Chapitre 1 SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE
1.2. Les grandes classes de matériaux
De nombreuses propriétés physico-chimiques et propriétés d’usage des matériaux sont étroitement liées à la nature des liaisons chimiques entre les atomes qui les constituent. C’est sur cette base qu’est établie la distinction entre les principales classes de matériaux [39].
Matériaux métalliques. Ce sont les métaux purs et leurs mélanges ou alliages, comportant essentiellement des liaisons métalliques.
Matériaux organiques. Ce sont les matériaux d’origine biologique, les polymères et élastomères de synthèse, comportant des liaisons covalentes et des liaisons faibles.
Matériaux minéraux. Ce sont les roches, oxydes, verres minéraux, céramiques comportant des liaisons ioniques et/ou des liaisons covalentes.
Matériaux composites. Ils associent de manière structurée à fine échelle des matériaux différents, appartenant éventuellement à des classes différentes parmi les trois précédentes [ibid.].
Page | 7 1.3. Les propriétés mécaniques des matériaux
Les propriétés mécaniques des matériaux déterminent l’ensemble des caractéristiques, qui déterminent ou qui permettent de prévoir leur comportement sous chargement statique ou dynamique [17],
soit en vue de dimensionner les structures ;
soit afin de concevoir les opérations et les outillages nécessaires à la réalisation de produits.
Les caractéristiques mécaniques d’un matériau dépendent de sa nature : métal, polymère, céramique, composite ;
de sa composition ;
de sa microstructure [ibid.].
La microstructure dépend elle-même des conditions d’élaboration du matériau et des éventuels traitements thermomécaniques liés à la fabrication soit de produit standard comme les barres, fils, tubes, profilés, plaques, tôles, feuilles, soit de pièces semi-finies comme les pièces moulées, les pièces forgées ou embouties.
Les propriétés mécaniques d’un matériau sont, de plus fonction de divers paramètres tels que la vitesse de déformation, la température d’utilisation, les conditions d’application des efforts, l’état de surface [38].
Différentes catégories de propriétés existent :
− propriétés d’élasticité ;
− propriétés de viscoélasticité ;
− propriétés de plasticité ;
− propriétés de viscoplasticité ;
− propriétés de durabilité ;
− propriétés d’usinabilité [ibid.].
Page | 8 1.3.1. Les propriétés d’élasticité
Les propriétés d’élasticité déterminent les amplitudes des déformations, instantanées et immédiatement réversibles, consécutives à l’application de charges ou d’efforts connus, et inversement, l’intensité des efforts associés à des déformations statiques ou dynamiques de faible amplitude. Elles sont à la base du calcul des structures, c’est-à-dire de l’évaluation des contraintes et des déformations dans les pièces et les structures en fonction de leur géométrie et des charges imposées. Le comportement élastique d’un matériau est défini par un certain nombre de caractéristiques appelées modules, coefficients ou constantes d’élasticité [17].
1.3.2. Les propriétés de viscoélasticité
Ces propriétés caractérisent l’évolution progressive des déformations, ou des efforts, qui se manifestent au cours du temps pour certains matériaux, lorsqu’ils sont respectivement sollicités sous un chargement constant ou sous une déformation imposée dans certaines conditions notamment thermiques. Les propriétés de viscoélasticité concernent le domaine des faibles déformations. Les trois types de manifestations qui caractérisent la viscoélasticité sont :
− le microfluage,
− la relaxation,
− l’amortissement [37].
1.3.3. Les propriétés de plasticité
Les propriétés de plasticité définissent le comportement des matériaux sous chargement imposé au-delà du domaine élastique. Elles déterminent les efforts à mettre en jeu dans les opérations de formage à froid, les déformations maximales accessibles, les capacités ou les risques de déformation permanente
Page | 9 sous chargement statique des produits finis et les charges limites correspondantes. Plusieurs essais caractérisent la plasticité :
− l’essai de traction uniaxial,
− les essais de contrôle de dureté (dureté Brinell, dureté Vickers, etc.),
− l’essai de ténacité ou essai de Charpy, [6] etc.
1.3.4. Les propriétés de viscoplasticité
Les propriétés de viscoplasticité caractérisent l’action de la vitesse de déformation et de la température sur le comportement plastique de matériaux tels que les polymères thermoplastiques et les matériaux cristallins. La viscoplasticité se manifeste, en général, à température élevée [ibid.]. Ces propriétés interviennent dans la définition des opérations de formage à chaud, dans le choix des vitesses et des températures de déformation, dans l’évaluation des efforts correspondants, et dans la prévision de la tenue à long terme des pièces à hautes températures [37].
