Propriétés et procédés des matériaux métalliques : acier, coulée et métallurgie

Résumé

Ce document présente les notions de base sur l'acier et la coulée, puis un glossaire des propriétés et phénomènes métallurgiques (fluage, vieillissement, inoculation, fatigue, résilience) ainsi que des concepts thermodynamiques et structurels (phases, diffusion, allotropie, dendrites). Il se termine par un tableau des températures critiques de transformation de l'acier, utile pour comprendre les traitements thermiques.

Points clés

L'acier est un alliage de fer et de carbone, avec un taux de carbone ne dépassant pas 2,1 % en poids.
La coulée consiste à verser du métal fondu dans un moule puis à le laisser se solidifier.
La limite d'élasticité est la charge à partir de laquelle la déformation devient permanente.
L'inoculation ajoute au métal liquide des germes de cristallisation pour affiner le grain.
Le bronze est un alliage de cuivre contenant entre 3 % et 20 % d'étain.
La fatigue est la rupture due à des charges répétées inférieures à la limite de rupture.
Ac1 vaut 723 ºC et Ac3 varie de 723 ºC à 910 ºC selon la teneur en carbone.

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Qu'est-ce que l'acier et la coulée ?

L'acier est un alliage de fer et de carbone, où le carbone ne dépasse pas 2,1 % en poids, avec des taux généralement compris entre 0,2 % et 0,3 %. La coulée est le processus de fabrication consistant à verser du métal fondu dans un moule pour lui donner la forme souhaitée, puis à le laisser se solidifier. Les classes incluent : la fonte blanche, la fonte grise, le fer malléable et le fer ductile.

Propriétés et phénomènes métallurgiques

Creep (Fluage) : Lorsqu'un matériau est soumis à des efforts extérieurs, il existe une relation linéaire entre contraintes et déformations jusqu'à une zone d'influence où les déformations deviennent irréversibles. La limite d'élasticité est la valeur de charge à partir de laquelle la déformation est permanente.
Vieillissement : Processus consistant à maintenir des pièces moulées à une certaine température pour augmenter la stabilité dimensionnelle ou améliorer les propriétés mécaniques. Ce phénomène est aussi appelé maturation.
Inoculation : Ajout au métal liquide de produits agissant comme germes de cristallisation pour affiner le grain.
Fonte : Premier produit obtenu dans le haut fourneau à partir de minerais de fer.
Bronze : Alliage à base de cuivre avec 3 % à 20 % d'étain.

Concepts thermodynamiques et structurels

Système : Ensemble de substances isolées de l'environnement extérieur.
Phases : Partie d'un système ayant des propriétés physiques distinctes.
Composante : Substances simples ou composées formant le système.
Frittage : Agglomération de fines particules par pression et chauffage en dessous de la température de fusion.
Réaction péritectique : Mélange d'un liquide et d'un solide créant un nouveau solide.
Ségrégations : Hétérogénéités chimiques apparaissant lors de la solidification.
Allotropie : Capacité d'un corps à exister sous plusieurs formes cristallines.
Diffusion : Déplacement des atomes dans le réseau cristallin.
Bainite : Mélange de ferrite et de cémentite issu de la transformation isotherme de l'austénite.
Résilience : Énergie absorbée par un matériau lors d'une rupture par impact.
Steadite : Type de constituant eutectique dur et cassant présent dans la fonte grise.
Anisotropie : Propriété de la matière où les caractéristiques physiques varient selon la direction.
Soufflures : Cavités causées par des gaz dissous piégés lors de la solidification.
Carburation : Action du carbone sur le fer pour fabriquer de l'acier.
Graphite : Composé de Fe et C cristallisant dans le système hexagonal, très doux et cassant.
Fatigue : Fracture du matériau sous l'effet de charges répétées inférieures à la limite de rupture.
Dendrites : Formes de type arbre se développant lors de la solidification d'un métal pur.
Raffinage des grains : Transformation visant à réduire la taille des grains.
Composites : Matériaux hybrides intégrant deux ou plusieurs composants aux propriétés différentes.
Affinité chimique : Énergie échangée lorsqu'un atome neutre reçoit un électron pour devenir un ion.
Recristallisation : Processus de formation d'une nouvelle structure de grain exempte de distorsion par chauffage.
Croissance des grains : Augmentation de la taille des grains au-delà de la température de recristallisation.

Températures critiques de transformation

Ac0 : 210 ºC (échange magnétique)
Ac1 : 723 ºC (perlite)
Ac2 : 768 ºC (échange magnétique de la ferrite)
Ac3 : 723 ºC à 910 ºC (limite de la ferrite)
Ac4 : 1492 ºC (limite supérieure de l'austénite)

Questions fréquentes

Qu'est-ce que l'acier ?

L'acier est un alliage de fer et de carbone, dont la teneur en carbone ne dépasse pas 2,1 % en poids, généralement entre 0,2 % et 0,3 %.

Qu'est-ce que la fatigue d'un matériau ?

La fatigue est la fracture d'un matériau sous l'effet de charges répétées, même inférieures à sa limite de rupture.

Qu'est-ce que le vieillissement d'une pièce moulée ?

Le vieillissement consiste à maintenir la pièce à une certaine température pour augmenter sa stabilité dimensionnelle ou améliorer ses propriétés mécaniques. On l'appelle aussi maturation.