CH C H AP A P IT I TR RE E I II I : : M Mé ét th ho o do d ol lo og gi ie e d de e c co on n st s tr ru uc ct t io i on n
IIII..11 GGéénnéérraalliitétéss
Toutes les méthodes de construction présentent les mêmes étapes pour la réalisation d’une machine, d’un appareil ou d’un dispositif. Les étapes sont : conception, projection, calculs et dessins.
Il existe trois types de constructions qui sont :
LLaa nonouuvveellllee coconnssttrruuccttiioonn : c’est élaborer un nouveau principe de solution pour un système (machine, appareil ou dispositif, soit pour un même problème, soit pour un problème changé ou nouveau.
LLaa coconnssttrruuccttiioonn adadaappttaattiivvee : c’est adopter un système connu (le principe de solution reste le même) pour un problème changé pour dépasser des nouvelles limites par exemple.
LLaa coconnssttrruuccttiioonn dede vavarriiaanntteess : c’est faire varier les grandeurs et/ou l’arrangement à l’intérieur des limites de systèmes établis. Les fonctions et le principe de solution restent les mêmes.
Pour des raisons de simplification on va convenir d’appeler système mécanique tout ce qui peut être machine, mécanisme, appareil, dispositif ou installation. L’objectif de la construction d’un système est la transformation d’une grandeur. Cette grandeur peut être une énergie, un matériau, un signal.
IIII..22 PPrroocceessssuuss ddee ccoonnssttruruccttiionon
La construction comporte les phases suivantes :
1- Exposé du problème.
2- Conception 3- Projection.
4- Calculs et dessins.
IIII..33 DDééffiininittiioonnss I
III..33..11 CoConncceeppttiioonn :: la conception est une partie de la construction, qui vient après l’exposé du problème.
Grâce à une abstraction, à un établissement de structures fonctionnelles et à une recherche de principes appropriés de solution et leurs combinaisons, la conception fixe la démarche menant à la solution optimale.
IIII..33..22 PPrroojjeeccttiioonn : la projection est une étape de construction qui s’occupe de la configuration sur la base des aspects technico-économique et autres, de telle sorte que le passage de la phase des calculs à la fabrication soit rendu sans équivoque.
IIII..44 LLEESS MMAATTEERRIIAAUUXX
IIII..44..11 IIddeennttiifficicaattiionon ddeess mmaattéérriiaauuxx
Toute matière entrant dans une construction devient uunn mmaattéérriiaauu.
Les matériaux sont à llaa ssoouurrccee dede lala tetecchhnnoollooggiiee et du monde industriel. La réussite technique et le succès commercial d’un produit fabriqué dépendent en grand partie du ou des matériaux choisis.
Sélectionner un matériau n’est généralement pas une opération simple compte tenu de la grande variété proposée. Le choix dépend autant du prix que des quantités propres du matériau et du procédé de fabrication retenu pour la réalisation.
Il existe des matériaux nanattuurreellss : Le bois, la pierre, l’argile… ces matériaux furent lleess prpreemmiieerrss à être utilisés par l’homme.
Le progrès technique a permis de produire des mmaattéérriiaauuxx ééllaabboorrééss :
D’extraire des métaux à partir de minerai
De les mélanger pour fabriquer des alliages
De mettre au point des matières plastiques synthétiques à partir d’éléments naturels comme le charbon, le pétrole, le bois ou le gaz naturel.
De concevoir des matériaux composites de plus en plus utilisés dans les industries du transport.
RReemmaarrqquuee ::
Par extension le nom de métal est attribué à tous les alliages de métaux purs que nous utilisons communément.
Ci-dessous, les principales familles de matériaux :
Matériau x
Métalliques Polymères Céramiques Composites
Ferreux Non
Ferreux
Aluminium Cuivre Magnésium Zinc Titane ….
(et alliage) Fer
Aciers Fontes
Naturels Synthétiques
Thermoplasti- ques Thermodurci- ssables Élastomères Bois
Laine Coton Soie Caoutcho- uc
Usuelles Techniques Structurales (Mécanique) Fonctionnelle (Électricité et électronique) Porcelaine
Terre-cuite Plâtre Gypse Verre Ciment Réfractaire s
Abrasifs
….
