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ALLIAGES Examen Propedeutique 30 juin 2010

Instructions: repondre au propre sur ces feuilles, apres avoir ecrit votre nom ci-dessous. Si besoin, vous pouvez ajouter des feuilles supplementaires en prenant soin d'indiquer votre nom et le numero de Ia question sur chaque feuille supplementaire. Le pourcentage indique en fin d'enonce de chaque question indique le pourcentage alloue

a

cette question dans Ia note finale.

Aucun document autre que l'enonce qui suit ne peut etre consulte pendant l'examen. La reponse

a

l'examen est individuelle, et composee sans consultation avec autrui. Duree totale de I' examen: lh30.

Votre Nom: ---

Votre section (cocher Ia case):

D ^{Materiaux ou} D ^Mecanique

1 - Vous trouverez en page suivante le diagramme dit d'EIIingham

a - Quel est, par definition, le changement d~energie libre "f1G^0" reporte en ordonnee de ce diagramme ?

3%

b- A quoi ce diagramme sert-il (donnez deux emplois possibles)? 3%

June 21, 2010 1

Changtts of Sea to Element Ozltle

MttltingPalnt M ~

Bolling Point

^{6 mJ}

Svbllmation P~. S IS)

r-t-i--t-t-1--r-t-1-1r-t-i-lr-t-t-~T~~ns~ft~~~"~P~t~- l_~T~~m~r-

-3oo -Jo

0 ZOO <fOO 600 GOO 1000 1200 l'fOO 1600 1000 1100 1"f00

t--.VI

-Absolute Zero Temp~rat·ur~ "C to~ 10!¥"

caro..RaUo

Diagramme d'EIIingham

t'o ^ID-'

trr?

.{' 10_,

/

d - Quels etaient les sept metaux connus et utilises comme tels sous l'empire romain (notez que d'autres elements metalliques etaient utilises, mais pas isoles ou identifies comme tels, comme !'arsenic ou le zinc)?

3%

e - Pourquoi !'aluminium n'etait-il pas connu pendant l'antiquite, malgre son abondance et son faible point de fusion ?

2%

f - Pouvez-vous expliquer pourquoi !'invention de Ia dynamo en 1870 s'est averee importante pour !'apparition de !'aluminium comme metal d'importance technique?

2%

g - Vous trouverez ci-dessous des images d'objets en aluminium datant du milieu du XIXe siecle (du site http://archeosciences.revues.org/index560.html).

Pourquoi sont-ce des objets de luxe ? 2%

Objets en aluminium: Gauche: bracelet {1858, coli. Arts decos, diam. 13,5 em,

©C2RMF) et coffret

a

bijoux {1860, col/. Arts decos, larg. 30 em, ©C2RMF), Droite:

Aigle Napoleon Ill (1861, coli. Armee, haut. 34 em, ©Musee de I'Armee).

June 21, 2010 3

h - Pouvez-vous expliquer pourquoi Ia production

a

faible coOt de !'aluminium a engendre Ia production

a

faible coOt du chrome et du manganese ?

3%

2 - L'equation de Scheil s'ecrit, pour un systeme binaire dont le liquidus et le solidus sont des lignes droites:

Cs = kCt_ = k Co (1-f₅)k·¹= k C₀ (fL)k·¹

ou

f5 =fraction (massique) de phase solide formee lors de Ia solidification

fL =fraction (massique) de phase liquide encore presente lors de Ia solidification CL = composition du liquide

a

ce moment en cours de solidification

Cs = composition du solide en contact avec le liquide

a

ce moment en cours de solidification

k =rapport de Ia composition du solidus divisee par celle du liquidus (donne par le diagramme de phase; notez que si le liquidus et le solidus sont des lignes droites, k est constant): k = Cs I CL

Co = composition moyenne de l'alliage.

Ci-dessous (page suivante) vous trouverez le diagramme de phase AI-Cu, pour Ia partie riche en aluminium.

~

u 0

w a:

:::>

...

<t a: w

0.. ~ 500 w ...

400

ATOMIC PERCENT COPPER 10

15 20 25 30 35 40 45 ~0

WEIGHT PERCENT COPPER

a - Calculez k tel qu'il est donne pour ce diagramme de phase (vous constaterez que les liquidus et solidus sont des lignes droites, faisant que k est constant).

2%

b- Calculez, pour un alliage de AI-4.5%Cu (massique) Ia fraction (massique) de liquide quand l'alliage atteint Ia temperature eutectique (de 548°C).

