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Chapitre 4 – Les alliages•Solutions
–Thermodynamique des solutions–Propriétés des solutions
•Composés intermétalliques–Thermodynamique–Propriétés
•Quelques exemples type
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Application
1. Les alliages fer-carbone2. Les alliages d’aluminium
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Le fer pur
Le réseau dépend de T
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Le fer pur
• Le réseau dépend enfin de P
• A haute pression on évolue vers des réseaux plus compact.
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Le fer pur
• États allotropiques : - α(cc)- γ(cfc)- δ (cc)- ε(hc)
• Solubilité limitée du carbone, avec rejet :- de graphite- de cémentite
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Les diagrammes fer - carbone
D
N
E (2,06)
A B
C (4,3) F (6,67)
P S (0,8) K
J
G
H
Ferrite + Cémentite
Austénite + Cémentite
Austénite
Aciers Fontes
(Austénite + Graphite)
(Ferrite + Graphite)
métastable métastable, stable, stable puis métastable
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Les 3 types de fontes
1. Fontes blanches fer-cémentite
2. Fontes malléables fer-graphite
3. Fontes grisessolidification fer-graphite
transformations allotropiquesfer-cémentite
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Les diagrammes fer - carbone
D
N
E (2,06)
A B
C (4,3) F (6,67)
P S (0,8) K
J
G
H
Ferrite + Cémentite
Austénite + Cémentite
Austénite
Aciers Fontes
métastable
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Les aciers
Acier eutectoïdeAciers ferritiques
Aciers hypoeutectoïdes
Aciers hypereutectoïdes
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L’acier eutectoide
L’eutectoideconstitué de lamelles alternées de ferrite et de cémentite porte le nom de perlite
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L’acier eutectoideSuivant la vitesse de refroidissement les lamelles peuvent être plus ou moins fines
En cas de refroidissement rapide, seule la microscopie électronique permet d’identifier les 2 phases.
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Les aciers hypoeutectoides
Acier eutectoïde
Aciers hypoeutectoïdes
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Les aciers hypoeutectoidesIls sont constitués de ferrite proeutectoide et de perlite.
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Les aciers hypoeutectoidesEn augmentant le teneur en carbone
•La teneur en ferrite décroît•La teneur en perlite croit
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Les aciers hypoeutectoidesFerrite cellulaire
Ferrite aciculaireStructure de Widmanstätten
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La transformation CFC→CC
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Les aciers hypereutectoides
Perlite lamellaire
Ferrite+Perlite ferrite cellulaire ferrite aciculaire
Acier eutectoïde
Aciers hypoeutectoïdes
Aciers hypereutectoïdes
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Les aciers hypereutectoidesIls sont constitués de cémentite proeutectoide et de perlite.
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Les aciers ferritiques
Perlite lamellaire
Ferrite+Perlite ferrite cellulaire ferrite aciculaire
Cémentite+Perlite cémentite aciculaire
Ferrite (avec ou sans précipitation de cémentite)
Acier eutectoïdeAciers ferritiques
Aciers hypoeutectoïdes
Aciers hypereutectoïdes
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Les aciers
Aciers ferritiques
Acier eutectoïde
Aciers hypoeutectoïdes
Aciers hypereutectoïdes
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Propriétés de la ferrite
•Pour la ferrite pure recristallisée, on a
)(1,958mmd
+=σ
soit 87 MPa pour d=0,1 mm• L’effet d’un ajout de carbone est considérable.
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Les aciersPropriétés des phases remarquables
Re Rr Ar DuretéMpa Mpa % Brinell
Ferrite pure 100 200 50 75Ferrite impure 200 300 40 80Cémentite 550
Perlite grossière 350 625 20 185Perlite moyenne 450 850 15 205Perlite fine 550 1075 10 225
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Propriétés des aciers
Les propriétés des aciers sont obtenues en faisant des moyennes pondérées des propriétés des phases
•ferrite•perlite
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Utilisation des aciers ferritiques
Principalement utilisés dans les applications qui exigent une grande formabilité.
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Utilisation de l’acier perlitique
Principalement utilisé dans les applications qui demandent une grande résistance.
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Utilisation des aciers hypoeutectoides
Ce sont les aciers de construction.
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Les aciers alliésRe Rr ArMpa Mpa %
Limite des aciers alliés 2400 2500 6
Amélioration d’autres propriétés mécaniques : résilience, résistance au fluage, résistance àl’usure, ...Amélioration de la résistance à la corrosionAmélioration de propriétés physiques : dilatabilité, ...