1.3.5. Les propriétés de durabilité
Parmi les propriétés de durabilité, il est intéressant de distinguer plus spécifiquement les propriétés dites de tenue en fatigue qui font intervenir à la fois les caractéristiques en volume et de surface des matériaux ou des pièces soumises à des sollicitations répétées, et les propriétés de résistance à l’usure qui mettent en jeu essentiellement les propriétés de surfaces au contact entre deux matériaux [35].
La tenue en fatigue qui caractérise la capacité de résistance des matériaux à des efforts ou à des déformations, cycliques ou aléatoires, permet [37] :
− d’une part, le dimensionnement en conséquence des pièces ou des structures, afin d’éviter des ruptures précoces et brutales,
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− d’autre part, l’estimation de leur tolérance au dommage, c’est-à-dire leur aptitude à résister à la propagation de défauts, criques ou fissures, préexistants ou induits par les sollicitations.
Les propriétés de résistance à l’usure sont, fonction à la fois du matériau, des conditions de contact et des efforts exercés. Elles dépendent donc fortement des états de surface géométriques et structuraux [29].
1.3.6. Les propriétés d’usinabilité
Les propriétés d’usinabilité qui définissent l’aptitude des matériaux à l’usinage par enlèvement de matière tiennent compte à la fois de la durée de vie des outils et des qualités de surface obtenues. Comme les propriétés d’usure, les propriétés d’usinabilité résultent d’un ensemble de facteurs liés d’une part au matériau, d’autre part aux conditions opératoires. A ces différentes catégories s’ajoutent d’autres caractéristiques essentielles au choix des matériaux et des procédés de fabrication des produits, telles que : la résistance à la corrosion ou à l’oxydation ; les capacités de revêtement ; l’aptitude au soudage ; les conditions de maintenance ; les capacités de recyclages [1].
1.4. Les applications des matériaux
Les matériaux évoluent de nos jours beaucoup plus vite qu’à tout moment de leur histoire. Les pays industrialisés considèrent le développement de matériaux nouveaux ou meilleurs comme une technologie stratégique et porteuse ; susceptible de stimuler l’innovation dans tous les secteurs techniques, en permettant de concevoir de nouvelles structures, des supports, des moteurs, des systèmes électroniques ou optiques, des machines-outils, des équipements de stockage de l’énergie, et bien d’autres applications. De nombreux pays (en particulier les Etats-Unis, le Japon et l’Allemagne) ont mis sur pied des programmes, soutenus par les gouvernements, pour inciter au développement et
Page | 11 à l’usage de nouveaux matériaux [4]. Les effets de tels programmes se font actuellement sentir dans les bureaux d’étude en ce sens qu’ils ont déjà stimulé la conception de toute une gamme de produits nouveaux et innovants.
De la sorte, l’ingénieur a plus que jamais pour obligation de connaître les matériaux et leur potentiel. Pour cela, il doit comparer et évaluer avec précision les propriétés des matériaux concurrents. Une bonne décision nécessite la connaissance des propriétés de base des matériaux, et la façon dont elles sont apportées par le procédé de fabrication ; également les techniques de mise en forme, d’assemblage et de finition ; enfin la logique de raisonnement qui assure le bon choix [ibid.].
Lorsqu’un ingénieur conçoit un objet ou une structure, il a une large gamme de matériaux à sa disposition. Comment s’y prend-il pour choisir le matériau ou l’assemblage de matériaux le plus adapté à son objectif ? Les erreurs peuvent causer des désastres. De même, un bon choix est signe de pérennité.
Pendant la dernière guerre mondiale, un type de cargo à coque soudée connut des lourdes pertes, qui n’étaient pas dues aux attaques ennemies mais au fait que ces bâtiments se cassaient en deux en mer. L’accident était occasionné par une fissure qui courait le long des soudures et tout autour du navire parce que les matériaux soudés avaient une ténacité faible [3].
Un autre exemple, tous les tournevis ont une tige et une lame faites en métal : en acier à haute teneur en carbone. On emploie l’acier à cause de son module élevé.