5%

June 21, 2010 5

c - Supposez maintenant que l'alliage en question soit presse sur un filtre, ou centrifuge, au moment ou le liquide a juste atteint Ia composition eutectique, avant que l'eutectique ne commence a solidifier, de fagon a en expulser toutle liquide present a ce moment.

Pouvez-vous calculer Ia composition moyenne de l'alliage solide restant?

10%

d - Vous noterez que vous avez purifie l'alliage, dans le sens ou Ia teneur en cuivre de Ia partie restante a baisse. Recommencez maintenant toute

!'operation sur cet alliage: quelle est sa composition apres un second cycle de fonte, solidification jusqu'a obtenir un liquide de composition eutectique et pressage pour extraire ce liquide ?

4%

e - Vous noterez que vous avez maintenant reduit encore davantage Ia concentration en cuivre de l'alliage. Discutez du potentiel de ce procede de

"purification par solidification partielle" dans le contexte du recyclage des

metaux et alliages.

3%

3 - Le texte suivant est extrait du quotidien "Le Monde", date du 17 juin 2010:

"Apres dix-huit mois d'etudes, Bruxelles va publier, jeudi 17 juin, une liste de 14

metaux ou families de "metaux critiques" importants pour l'economie de I'Union Europeenne et dont l'approvisionnement pourrait subir l'impact de tensions politiques ou de penuries".

Parmi ces metaux on compte les suivants:

Tungstene Magnesium Niobium

Pouvez-vous donner pour chacun de ces metaux un type d'alliage vu en cours dans lequel il est un ingredient important?

3%

June 21, 2010 7

4 - Les deux micrographies ci-dessous proviennent de fontes.

a - Decrivez pour chacune de ces deux microstructures -le type de fonte,

- les phases en presence, en indiquant ou on les voit sur les micrographies (utilisez des mots; pour certaines phases fines des fleches ne seraient pas assez precises).

(les photos sont du site web http://www.msm.cam.ac.uk/phase- trans/abstracts/lectures.html )

6%

b - De ces deux alliages, lequel sera -le plus dur

-le plus ductile ?

Uustifiez votre reponse; une reponse non justifiee ne recevra pas de credit)

5 - Voici le diagramme TIT d'un acier dont Ia composition est notee ci- dessous.

c

4330 Mod. (Si + V) Steel

Composition: 0.34% C - 0.98% Mn - 1.37% Si - 0.015% P - 0.005% S - 1.82% Ni - 0.95% Cr - 0.42% Mo - 0.14% V Grain size: 4 Austenitized at 900°0 (1650°F)

F I I Ill I I Ifill I T r 1111 I I IT II n 1111 Tl

1- A

01-- 1- _At3 1 - -1 - -1 - -·- ·-

-

^{1 -1- - ,___ 1- f . - -}

·-

·- -

A _~ ~

1-_f- r-

"•

^{1--1-- -} 1-- 1-- 1--- ·- ·- P"" ^{- f:::._ f . - -}

(:.f _~

^t::-~

0 I' ^F+C

" ^'

IIIII

-

1- :_

-

~

\ _r-...

1- ...

~ r--...tyc -

A

-...

_~

_...

0

1- -

...-

1-

1/

^A+F+C

(

^{~ f+C -}

'

1- 1-- Ms-

·-

·-

-

^{1--~ f . - -}- - ^~-

·- ·- -

^{1- f.- 1 - -}·-

-

_...

-

,. ._,. ..

200 - 400

1-

-

18

28 35

-

^lllllo

% ,

I*

~5

I I fill I ITtil I I Ill II II I I I I s

0.5 I 2 5 10 10³

nme, seconds

to' 10¹

a- Vous constaterez qu'il n'est pas fortement allie:

a

votre avis quels sont les facteurs qui font que sa trempabilite est comparativement bonne ?

3%

June 21, 2010 9

b - Comment feriez-vous pour produire, au sein de cet alliage, une structure constituee

a

^100% de bainite inferieure (bainite fine formee vers le bas du domaine de formation de Ia bainite) ?

2~~

c - Est-il possible de deformer cet alliage

a

l'etat 100% austenique en dessous des temperatures ou celle-ci est stable ?

2%

I

l

6 - Le diagramme de phase Cuivre-aluminium, vu du cote riche en cuivre, est donne ci-dessous:

5

I J -....JOB4.5'

o c

1100

19SO•F

1050

1900•F

·- ,_

1000 .-

1800'F ,_

'----

950

1700'F ,_

900

,_

1600•F

850

·-

-

1500•F 1450'F 800 ·-

750 .-

1350•f ·-

700

1250'F

650

-

10

I

r---

(Cu)

Atomic percentage aluminum

15 20 25 30 35

I I I I I

I

^1049'

~~.3-....