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Les aciers alliés Eléments en solution
• Eléments en solution– Alphagènes
• Al• Si• Ti, Zr• V, Nb, Ta• Cr, Mo, W
– Gammagènes• Mn• Co, Ni• Cu
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Eléments alphagènes
• Les éléments alphagènes remontent la température– de transformation α→γ– Eutectoide
• Les élements alphagènes augmentent la solubilité du carbone dans le fer alpha
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Eléments gammagènes
• Les éléments gammagènes baissent la température– de transformation α→γ– Eutectoide
• Les élements gammagènes augmentent la solubilitédu carbone dans le fer alpha
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Les aciers alliés Combinaisons intermétalliques - carbures
Carbures simples • Ti, Zr : TiC, ZrC très stables, réseau cubique• Nb, V : NbC, VC stables, réseau cubique• Cr, Mo, W : assez stables, plusieurs formules
Carbures mixtes• (Fe, Cr)3C• (Fe, Mn)3C : pas très stables
Propriétés des carbures simples • précipitations plus abondantes, plus fines• plus durs (carbures de tungstène)• carbures plus ronds (moins de fragilité qu’avec les aiguilles)
dfGbc
31
=Δσ
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Les aciers alliés Combinaisons intermétalliques : autres
- Nitrures : les mêmes- Ti, Zr- V, Nb- Cr, Mo, W- + Al
- Carbonitrures
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Les aciers alliés Combinaisons intermétalliques : à éviter
Combinaisons FenXm
- Phases σ très fragiles- A éviter absolument
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Les 3 types de fontes
1. Fontes blanches fer-cémentite
2. Fontes malléables fer-graphite
3. Fontes grisessolidification fer-graphite
transformations allotropiquesfer-cémentite
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Les Fontes Blanches
D
N
E (2,06)
A B
C (4,3) F (6,67)
P S (0,8) K
J
G
H
Ferrite + Cémentite
Austénite + Cémentite
Austénite
Aciers Fontes
Lédéburite
Hypoeutectique Hypereutectique
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Les Fontes Blanches
D
N
E (2,06)
A B
C (4,3) F (6,67)
P S (0,8) K
J
G
H
Ferrite + Cémentite
Austénite + Cémentite
Austénite
Aciers Fontes
Lédéburite
Hypoeutectique Hypereutectique
• Refroidissement rapide
• Pas d’éléments graphitisants
• Présence de stabilisateurs de cémentite
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Propriétés des fontes blanches
Majoritairement constituées de cémentite, elles sont – dures – fragiles
Utilisées en surface des pièces soumises à usure.
Fontes coquillées
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Le diagramme fer-cémentiteLes aciers et les fontes blanches
D
N
E (2,06)
A B
C (4,3) F (6,67)
P S (0,8) K
J
G
H
Ferrite + Cémentite
Austénite + Cémentite
Austénite
Aciers Fontes
Lédéburite
Perlite
Phases en présence
0,00%
20,00%
40,00%
60,00%
80,00%
100,00%
0 1 2 3 4 5 6 7
Teneur en carbone (%)
ferritecémentite
Phases en présence
0,00%
20,00%
40,00%
60,00%
80,00%
100,00%
0 1 2 3 4 5 6 7
Teneur en carbone (%)ferrite proeutectoïde perlitecémentite proeutectoide lédéburite transforméecémentite proeutectique
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Le diagramme fer - graphiteLes fontes malléables
• Pas de production directe
• Mise à l’équilibre de fontes blanches Austénite
Austénite + Graphite
C'E'
S'
Ferrite + Graphite
Lédéburite
Perlite
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Les Fontes Malléables Procédé américain• Décomposition céméntite à 950° C : Fe3C 3 Feγ + Cgraphite
• Refroidissement très lent 10°C/h puis 1°C/h• Résultats : ferrite + graphite
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Les Fontes Malléables • Résultats : ferrite + graphite• Défauts : présence de cémentite et/ou de perlite
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Propriétés mécaniques des fontes malléables • La microstructure est constituée
– majoritairement de ferrite– minoritairement d’amas de graphite
Rr Ar DuretéMpa % Brinell
Ferrite impure 300 40 80Fonte malléable (américaine) 275-300 6-18 110-160
La dispersion des propriétés provient de la présence éventuelle de défauts
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Les Fontes Malléables Européennes Procédé européen• Décomposition céméntite à 950° Cen atmosphère oxydante
Fe3C 3 Feγ + Cgraphite
Cgraphite+ 0,5 O2 CO (en surface)C + 0,5 O2 CO (en surface)
• Refroidissement plus rapide• Produit hétérogène
- surface : ferrite (µstructure à cœur blanc) - cœur : ferrite + graphite (+cémentite+perlite)
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Propriétés mécaniques des fontes malléables
Rr Ar Dureté RésilienceMpa % Brinell J/cm²
Ferrite impure 300 40 80 300Fonte malléable 275-300 6-18 110-160 30
(américaine)Fonte malléable 300-375 5 100-130 surface -
(européenne) 150-200 coeur
Le procédé européen est principalement appliqué aux pièces peu épaisses.