Le module est caractéristique de la résistance du matériau à la déformation élastique, ici le fléchissement. Si la lame était faite d’un polymère comme le polyéthylène, elle se tordrait beaucoup trop. Cette propriété (le module) est un des critères de choix du matériau pour cette application ; mais ce n’est pas la seule. La lame doit avoir une limite d’élasticité élevée, sinon elle subit une flexion plastique irréversible lorsqu’on visse trop fort (cela peut se produire avec un mauvais tournevis). Et elle doit avoir une dureté élevée, sinon elle serait entaillée par le matériau constituant la tête des vis, et donc endommagée. En
Page | 12 outre, le matériau constitutif de la tige et de la lame doit non seulement résister à la torsion et à la flexion, mais aussi à la fissuration. Par exemple, le verre a un module, une limite d’élasticité, et une dureté élevés, mais il ne convient visiblement pas à cet usage en raison de sa fragilité. Plus précisément, sa ténacité est faible. Celle de l’acier est élevée, ce qui signifie qu’il cède, ou fléchit, avant de casser [ibid.].
Dernier exemple, si la cuillère en plastique que vous tournez dans votre thé se tord, ou si une flottille d’avion est consignée au sol parce que des fissures sont apparues dans l’empennage, c’est à cause de l’ingénieur d’études qui aura utilisé des matériaux inappropriés ou n’aura pas compris les propriétés des matériaux qu’il a employés [3]. Ainsi, il est primordial que l’ingénieur sache sélectionner les matériaux qui conviennent le mieux aux exigences économiques, esthétiques, de résistance et de longévité du produit qu’il conçoit. Il doit comprendre les propriétés des matériaux et leurs limites.
Intéressons à présent à une des classes des matériaux : les métaux 1.5. Les matériaux métalliques
1.5.1. Définitions
Selon la définition des dictionnaires classiques, un métal est un corps simple doué d’un état particulier, dit « métallique » ; il est bon conducteur de chaleur et d’électricité.
A cette définition littéraire, on doit ajouter, dans un contexte encore très général, qu’un métal, à l’état solide, est, à la fois :
cristallin et, surtout, polycristallin ;
apte à subir avant de se rompre ou de se fissurer, des changements de formes sous l’action d’efforts plus ou moins importants ; on dit qu’il est capable de subir une « déformation plastique ». Ce dernier caractère est
Page | 13 très important pour le mécanicien, car il lui évite généralement une rupture fragile, comme le ferait le verre ou le béton ;
en général soudable, c’est-à-dire qu’il permet de réaliser l’assemblage d’éléments à travers des opérations industrielles qui reconstituent la continuité métallique (par rétablissement des liaisons entre atomes) [41].
Les métaux utilisés dans l’industrie ne sont pas constitués de cristaux parfaits ; un certain nombre d’anomalies affectent leur réseau cristallin, anomalies qui, malgré l’appellation de « défauts », influencent très fortement, mais d’une manière bénéfique, leur comportement mécanique. Ces défauts peuvent être décrits ainsi [ibid.] :
un atome manque à l’emplacement d’un nœud du réseau, ce qui crée une lacune, laquelle provoque des distorsions du réseau dans son voisinage.
Les atomes proches vont alors se déplacer dans le vide créé pour rétablir un équilibre des forces de liaison.
un atome étranger occupe un nœud du réseau. Il s’agit d’une impureté, au sens chimique du terme, mais on dit ici qu’il s’agit d’un élément d’alliage, car cet atome est dissous dans le métal de base : on parle alors de solution de substitution. La présence d’un tel atome étranger provoque de légers déplacements des atomes environnants par rapport aux nœuds du réseau ; un atome étranger occupe un emplacement hors des nœuds du réseau.
C’est une impureté qui apparaît comme un élément d’alliage dissous ; il est dit « en solution solide d’insertion ». Son existence exige que l’atome soluté soit très petit, ce qui limite cette forme de solubilisation aux éléments d’hydrogène (H), d’oxygène (O), d’azote (N), de carbone (C) et de bore (B).
Pour le mécanicien, le niveau des performances mécaniques est le premier sujet d’intérêt. Nous reviendrons sur les différentes techniques pouvant augmenter les
Page | 14 performances des métaux. Intéressons-nous pour l’heure à un cas particulier et très prisé des matériaux métalliques en industrie : les aciers
1.5.2. Les aciers
1.5.2.1. Généralités
De tous les alliages métalliques, les aciers figurent parmi les plus couramment employés dans les applications industrielles. La grande diversité de leurs nuances et la possibilité de réaliser des traitements conditionnant les propriétés mécaniques de ces aciers permettent de couvrir une gamme d’applications extrêmement large. Leurs propriétés mécaniques sont étroitement liées à la microstructure de l’alliage, donc à sa composition et aux traitements thermiques appliqués. Enfin, leurs faibles coûts présentent un grand intérêt pour leurs utilisations [22].
