Traitements thermiques et écrouissage des aciers

Voici une synthèse des matériaux et de leurs propriétés, présentée sous forme de fiche aide-mémoire en français et formatée en HTML :

Connaissances des Matériaux : Synthèse

Ce document résume les concepts clés, les essais et les traitements thermiques des matériaux.

1. Le Fluage

• Définition : Déformation continue d'un objet sous des efforts constants pendant une longue durée.

• Explication : Rupture après un temps long et sous des charges inférieures aux limites habituelles (Rr ou Re).

• Conditions :

  • Longues durées (10, 20 ans).

  • Températures élevées (chaudières, moteurs d'avion, aubes de turbine) — la chaleur l'accentue.

  • Certains matériaux (matières plastiques) sont sensibles même à température ambiante.

• Courbe de fluage : Représente la déformation en fonction du temps sous une charge constante (Source 13, Question 20).

2. La Corrosion

• Facteurs Clés :

  • Assemblage : Le matériau le plus électronégatif est corrodé.

  • Outils : Utiliser des outils dédiés pour l'inox (pour éviter les carbures).

  • Environnement : Sel, pH de l'air, humidité, pollution.

  • Acier : Moins de 10% de chrome = risque de corrosion (Source 4, Question 11).

• Moyens de Lutte (4 Familles - Source 5) :

  1. Protection Cathodique / Électrochimique : Coupler le matériau à protéger avec un métal plus électronégatif (Source 10, Question 2).

  2. Revêtement : Métallique (galvanisation) ou non-métallique (peinture).

  3. Matériaux Résistants : Utiliser des métaux ou alliages intrinsèquement résistants.

  4. Autoprotection : Par passivité du métal (comme l'aluminium).

3. Essais de Dureté

• 3.1. Dureté Brinell (HB)

  • Principe : Imprimer une bille (acier ou carbure de tungstène) sous une charge F.

  • Mesure : Diamètre (d) de l'empreinte après retrait de la charge.

  • Calcul : HB est proportionnel au rapport F/S, où S est la surface de l'empreinte.

  • Formules :

    • F = charge d'essai ()

    • D = diamètre de la bille ()

    • d = diamètre de l'empreinte ()

    • h = profondeur de l'empreinte () :

    • Dureté Brinell :

    • Pour le calcul de F :

  • Types de billes : Hbw (bille en tungstène), Hbs (bille en acier).

• 3.2. Dureté Vickers (HV)

  • Principe : Imprimer un pénétrateur pyramidal à base carrée, angle au sommet de , sous une charge F.

  • Mesure : Diagonale (d) de l'empreinte après retrait de la charge.

  • Calcul : HV est proportionnel au rapport F/S, où S est la surface de l'empreinte pyramidale.

  • Formule : (où d est la moyenne des diagonales ).

  • Avantage : Utilise moins de matière, idéal pour les polymères (Source 9).

  • Désignation : Ex: 640 HV 30 = 640 Vickers sous charge 294.2 N (30 kgf), maintenue 10-15s.

• 3.3. Dureté Rockwell

  • Étapes (Source 11, Question 10) :

    1. Application d'une précharge .

    2. Application d'une charge complémentaire .

    3. Suppression de la charge .

    4. Mesure de l'accroissement rémanent h.

    5. Calcul de la dureté.

4. Alliages et Propriétés des Matériaux

• 4.1. Alliages d'Aluminium

  • Caractéristiques : Bonne résistance à la corrosion, bon rapport résistance/poids, coefficient de dilatation thermique 1.5X acier (Source 12, Question 16).

  • Séries (Source 9, Question 10) :

    Série	Alliage principal
    1000	Aluminium pur (>99%)
    2000	Al + Cuivre (Al+Cu)
    3000	Al + Manganèse (Al+Mn)
    4000	Al + Silicium (Al+Si)
    5000	Al + Magnésium (Al+Mg)
    6000	Al + Magnésium + Silicium (Al+Mg+Si)
    7000	Al + Zinc (Al+Zn)

  • Limite d'endurance : L'aluminium pur a une limite d'endurance (Source 10, Question 6), contrairement à certains autres métaux.