7.4 ho3 619.0

f~ ix ^{~ ·}

~·

!st ~ ~964" ~

₆₄

I

^15. 4 y17

\

f3 ^1/

^v

^874'

I 7

I _~ ^v

1\

I

\

^13.6

t

^{,786'1 'ls.6}

\ I

\ I

40 45 50

J

L

~

l~ ""'

""

\ El

~

-~ 1\

\ \-- ^--- _~

1 \

\ ^\

1 / 1\ 1\

\ ^"

^626'

1150'F

600

10SO•F

!OOO•550 F

500

900•f

450

800'F

400

- -

-

- -

- - -

-

.I

9.4

~

11.8 565'

: , 11.2 363' v

y2 8

Ey

""

590•

~

A:>c-:~ ^{~~ ~}

15.6 _~-

---

^{~J,s} ~2}

700•f

350 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

Pourcentage Massique en Aluminium

(l'echelle du haut donne le pourcentage atomique correspondant) On y voit plusieurs phases:

-Ia phase a, cubique faces centrees, ductile et apte

a

^Ia mise en forme

a

^froid;

- Ia phase~. cubique centree et deformable

a

temperature elevee; - Ia phase y2, cubique, dure et fragile;

-Ia phase y, formee par transformation peritectique

a

363°C, laquelle n'apparait que tres lentement, faisant qu'en pratique on ne Ia voit pour ainsi dire jamais;

ignorez-la done dans ce qui suit.

De plus, il existe dans ce systeme une phase martensitique metastable,

W.

^dure

et fragile, qui apparait Iars d'une trempe suffisamment rapide de Ia phase ~

(dans ce qui suit, une telle trempe sera simplement designee par les mots

"trempe rapide"). Cette phase etant metastable, si on Ia rechauffe pendant un

temps suffisant, elle se decompose.

June 21, 2010 11

(notez que d'autres phase existent encore, telles les variantes ordonnees de ~

ou

W .

^{~1 et ~1} respectivement-que nous ignorerons dans ce qui suit)

a- La vitesse de diffusion de !'aluminium dans le cuivre pendant Ia solidification est lente, faisant qu'on observe Ia segregation mineure dans ces alliages.

Quelle est Ia microstructure d'un alliage Cu-5%AI

a

l'etat brut de solidification, et quelle y est Ia concentration minimum d'aluminium (vous pouvez faire un sketch)?

3%

b - Quelle est Ia microstructure d'un alliage Cu-5%AI apres solidification, homogeneisation et mise en forme

a

froid par laminage (reduction d'epaisseur de 50%) (vous pouvez faire un sketch) ?

2%

j - Quelle et Ia microstructure d'un alliage de Cu-1 O%AI apres une homogemeisation a 900°C suivie d'un refroidissement lent jusqu'a 700°C suivi d'une trempe rapide?

3%

k - Quelle et Ia microstructure d'un alliage de Cu-10%AI apres une homogeneisation a 900°C suivie d'une trempe rapide?

3%

I - Ce systeme est en fait assez analogue aux acierso ^{0 0} pouvez-vous donner les correspondances entre les phases pour les deux systemes ?

3%

ferrite (dans les aciers) =

(dans les bronzes a !'aluminium) austenite (dans les aciers)

= ________ _ _ ____ _

(dans les bronzes a !'aluminium)

0 cementite (dans les aciers) = - - - - (dans les bronzes a !'aluminium) perlite (dans les aciers) =

(dans les bronzes a !'aluminium) martensite (dans les aciers) = _ _ _ _ _ __ _ _ __ _ _ _ _

(dans les bronzes a !'aluminium)

June 21, 2010 14

d - On trouve aussi un tel point dans le diagramme de phase Fe-C: pouvez- vous donner sa composition et sa temperature, les trois phases en presence, et le nom de Ia structure qui y est formee lors d'un refroidissement lent?

4%

e - Par analogie avec les aciers, quelle est Ia microstructure d'un alliage Cu- 11.8%AI apres une homogeneisation

a

900°C suivie d'un refroidissement lent?

3%

f - Et celle du meme alliage apres une homogeneisation

a

900°C suivie d'une trempe rapide ?

3%

g-Et celle du meme alliage apres une homogeneisation

a

^900°C suivie d'une trempe rapide puis d'un revenu

a

^{500°C ?}

4%

h - Quelle et Ia microstructure d'un alii age de Cu-1 O%AI apres une homogemeisation

a

900°C suivie d'un refroidissement lent?

4%