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Les 3 types de fontes
1. Fontes blanches fer-cémentite
2. Fontes malléables fer-graphite
3. Fontes grisessolidification fer-graphite
transformations allotropiquesfer-cémentite
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Les fontes grises. Solidification dans le diagramme stable
LédéburiteAusténite
Austénite + Graphite
C'E'
S'
Perlite
• Température de coulée élevée.
• Refroidissement lent.• Eléments graphitisants
(C élevé, Si).• Pas de stabilisateurs de
cémentite.
Rosettes de graphite
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Les fontes grises – rosettes de graphite
Rosettes de graphite– Graphite lamellaire
– Lamelles entrelacées
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Les fontes grises. Passage d’un diagramme à l’autre.
Austénite
Austénite + Graphite
C'E'
S'
Perlite
Graphite + Perlite Fonte grise perlitique
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Les fontes grises. Passage d’un diagramme à l’autre.
Austénite
Austénite + Graphite
C'E'
S'
Perlite
Graphite + Perlite Fonte grise perlitique
Graphite + Perlite + Cémentite proeutectoïde
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Les fontes grises. Passage d’un diagramme à l’autre.
Austénite
Austénite + Graphite
C'E'
S'
Perlite
Graphite + Perlite Fonte grise perlitique
Graphite + Perlite + Ferrite proeutectoïde
Graphite + Perlite + Cémentite proeutectoïde
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Propriétés des fontes grises perlitiques.
Rr Ar Dureté RésilienceMpa % Brinell J/cm²
Perlite moyenne 850 15 200 200Fonte grise perlitique 275-300 0-1 200 médiocre
(lamellaire)Fonte grise perlitique 400-700 4-5 220 bonne
(nodulaire)
Les fontes grises perlitiques sont constituées– majoritairement de perlite– minoritairement de graphite lamellaire
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Réalisation des fontes grises nodulaires.
• Elles sont réalisables au partir de fontes hypoeutectiques en empêchant la formation de l’eutectique : empoisonnement des germes (par exemple par Mg)
• Il se produit une surfusion (existence d’un liquide en dessous de la température de solidification)
• On forme ainsi de l’austénite sursaturée en carbone
• Cette austénite se désature en donnant naissance à des nodules de graphite.
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Réalisation des fontes grises nodulaires.• Les nodules de graphite sont en fait constitués d’un
amoncellement de petites lamelles de graphite orientées perpendiculairement aux rayons du nodule.
• Ceci résulte de leur formation dans un solide avec diffusion suivant tous les rayons.
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Utilisation des fontes grises nodulaires.• Outre de bonnes propriétés mécaniques, les fontes grises
nodulaires ont beaucoup d’avantages– bonne usinabilité (lubrification par le graphite)– bonne étanchéité– bonne résistance aux chocs thermiques
• Elles sont très utilisées en mécanique
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Application
1. Les alliages fer-carbone2. Les alliages d’aluminium
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L’aluminium
• Cubique faces centrées• Point de fusion 660°C• Masse volumique 2700 kg/m³
• Bon conducteur de la chaleur et de l ’électricité.• Très réfléchissant.
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L’aluminium
• Métal très réactionnel.• Bonne passivation par Al2O3 lorsqu’il est pur
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Propriétés mécaniques de l’aluminiumRe Rr ArMpa Mpa %
Ferrite pure 100 200 50Ferrite impure 200 300 40
Aluminium pur (99,99%) 10 50 60Aluminium impur (99%) 35 90 35
Aluminium impur à 150° C 30 60 45
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Renforcement des propriétés de l’aluminium.[ ] ( )∑∑ ++++=
j j
jji
ii d
fGbcGbAadk
3/1
0e %R ρασ
• Durcissement de précipitation.– 2xxx : + Cu (duralumins)– 3xxx : + Cu/Si/Mg– 5xxx : + Mg– 7xxx : + Zn– 8xxx : + Sn
• Durcissement par affinage des grains (eutectiques Al-Si).
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Duralumins• Application des 3 règles
– Intermétalliques– Solubilité variable– Composition ajustée
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Propriétés des alliages d’aluminiumRe Rr ArMpa Mpa %
• Aluminium pur (99,99%) 10 50 60• Aluminium impur (99%) 35 90 35
• Duralumins 250 400 15
• Ferrite impure 200 300 40• Perlite moyenne 450 850 15• Limite aciers alliés 2400 2500 6
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Application des alliages d’aluminiumApplication en transport
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20,1
38,847,5
30,4
68,6
51,5
0
25
50
75
100
European Union North America Japan
Poun
ds P
er V
ehic
le
2002 2006
2002 Versus 2006 Content by Region for All Components other than Powertrain, Driveline, Wheels and Heat Exchangers
This comparison highlights why Europe is the worldwide leader in the use of aluminum for new innovative applications of aluminum in light vehicles.
Automotive industry
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Alliages d’aluminium - ALPAX• Eutectique sans intermétallique Al-Si• Naturellement dur, mais peu déformable• Alliage de fonderie