  • 
    

• 4.2. Acier et Fonte

  • Teneur en Carbone (Source 9) :

    • Acier : 0,05% à 7,95% (ou < 2% selon QCM Source 15).

    • Fonte : 2% à 6% (ou > 2% selon QCM Source 15).

  • Désignation (Acier faiblement allié - Source 14, Question 30) : [G35 NiCrMo16...]

    • 35 signifie : La teneur en carbone multipliée par 100 (Ex: 35 = 0,35% C).

  • Désignation (Acier fortement allié - Source 13, Question 22) : [GX6CrNiTi18-11]

    • 6 signifie : La teneur en carbone multipliée par 100 (Ex: 6 = 0,06% C).

    • 18 signifie : Le pourcentage de Chrome (18% Cr).

    • 11 signifie : Le pourcentage de Nickel (11% Ni).

• 4.3. Propriétés Générales

  • Résilience : Aptitude d'un matériau à résister à la propagation de fissure (Source 9).

  • Ténacité : Caractérisée par l'unité MPa.m (Source 11, Question 9). Rapport entre l'énergie absorbée par la rupture et la section nette au droit de l'entaille de l'éprouvette (Source 14, Question 27).

  • Malléabilité : Aptitude à subir une déformation importante sans rupture.

  • Coulabilité : Aptitude d'un matériau liquide à remplir les détails d'un moule.

  • Soudabilité :

    • Teneur en carbone faible = meilleure soudabilité (Source 9, Source 14 Q28).

  • Céramiques (Source 11, Question 12 ; Source 13, Question 25) :

    • Résistance élevée à la compression et faible à la traction.

    • Tenue à la corrosion : Élevée.

    • Dureté : Élevée.

    • Résilience : Faible.

    • Module de Young : Élevé.

    • Ductilité : Faible.

  • Polymères Thermoplastiques (Source 10, Q3 ; Source 11, Q8) :

    • Molécules forment de longues chaînes reliées par un grand nombre de liaisons faibles.

    • Dureté : Faible.

    • Dilatation thermique : Élevée.

    • Température de fusion : Faible.

    • Module de Young : Faible.

    • Résilience : Élevée.

    • Conductivité thermique et électrique : Faible.

    • Masse volumique : Faible.

    • Sous la température de transition vitreuse :

      • La limite élastique augmente.

      • Le module d'élasticité diminue.

    • Diminution de température (75°C à 0°C pour polyéthylène) : Pas de modification de Re, diminution significative de l'allongement à la rupture (Source 12, Question 18).

  • Magnésium (Source 11, Question 13) :

    • Bonne résistance à la corrosion à température ambiante.

    • Instabilité chimique à l'état pur.

    • Faible masse volumique (ultraléger).

    • Piètre résistance à la corrosion si impur.

  • Titane (Source 13, Question 23) :

    • Inconvénient majeur : Grande réactivité chimique à température élevée, usinage/formage à froid difficile.

5. Traitements Thermiques des Aciers

• 5.1. Trempe (+ Revenu)

  • Principe de la trempe : Chauffer l'acier à température d'austénitisation (domaine de l'austénite) puis refroidissement rapide (Source 9, Source 10 Q4).

  • Effets de la trempe : Création de tensions internes (micro-fissures) et structure instable (martensite - Source 9). Accroît la dureté et la limite élastique (Source 18, Question 9).

  • Principe du revenu : Chauffage après trempe pour éliminer les tensions internes et améliorer la résilience.

  • Effets du revenu (Source 10, Question 1) :

    • Diminution de la température de revenu : Dureté augmente et résilience diminue.