1.5.2.2. Structure cristalline du fer
Le fer, élément constitutif principal des aciers et des fontes, est un métal dont la structure peut changer avec la température. A la température ambiante, la structure cristalline du fer correspond à la forme cubique centrée () dite (alpha) ou (fer alpha) [10]. Dans cet état, les atomes de fer occupent les sommets et le centre d’un cube (figure 1.1-a). Mais cette forme n’est stable que jusqu’à 912°, température à laquelle se produit une transformation allotropique qui fait passer la structure cristalline de la forme à la forme cubique à face centrées () dite (gamma) ou (fer gamma) [12]. Dans cet état, les atomes de fer occupent les sommets et les centres des faces d’un cube (figure 1.1-b). Cette forme est stable jusqu’à 1 394°, température à laquelle le fer reprend la structure cubique centrée sous la forme dite (delta) ou
Page | 15 (identique au ), état cristallin qu’il conserve jusqu’à sa fusion à 1 538° [22-42].
Figure 1.1 : structures des mailles cristallines [22]
Pour augmenter les performances mécaniques du fer (au voisinage de la température ambiante), il faut diminuer ses possibilités de déformation plastique [43] ; celles-ci dépendant de la mobilité des dislocations, il faudra alors installer des obstacles sur le parcours de ces dernières. Ces obstacles pourront être :
d’autres dislocations générées par écrouissage ou par trempe ; des atomes étrangers introduits en solution solide ;
des précipités ;
des joints de grain [ibid.].
1.5.2.3. Définition et microstructure d’un acier au carbone
On appelle acier un alliage de fer et de carbone dont la teneur en carbone est inférieure à 2% massique. Cette teneur limite vient de la limite de solubilité du carbone, à haute température, dans la phase cubique à faces centrées du fer, appelée austénite. D’autres éléments d’alliages sont généralement ajoutés à l’alliage fer-carbone (Fe-C) afin d’améliorer les caractéristiques mécaniques [22].
Page | 16 On entend par solubilité la quantité d’éléments d’alliage que l’on peut introduire en solution solide [20].
Dans la structure , le nombre d’atomes par maille est plus important : quatre atomes par maille contre deux pour la structure cubique centrée.
De plus, chacune de ces phases possède des sites interstitiels que seuls les atomes de faibles rayons peuvent occuper. Compte tenu du rayon des atomes métalliques, seul les atomes hydrogène (H), oxygène (O), azote (N), carbone (C) et bore (B) peuvent se placer en position interstitielle [22]. Les valeurs des rayons des sites octaédriques de chacune des phases, ainsi que les rayons atomiques de ces cinq éléments, sont présentés dans le tableau 1.1.
Tableau 1.1 : rayon des sites interstitiels octaédriques des deux phases du fer et des éléments pouvant occuper ces mêmes sites [22]
a) rayons des éléments atomiques b) rayons des sites
Dans les deux phases, l’occupation par un atome de carbone d’une position interstitielle crée une distorsion dissymétrique du réseau cristallin [30], le rayon atomique du carbone étant plus élevé que celui du site interstitiel qu’il occupe.
Néanmoins, dans le cas de la structure cubique centrée de la ferrite, les sites octaédriques sont de bien plus petites dimensions que dans la structure (0,019 ! contre 0,053 ! pour la structure (). Ainsi, le carbone ne
structure Rayon du site octaédrique (#$)
0.053
Page | 17 possède pas la même limite de solubilité dans les deux phases (tableau 1.2). Elle est plus élevée dans l’austénite [17].
Tableau 1.2 : Solubilité du carbone dans le fer [17]
∝
Figure 1.2 : diagramme de phases de l’alliage binaire Fe-C [17].
Page | 18 A la lecture du diagramme de la figure 1.2, il apparaît que pour une concentration précise de carbone dans l’acier, à savoir 0,77 % massique, le passage de la phase ( + * à la phase austénitique + se produit de manière isotherme. On parle d’une transformation eutectoïde. Les domaines de transformations traversés pour des teneurs inférieure et supérieure à 0,77% sont alors différents.
