiques peuvent se classer suivant deux catégories :
 Les thermoplastiques,
 Les thermodurcissables.
1.3.3.Les Thermoplastiques
Lorsqu'ils sont soumis à l'action de la chaleur, ils arrivent à une phase pâteuse (ou une fusion). Lors
de la solidification le matériau retrouve son état initial (comportement thermique comparable aux
métaux).
 Ils peuvent être refondus, ils sont recyclables thermiquement. Ils peuvent se souder, se
cintrer.
 Ils sont visqueux et imprègnent difficilement les fibres.
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Symbole
ABS
Signification
Aspect
AcrylonitrileTransButadiène-Styrène parent
ou
opaque.
Avantages
Inconvénients
Facile à coller, bonne Electrostatique,
stabilité
cassant.
dimensionnelle.
Mauvaise
Alimentaire.
résistance aux
Rigide
essences.
Applications
Pots de yaourts, pièces
thermoformées,
présentoirs, armoires de
toilette, planche à voile.
1.3.4.Les Thermodurcissables
Lorsqu'ils sont soumis à l'action de la chaleur, ils arrivent à une phase pâteuse (température
d'injection dans le moule), puis ils subissent une transformation chimique interne irréversible qui
durcit définitivement la matière (comportement comparable à l'argile qui durcit sous l'action de la
chaleur). Il n'y a plus de fusion possible, ils ne sont pas recyclable thermiquement, ils ne peuvent
pas se souder. Parce qu'au départ ils sont fluides, ils peuvent très bien imprégner les fibres. Les
thermodurcissables sont rarement utilisés seuls pour faire des pièces homogènes. Au contraire, ils
sont utilisés pour imprégner d'autres produits tels que les fibres (pneus de voitures), des circuits
électriques ou électroniques, des feuilles de papier, du bois ou du tissu. On les trouve aussi comme
colle, facile à utiliser et très résistante comme les polyépoxydes (Araldite) et les polyuréthannes
ou comme peintures et vernis.
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