A matrice polymère A matrice métallique A matrice céramique ou minérale
IIII..44..22 LLEESS AALLLLIIAAGGEESS FFEERRRREEUUXX
LES ACIERS - Définition : Un acier est constitué de carbone (au moins de 1%) et de fer.
a)- Acier d’usage général :
La désignation commence par la lettre S. Le nombre qui suit indique la valeur de la limite d’élasticité ( Re min ) en Mpa.
Exemples: S185, S235, S275, S355
S’il s’agit d’un acier moulé, la désignation est précédée de la lettre G.
Exemple: GS185
EEmmppllooiiss: Constructions mécaniques et métalliques assemblées ou soudées. Ces aciers ne doivent pas subir de traitement thermique.
b)- Acier de construction mécanique :
La désignation commence par la lettre E . Le nombre qui suit indique la valeur de la limite d’élasticité ( Re min ) en Mpa.
Exemples: E295 E335 E360
S’il s’agit d’un acier moulé, la désignation est précédée de la lettre G.
Exemple: GE295 E
Emmppllooiiss: Constructions mécaniques et métalliques assemblées ou soudées. Ces aciers ne doivent pas subir de traitement thermique.
c)- Acier non allies :
La désignation commence par la lettre C. Le nombre qui suit indique le pourcentage de la teneur moyenne en carbone multiplié par 100.
Exemples: C22 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C55 C60 C22---> 0,22% de carbone
S’il s’agit d’un acier moulé, la désignation est précédée de la lettre G.
Exemple: GC35
EEmmppllooiiss: Constructions mécaniques.
Ces aciers conviennent aux traitements thermiques et au forgeage.
d)- Acier faiblement allies :
Teneur de chaque élément d’alliage inférieur à 5%.
La désignation comprend dans l’ordre :
- Un nombre entier égal à 100 fois le pourcentage de la teneur en carbone.
- Un ou plusieurs groupes de lettres qui sont les symboles chimiques des éléments d’alliage rangés dans l’ordre des teneurs décroissantes.
- Un ou plusieurs nombres, rangés dans le même ordre que les éléments d’alliage, indiquant le pourcentage de la teneur de chaque élément.
Ces teneurs sont multipliées par un coefficient différent suivant les éléments d’alliage.
EExxeemmppllee : 4422 CCrr MMoo 44
0,42% de carbone, 1% de Chrome, moins de 1% de Molybdène.
ee))-- AAcciieerrss ffoorrtteemmeenntt aalllliieess ::
Teneur d’au moins un élément d’alliage supérieure ou égale à 5%.
La désignation commence par la lettre X, suivie de la même désignation que celle des aciers faiblement alliés, à l’exception des valeurs des teneurs des éléments d’alliage qui sont les pourcentages réels.
Exemple : X 20 Cr Ni 19-11
0,20% de carbone, 19% de Chrome, 11% de Nickel IIII..44..33 LLEESS FFOONNTTEESS ((FFeerr ddee 11,,6677 àà 44,,22 %% ddee CCaarrbboonnee))
Les fontes sont également des alliages de fer et de carbone. Elles ont une excellente coulabilité. Elles permettent donc d'obtenir des pièces de fonderie (pièces moulées) aux formes complexes. Elles sont assez fragiles (cassantes), difficilement soudables, et ont une bonne usinabilité.
11-- LLeess ffoonntteess àà GGrraapphhiittee LLaammeellllaaiirree..
Les fontes grises sont les plus couramment utilisées parce qu'elles : - sont économiques.
- amortissent bien les vibrations.
- ont une bonne coulabilité et usinabilité.
- sont peu oxydables.
- ont une bonne résistance à l'usure par frottement.
- résistent bien aux sollicitations de compression.
UUttiilliissaattiioonn : Carters, bâtis, blocs moteur, pièces aux formes complexes …
DDééssiiggnnaattiioonn : Après le préfixe EN, les fontes sont désignées par le symbole GJL suivi de la valeur en méga pascals de la résistance minimale à la rupture par extension.
EExxeemmppllee : EN-GJL-300 --- EN : Norme européenne Fonte à Graphite Lamellaire Re mini = 300MPa
Cette désignation est symbolique, la correspondance numérique dans la nouvelle norme est : EN-JL-1050.
