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Travaux dirigés de Science des Matériaux

Année 2013 - 2014

M. Souissi

J.Y. Dauphin

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TD N° 1 Etude d’une courbe de traction.

Courbe de traction d’un acier inoxydable Conditions de mesure : mesure de l’allongement par déplacement de traverse - Vitesse de déformation constante = 1.5 10

-2 sec.

-1.

Longueur initiale L0 = 50 mm - Diamètre initial D0 = 10 mm.

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

50000

0 5 10 15 20 25

Allongement en millimètres

Fo

rce

en

Ne

wto

n

Force ultime Fu

40840 N

Force maximale Fm 47127 N

22 19

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

0 0,1 0,2 0,3 0,4

mm

Newtons

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TD 1 : Questions relatives à la courbe de traction de l’acier inoxydable

Déterminer :

1) Les caractéristiques de l’élasticité :

a. La limite d’élasticité

b. Le module d’élasticité apparent

2) La résistance maximale en traction

3) Les caractéristiques de déformabilité

a. L’allongement à la rupture

b. Le coefficient de striction (avec Du=6,82 mm)

4) La contrainte vraie à la limite d’élasticité

5) La contrainte vraie à la force maximale

6) La contrainte vraie à la rupture

7) Les paramètres du modèle de déformation de Lüdwik : n

v k

Avec V : la contrainte vraie

k : une constante du matériau

n : le coefficient d’écrouissage

: l’allongement rationnel

et à la charge maximale n=

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TD N° 2

Contraintes thermiques de dilatation

Un échantillon du matériau testé, de longueur L0 à la température initiale T0, est bridé dans un

support massif, supposé indéformable et non dilatable.

On effectue un cycle thermique d’amplitude T avec retour à T0.

Les différentes étapes du cycle peuvent se décomposer fictivement ainsi :

T0, longueur L0

T1 = T0 + , allongement à L1 = L0 + L

Compression pour ramener à L2 = L0

Retour à T0, L3 = ?

1-/ Calculez la contrainte thermique th qui se développe lorsque le matériau atteint T1, dans

le cas d’un =100K.

On rappelle que le coefficient de dilatation linéaire s’écrit : TL

L

1

0

, en K-1

.

2-/ Application à trois matériaux différents :

E en GPa Re en MPa Rm en MPa en K-1

SiC (céramique) 480 10000 10000 4.7 10-6

Ni (métal ) 214 200 200 13.3 10-6

PE (polymère) 0.9 20 25 100 10-6

3-/ Décrivez le comportement mécanique de chacun de ces matériaux lors du cycle.

L0

L0

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TD N° 3 : Description de quelques diagrammes variés

.

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TD N° 3 : Etude du diagramme d’équilibre de phases du système Cuivre - Antimoine

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TD N°3

Questions concernant le diagramme Cu/Sb

1) Identifier sur le diagramme les domaines monophasés

2) Identifier les domaines biphasés en spécifiant les phases en équilibre

3) Tracer le liquidus et le solidus

4) Localiser et décrire les transformations s’opérant à température constante

a. Les eutectiques (2)

b. Le péritectique

c. L’eutectoïde

d. Le peritectoïde

e. Le monotectique

f. Y a-t-il d’autres transformations s’effectuant à température constante ?

5) Etude du refroidissement :

a. De la composition à 76,8% Sb

b. De la composition à 47%Sb

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TD N° 4

Les différents diagrammes de phases Fer – Carbone.

Les aciers et les fontes.

Superposition des diagrammes Fer/Graphite et fer/cémentite.

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TD N°4 : Les diagrammes Fer/graphite (en traits pleins) et Fer/Cémentite (en pointillés), du côté riche en fer.

Etudier le

refroidissement des

compositions :

1) 0,85%C

2) 0.30%C

3) 4,47%C

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Diagramme binaire fer/cémentite limité à la zone des aciers.

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a b

c

a b

c

ab

c

N° 5

Etude du système cristallographique du fer

Le fer subit une transformation allotropique à 912°C.

La phase stable à basse température est la ferrite, de structure cubique centrée.

