TD matériaux

1. Travaux dirigés de Science des Matériaux
Année 2013 - 2014
M. Souissi
J.Y. Dauphin
1

2. 2

3. 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.
Force maximale Fm
47127 N
50000
45000
20000
40000
Newtons
18000
35000
Force ultime Fu
40840 N
Force en Newton
16000
30000
14000
12000
25000
10000
20000
8000
6000
15000
4000
10000
2000
mm
5000
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0
0
5
10
15
Allongement en millimètres
19 20
22
25
3

4. 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 :
Avec V : la contrainte vraie
k : une constante du matériau
n : le coefficient d’écrouissage
 : l’allongement rationnel
et à la charge maximale n=
 v  k n
4

5. 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.
L0
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
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 T 1, dans
le cas d’un =100K.
L 1
On rappelle que le coefficient de dilatation linéaire s’écrit :  
, en K-1.
L0 T
2-/ Application à trois matériaux différents :
SiC (céramique)
Ni (métal )
PE (polymère)
E en GPa
480
214
0.9
Re en MPa
10000
200
20
Rm en MPa
10000
200
25
 en K-1
4.7 10-6
13.3 10-6
100 10-6
3-/ Décrivez le comportement mécanique de chacun de ces matériaux lors du cycle.
5

6. TD N° 3 : Description de quelques diagrammes variés
.
6

7. 7

8. 8

9. TD N° 3 : Etude du diagramme d’équilibre de phases du système Cuivre - Antimoine
9

10. TD N°3
Questions concernant le diagramme Cu/Sb
1)
2)
3)
4)
Identifier sur le diagramme les domaines monophasés
Identifier les domaines biphasés en spécifiant les phases en équilibre
Tracer le liquidus et le solidus
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
10

11. TD N° 4
Les différents diagrammes de phases Fer – Carbone.
Les aciers et les fontes.
Superposition des diagrammes Fer/Graphite et fer/cémentite.
11

12. 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
12

13. Diagramme binaire fer/cémentite limité à la zone des aciers.
13

14. 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)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
6)
Calculer la masse volumique du fer à 911°C et à 913°C
Calculer le volume spécifique à 911°C et à 913°C
Calculer la variation de volume et de longueur pour 1g de fer entre 911 et 913°C.
Calculer le diamètre des atomes de fer à 911°C et à 913°C.
Calculer la compacité du fer à ces deux températures
Dénombrer les sites d’insertion.
Calculez le diamètre maximal des atomes qui peuvent s’y loger.
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
c
c
b
a
b
a
Maille de la ferrite (atomes disjoints à gauche et sphères atomiques au contact à droite)
c
c
a
a
b
b
Maille de l’austénite (atomes disjoints à gauche et sphères atomiques au contact à droite)
14

15. 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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16. 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
0.93
1.25
0.20
0.24
Chrome
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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17. B/
Courbe TTT de refroidissement continu de l’acier 50 Cr Mo 4
Austénitisation à 850°C pendant 30 minutes
Carbone
0.52
Hrc
Diam Huile
t700/300
Manganèse
0.60
62
5
12
61
10
23
Silicium
0.40
60
20
38
54
40
88
Nickel
1.00
45
100
190
37
160
417
Chrome
0.17
35
250
750
26
300
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?
17

18. 18