22-- LLeess ffoonntteess mmaallllééaabblleess àà GGrraapphhiittee SSpphhéérrooïïddaall
Les fontes à graphite sphéroïdal sont obtenues par adjonction d'une faible quantité de magnésium avant moulage. Elles sont plus légères et ont une meilleure résistance mécanique que les fontes grises, dont elles gardent les mêmes propriétés.
U
Uttiilliissaattiioonn : Etriers de freins, culbuteur, vilebrequin, tuyauteries soumises à hautes pressions….
D
Dééssiiggnnaattiioonn : Après le préfixe EN, les fontes sont désignées par le symbole (GJMW, GJMB, GJS) suivi de la valeur en méga pascals de la résistance minimale à la rupture par extension et du pourcentage de l’allongement après rupture.
EExxeemmppllee : EN-GJS-400-18 --- EN : Norme européenne
Fonte à Graphite Sphéroïdale Re mini = 400MPa
A% = 18
Cette désignation est symbolique, la correspondance numérique dans la nouvelle norme est : EN-JS-1020.
IIII..55 LLEESS AALLLLIIAAGGEESS NNOONN FFEERRRREEUUXX..
Aluminium et ses alliages : L'aluminium est obtenu à partir d'un minerai appelé bauxite. Il est léger (densité = 2,7), bon conducteur d'électricité et de chaleur. Sa résistance mécanique est faible, il est ductile et facilement usinable. Il est très résistant à la corrosion.
Utilisation : aéronautique du fait de leur légèreté
Désignation : La désignation utilise un code numérique. Il peut éventuellement être suivi par une désignation utilisant les symboles chimiques.
Exemple : EN-AW-2017 (Al Cu 4 Mg Si) Alliage d’Aluminium
4 % de Cuivre
Magnésium et du Silicium (moins de 4 %)
Cuivre et ses alliages : Il existe de très nombreux alliages de cuivre dont les plus connus sont : les bronzes, les laitons, les cupro-aluminiums, les cupronickels et les maillechorts.
LLeess lalaiittoonnss: Les laitons sont faciles à usiner et ont une bonne résistance à la corrosion. Ils peuvent être moulés ou forgés. Ils sont utilisés pour les pièces décolletées, tubes,...
LLeess bbrroonnzzeess: Les bronzes ont une bonne résistance à la corrosion, un faible coefficient de frottement et sont faciles à mouler. Ils sont utilisés pour réaliser, entre autres, les coussinets et bagues de frottement.
D
Dééssiiggnnaattiioonn : La désignation utilise un code numérique. Il peut éventuellement être suivi par une désignation utilisant les symboles chimiques.
Symbole de l’élément de base CU + élément d’addition 1 + % de l’élément d’addition 1 + élément d’addition 2 + % de l’élément d’addition 2 +...
Exemple : CW612N (CU Zn 36 Pb 3) Alliage de Cuivre 36 % de Zinc 3 % de Plomb
IIII..55..11 LLEESS PPOOLLYYMMEERREESS OOUU MMAATTIIEERREESS PPLLAASSTTIIQQUUEESS..
Un plastique est un mélange dont le constituant de base est une résine ou polymère, à laquelle on associe des adjuvants (plastifiants, anti-oxydants…) et des additifs (colorants, ignifugeants).
11-- LLeess ththeerrmmooppllaassttiiqquueess :: Très nombreux, ils sont les plus utilisés. Ils ramollissent et se déforment à la chaleur. Ils peuvent en théorie, être refondus et remis en œuvre un grand nombre de fois (comportement thermique comparable aux métaux).
EExxeemmpplleess : ABS, PMMA, PTFE, PP
22-- LLeess tthheerrmmoodduurrcciissssaabblleess :: Ils ne ramollissent pas et ne se déforment pas sous l’action de la chaleur. Une fois créés, il n’est plus possible de les remodeler par chauffage.
Examples: EP (araldite), UP (polyester).
33-- LLeess élélaassttoommèèrreess ouou « « cacaoouuttcchhoouuccss » » :: On peut les considérer comme une famille supplémentaire de polymères aux propriétés très particulières. Ils sont caractérisés par une très grande élasticité.