Le paramètre de maille de la ferrite, à 911°C, est de 0.2903 nm.

La structure stable au-delà de cette température est la phase austénite, cubique à face centrées.

A 913°C, le paramètre de l’austénite est de 0.3646 nm.

1) Calculer la masse volumique du fer à 911°C et à 913°C

2) Calculer le volume spécifique à 911°C et à 913°C

3) Calculer la variation de volume et de longueur pour 1g de fer entre 911 et 913°C.

4) Calculer le diamètre des atomes de fer à 911°C et à 913°C.

5) Calculer la compacité du fer à ces deux températures

6) Dénombrer les sites d’insertion.

7) Calculez le diamètre maximal des atomes qui peuvent s’y loger.

6) Quelle conclusion peut-on en tirer sur la solubilité du carbone dans le fer ?

Données : MFe=0.05585 kg/mol - Mc = 0.012 kg/mol

Maille de la ferrite (atomes disjoints à gauche et sphères atomiques au contact à droite)

ab

c

Maille de l’austénite (atomes disjoints à gauche et sphères atomiques au contact à droite)

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TD 6

Désignation normalisée des alliages ferreux.

a-1 Aciers usuels.

La désignation commence par une lettre correspondant à leur emploi, + valeur Re en Mpa.

Ces aciers, dont on ignore la composition, sont impropres à tout traitement thermique.

a-2 Aciers spéciaux non alliés. Destinés avant tout aux traitements thermiques de pièces petites et moyennes.

La désignation commence par la lettre C, suivie du % de Carbone multiplié par 100.

Suivent parfois des indications complémentaires

exemple : C 35 E

a-3 Aciers faiblement alliés pour haute résistance. Aucun élément d’addition ne dépasse 5%.

Leur nom indique les pourcentages massiques des éléments d’alliage, par ordre

décroissant, multipliés par 4, 10 ou 100.

a-4Aciers fortement alliés. Destinés à des emplois particuliers (aciers inoxydables, travail à chaud, etc..).

Un élément, au moins, dépasse 5 % en masse.

X, suivi des teneurs des éléments – Plus de coefficient multiplicateur.

Exemple : acier inoxydable X6 CrNiTi 18-11

Pour toutes les classes, s’il s’agit d’un acier moulé, la désignation est précédée de G.

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TD 7 : Traitements thermiques des aciers

A- Courbe TTT de trempe isotherme de l’acier 90 Mn 5

Austénitisation à 810°C pendant 30 minutes.

Carbone Manganèse Silicium Nickel Chrome

0.93 1.25 0.20 0.24 0.30

Questions :

Déterminez les proportions des phases et des constituants, ainsi que la dureté de cet acier, à

l’issue des traitements thermiques suivants :

1. 30min. à 810°C + trempe en sel fondu à 650°C – 15 min. + trempe à l’eau.

2. 30min. à 810°C + trempe en sel fondu à 650°C – 15 min. + refroidt. à l’air calme

3. 30min. à 810°C + trempe en sel fondu à 650°C – 5 min. + trempe à l’eau.

4. 30min. à 810°C + trempe en sel fondu à 400°C – 3 min. + trempe à l’eau.

Quel traitement thermique préconisez-vous pour former une structure uniquement

martensitique dans les meilleures conditions?

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B/ Courbe TTT de refroidissement continu de l’acier 50 Cr Mo 4

Austénitisation à 850°C pendant 30 minutes Carbone Manganèse Silicium Nickel Chrome

0.52 0.60 0.40 1.00 0.17

Hrc 62 61 60 54 45 37 35 26

Diam Huile 5 10 20 40 100 160 250 300

t700/300 12 23 38 88 190 417 750 900

Questions :

1. Déterminez la vitesse critique de recuit et la vitesse critique de trempe.

2. Mf à partir de Ms, M50 et M90.

3. Les proportions des constituants pour le chemin de refroidissement aboutissant à une

dureté de 37HRc.

4. Tracez la courbe de trempabilité Jominy de cet acier.

5. Quelle est sa dureté critique de trempe?

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