La convention suivante a été adoptée :
un acier de teneur en carbone égale à 0,77 % massique est appelé acier eutectoïde,
un acier de teneur inférieure à 0,77 %, est appelé acier hypoeutectoïde, un acier dont la teneur est supérieure à 0,77 % est qualifié d’acier hypereutectoïde [23].
Les transformations de phases à l’état solide peuvent principalement être gouvernées par deux modes différents, à savoir la diffusion ou un mouvement coordonné d’atomes, sans diffusion [14].
Dans le cas des aciers, au cours du refroidissement, la phase austénitique n’est plus stable. La vitesse de refroidissement modifie la nature des transformations de phase qui peuvent se produire :
− si la vitesse de refroidissement est faible, on se trouve dans un état proche de l’équilibre. La diffusion du carbone est alors possible. Le refroidissement de la phase austénitique va ainsi conduire à la formation d’un mélange ( + *.
− Si la vitesse de refroidissement est rapide, le carbone ne peut pas diffuser et se retrouve piégé dans la maille. Cette transformation est hors d’équilibre et conduit à la formation d’une phase métastable : la martensite.
− Pour des vitesses de refroidissement intermédiaire, les structures bainitiques sont observées [23].
Page | 19 Il existe une forte corrélation entre la structure d’une phase, ses propriétés mécaniques et sa teneur en carbone (tableau 1.3).
Tableau 1.3 : Ampleur des variations des performances mécaniques dans le cas d’un acier du type 34CrMo4 [43].
Acier 34CrMo4
Figure 1.3 : Variations approximatives de la dureté et de la résistance à la traction des aciers en fonction de leur teneur en carbone et de leur état
structural [42]
La structure martensitique est donc celle qui présente plus d’intéressantes performances mécaniques. Les transformations de refroidissement rapide sont
Page | 20 donc un moyen de développer toute une classe d’aciers qui de par leur structure martensitique vont proposer des propriétés mécaniques intéressantes.
1.5.2.5. Les différentes nuances d’aciers 1.5.2.5.1. Définitions
Un alliage est le métal obtenu en ajoutant à un métal pur d’autres éléments appelés éléments d’alliage. On peut citer comme exemple le laiton (Cu + Zn) et le monel (Ni + Cu) [6].
Les constituants d’un alliage sont les éléments chimiques qui le constituent [4] : dans le laiton, ce sont le cuivre et le zinc. Dans le monel, ce sont le cuivre et le nickel.
Un système d’alliages est constitué de l’ensemble des alliages obtenus à partir de même groupe de constituants. Le système Cu-Zn est le système de tous les alliages contenant le cuivre et le zinc en différentes proportions [ibid.].
En dehors de la variation du pourcentage de carbone, on peut modifier les caractéristiques mécaniques et aptitudes technologiques des aciers par l’addition d’autres éléments [19]. Dans ce mémoire, nous nous intéresserons aux éléments d’addition suivants :
le Chrome (,), le Cobalt (-) le Nickel (.) le Manganèse (/!) le Molybdène (/-) le Tungstène (0) et le Vanadium (1)
Leur influence individuelle et/ou synergique sera étudiée plus loin.
Page | 21 1.5.2.5.2. Les diverses nuances d’aciers
1.5.2.5.2.1. Les aciers utilisés à l’état ferrito-perlitique Les aciers utilisés à l’état ferrito-perlitique sont des alliages fer/carbone hypoeutectoïdes ne contenant généralement pas d’éléments d’alliage (à l’exception des additions nécessaires à l’élaboration ; Mn ≤1,65%, Si ≤ 0.5%
éventuellement Al≤ 0,1%) [42]. Leur état structural ne confère pas à ces aciers une résistance mécanique élevée, mais il leur donne une grande plasticité assurant une bonne sécurité d’emploi et facilitant le soudage. Parmi ces aciers, on trouve :
les aciers de construction métallique : ces aciers contiennent souvent du manganèse (teneur inférieure à 1,7% environ) et parfois des micro-additions du niobium (0,05%) et/ou du vanadium (moins de 0,15%) [42].
Les aciers pour appareils à pression : ces aciers doivent satisfaire à des exigences particulières relatives à leur résistance à la rupture fragile
Les aciers pour appareils à pression : ces aciers doivent satisfaire à des exigences particulières relatives à leur résistance à la rupture fragile