    • Augmentation de la température de revenu : Accroît la résilience et l'allongement à la rupture (Source 15, Question 2.2).

• 5.2. Recuits

  • Écrouissage : Augmentation des dislocations qui s'opposent à la contrainte, entraînant augmentation de la dureté et diminution de l'allongement à la rupture (Source 9, Source 10 Q5).

  • Recuit :

    • Recuit d'homogénéisation : Élimine l'écrouissage par chauffage dans le domaine ferritique (500-700°C) suivi d'un refroidissement lent (Source 24).

    • Recuit de détente : Élimine les contraintes internes par chauffage dans le domaine ferritique (500-650°C) (Source 25).

    • Recuit de globulisation (ou sphéroïdisation) : Obtient une structure globulaire de la perlite pour faciliter l'usinage ; augmente l'allongement à la rupture pour le formage (extrusion, emboutissage) (Source 26).

    • Recuit de normalisation : Affine la taille des grains (augmente la résistance), utilisé pour les aciers de construction (Source 27).

• 5.3. Cémentation

  • Conséquence : Fait décroître la trempabilité de l'acier (Source 13, Question 24).

6. Essais Non-Destructifs (END)

• Familles : Essais destructifs et non-destructifs (Source 12, Question 17).

• Contrôle Visuel :

  • Essai visuel : Prétri, orientation.

  • Essai d'étanchéité : Pression inférieure à 8 MPa (rarement utilisé).

  • Essai de ressuage : Pour les défauts de surface (nettoyage, pénétrant fluorescent, nettoyage au solvant, séchage, révélateur).

• Contrôle par Magnétoscopie :

  • Pour matériaux ferromagnétiques.

  • Détecte défauts de surface/proches de la surface.

  • Efficace pour les fissures perpendiculaires au champ, inefficace pour les parallèles.

• Contrôle par Ultrasons :

  • Grande sensibilité (applications chantier/atelier).

  • Fortement influencé par la direction de la surface.

  • Méthode impulsion-écho : émission d'un son, interception des modifications, mesure de distance (temps d'aller-retour).

• Contrôle par Rayons X :

  • Rayons X partiellement absorbés par la matière.

  • Noircissent le papier photo.

  • Fournissent des informations directement exploitables.

• Contrôle par Courants de Foucault :

  • Rapide avec système automatisé.

  • Les défauts perturbent le champ induit et les variations de conductivité électrique.

7. Examens Microstructuraux

• Contrôle Macroscopique :

  • Mise en évidence de : grosseur/forme des grains, déformation (froid/chaud), répartition des cavités, hétérogénéité chimique (ségrégation).

  • Étapes : Sciage, polissage, attaque chimique, lavage/séchage, enregistrement.

  • Essai de Baumann : Détection des inclusions sulfurées par impression sur papier sensible (Source 29).

• Contrôle Micrographique :

  • Mise en évidence de la structure et des inclusions non-métalliques.

  • Grossissement : à .

  • Préparation : Enrobage, polissage granulométrique, polissage de finition.

• Diagramme Fer-Carbone :

  • Présente les états d'équilibre du fer et des alliages ferreux avec le carbone.

  • : Température de transformation en perlite ().

  • et : Températures d'austénitisation.

  • Distinction : Aciers (< 2% C) et Fontes (> 2% C).

8. Unités Clés

• Ténacité : MPa.m (Source 11, Question 9).

• Résistance thermique (R) : [.m².K/W] ou [K.m²/W].

• Conductivité thermique () : [W/m.K].

• Coefficient de transfert thermique (U) : [W/m².K].

Réponses QCM Diverses

• Augmentation de la grosseur des grains : La résistance à la traction et la limite élastique diminuent (Source 13, Q21).

• Alliages de cuivre (Laiton) : Cuivre et Zinc (Source 12, Q15).

• Essai de fatigue : Statistique car dépend du pourcentage de survie d'un même matériau (Source 10, Q7).