IIII..55..22 LLeess mmaattéérriiaauuxx ccoommppoossiitteess
Composés d’un matériau de base (matrice ou liant : polymère, céramique ou métal) renforcés par des fibres ou agrégats, d’un autres matériau afin de combiner au mieux les avantages des deux. Les deux corps, de structure différentes, ne se mélangent pas (structure hétérogène) ou contraire d’un alliage (structure homogène).
EExxeemmppllee ffaammiilliieerrss : Béton armé (béton + armature acier), pneumatique (élastomère + toile + fils d’acier), équipement sportifs (raquettes, ski).
CCoommppoossiitteess àà mmaattrriicceess ppoollyymmèèrreess :: En renfort, la fibre de verre, la plus économique, est la plus utilisée. La fibre de carbone, plus couteuse, est utilisée dans des applications plus pointes : équipements sportifs de haut niveau, aéronautiques… les fibres organiques comme les aramides sont un compromis entre les deux.
I
III..55..33 LLeess ccéérraammiiqquueess ::
Ni métallique, ni polymère, ce sont les matières premières les plus abondantes de la croûte terrestre et les matériaux les plus anciens utilisés par l’homme. Elles sont très dures, très rigides, résistent à la chaleur, à l’usure et aux agents chimiques et à la corrosion. Principal inconvénient : la fragilité.
Il existe deux types de céramiques :
LLeess ccéérraammiiqquueess ttrraaddiittiioonnnneelllleess : Ciments, plâtres, produits à base d’argile (terres cuites, faïence...) et les produits à bas de silice (verre, cristal…).
LLeess ccéérraammiiqquueess tteecchhnniiqquueess :: Plus récentes, elles sont ::
- Soit fonctionnelles, à « ususaaggee éélleeccttrriiqquuee ». Exemples : supraconducteurs, semi-conducteurs, matériaux isolants, matériaux piézoélectriques.
- Soit structurales, à « uussaaggee méméccaanniiqquuee ouou ththeerrmmoommééccaanniiqquuee ». Exemples : Blindages, optique (silicium pour fibres optique), écrans thermiques, matériaux résistants à l’usure, outils de coupe (carbure), composants pour moteurs.
IIII..66 CCaarraaccttéérriissttiiqquueess ddeess mmaattérériiauauxx
La définition compète d’un organe de machine exige la détermination de sa forme, de ses dimensions et de sa matière.
Le choix d’un matériau dépend de plusieurs critères :
- Caractéristiques mécaniques : limite élastique, masse, dureté, résilience…
Pour étudier les caractéristiques mécaniques des matériaux, on réalise des essais.
- Essai de fatigue : consiste à appliquer à un matériau une sollicitation proche de celle qu’elle subira en service et à comptabiliser le nombre de cycles jusqu’à la rupture de la pièce.
- Essai de dureté : consiste à déformer la surface d’une pièce par application d’un effort connu.
Dureté Brinel (sphère), dureté Vickers, Rockwell (cône).
- Essai de choc : mesure la résistance au choc ou résilience.
- Essai de traction : consiste à "tirer" sur une éprouvette de longueur et de diamètre normalisés fabriquée dans le matériau à tester, jusqu’à sa rupture.
L’essai de traction est donc un essai destructif. Durant cet essai, on enregistre la courbe (graphique ci-dessous) donnant, en fonction de l’allongement de l’éprouvette, l’intensité ave laquelle on "tire".
- Caractéristiques physico-chimiques : ce sont les caractéristiques physiques et chimiques des matériaux utilisées qui permettent aux objets techniques de résister aux sollicitations de leur milieu ambiant (comportement à la corrosion, vieillissement…)
- Caractéristiques de mise en oeuvre : usinabilité, soudabilité, trempabilité…
- Caractéristiques économiques : prix, disponibilité, expérience industrielle…
Zone OA : DOMAINE ELASTIQUE : C’est une zone linéaire : la charge est
proportionnelle à l’allongement de l’éprouvette.
Zone AD : DOMAINE
PLASTIQUE
Si on supprime la charge, les déformations sont permanentes.
Zone AB : ZONE DE GRAND
GLISSEMENT
Zone CD : STRICTION Forte diminution de la section jusqu’à rupture.
