Fiche de révision : Introduction à la métallurgie des matériaux

📋 Plan du Cours

1. Cristaux, grains et joints de grain
2. Structures cristallines des métaux
3. Aubes de turbine et monocristaux
4. Défauts cristallins et plasticité
5. Aciers et diagramme fer-carbone
6. Phases et microstructures des aciers
7. Éléments d'addition dans les aciers
8. Fontes et microstructures associées
9. Procédés de moulage
10. Traitements thermiques et recuits

📖 1. Cristaux, grains et joints de grain

🔑 Notions clés & Définitions

• Polycristal : Un polycristal est un matériau formé par l’assemblage de plusieurs cristaux orientés différemment.
• Monocristal : Un monocristal est un matériau constitué d’un seul cristal dans tout le volume.
• Joint de grain : Un joint de grain est la zone de transition entre deux cristaux dans un polycristal, liée à leur orientation relative.
• Texture cristallographique : La texture décrit l’organisation statistique des orientations des grains, ce qui peut rendre le matériau anisotrope.

📝 Points essentiels

• Un matériau en cristaux assemblés est un polycristal, alors qu’un matériau fait d’un seul cristal est un monocristal.
• Un joint de grain est dit cohérent quand la perfection cristalline est respectée de part et d’autre.
• La cohérence du joint dépend de la structure cristallographique des deux cristaux et de leur orientation relative.
• Plus la taille des grains diminue, plus la surface totale des joints de grains augmente.
• La taille de grain est mesurée par métallographie et la texture par des méthodes radiocristallographiques ou par microscopie électronique à balayage.
• Dans les aubes de turbine, les joints de grains peuvent devenir des sites d’amorçage de fissures menant à la rupture, d’où l’usage de solidification directionnelle puis de monocristaux.

💡 Astuce mémo

Polycristal = “many orientations”, Monocristal = “one orientation”, et petits grains = beaucoup de joints (donc plus de sites).

📖 2. Structures cristallines des métaux

🔑 Notions clés & Définitions

• Structure cristalline : La structure cristalline décrit la manière dont les atomes sont disposés dans l’espace au sein du matériau.
• Maille cristalline : La maille cristalline est le plus petit motif d’atomes qui, répété périodiquement dans les trois directions, reconstitue le cristal.
• Polymorphisme cristallin : Le polymorphisme cristallin correspond au fait qu’un même élément peut adopter plusieurs structures cristallines selon la température.
• Transformation allotropique : Une transformation allotropique est le passage d’une structure cristalline à une autre pour un même élément.

📝 Points essentiels

• Pour les métaux, les trois structures cristallines typiques sont CFC, CC et HC.
• Une maille cristalline se décrit par trois angles (α, β, γ) et trois longueurs d’arête (a, b, c).
• Pour le fer, la structure CFC (à 916°C) correspond à l’austénite, tandis que la structure CC donne la ferrite.
• La ferrite présente une faible ductilité et une résistance mécanique élevée avec une dureté haute par rapport au comportement austénite cité.
• Exemples de rayons atomiques (nm) : Al CFC 0.1431, Cr CC 0.1249, Co HC 0.1253, Fe (α) CC 0.1241, Ni CFC 0.1246, Ti HC 0.1445, W CC 0.1371, Zn HC 0.1332.
• Le changement de structure cristalline d’un élément en fonction de la température est une transformation allotropique liée au polymorphisme cristallin.

💡 Astuce mémo

CFC = plus de “voisins” proches (12) ; CC = 8 voisins bien espacés ; HC = 12 voisins dans l’empilement compact.

📖 3. Aubes de turbine et monocristaux

🔑 Notions clés & Définitions

• Monocristal déformé : Un monocristal déformé conserve une seule orientation cristallographique, mais les dislocations y créent des bandes de glissement visibles en surface.
• Dislocations : Les dislocations sont des défauts linéaires responsables des mécanismes qui conduisent à la plasticité dans les cristaux.
• Dislocation coin : Une dislocation coin correspond à l’introduction d’un demi-plan dans le réseau cristallin, créant une géométrie caractéristique du défaut.
• Maclage : Le maclage est un mode de déformation où une partie du cristal subit un basculement défini par un plan, une direction et un taux de maclage.

📝 Points essentiels

• Les dislocations sont classées en trois types : dislocations-coin, dislocations-vis et dislocations-mixte, à relier aux formes de défaut observées.
• La densité de dislocations correspond à la longueur totale de dislocations par unité de volume de cristal exprimée en cm/cm3.
• Le passage des dislocations sur des plans parallèles produit des traces de glissement à la surface d’un monocristal.
• Dans un monocristal, des bandes de glissement peuvent être observées en surface après déformation par dislocations.
• La maclage possède une contrainte critique dépendante de la structure cristallographique et de la température, comparable à celle du glissement.
• À basse température : la contrainte critique de maclage (CC) rend le maclage principal en conditions données, tandis que pour CFC la maclage n’est pas observé si la contrainte critique de maclage dépasse celle du glissement, et en HC elle est très faible.

💡 Astuce mémo

CC : basse température et maclage devient le mode principal (CFC : maclage plutôt absent si CC(macle) > CC(glissement)).

📖 4. Défauts cristallins et plasticité

🔑 Notions clés & Définitions

• Rupture fragile : La rupture fragile correspond à une casse avec de très faibles déformations avant la rupture.
• Rupture ductile : La rupture ductile correspond à une casse après des déformations plastiques importantes, au moins localement.
• Rupture intergranulaire : La rupture intergranulaire désigne une propagation de la rupture suivant des anciens joints de grains.
• Rupture intragranulaire : La rupture intragranulaire désigne une propagation de la rupture à l’intérieur des grains.
• Microscope électronique à balayage : Le microscope électronique à balayage est un outil utilisé pour identifier des mécanismes de rupture à l’échelle microscopique.

📝 Points essentiels

• La rupture fragile présente une faible déformation à rupture, tandis que la rupture ductile implique des déformations plastiques importantes, au moins localement, jusqu’à la rupture.
• À l’échelle microscopique, une rupture apparaît intergranulaire quand la surface résulte de plans correspondant à des joints de grains antérieurs.
• Une rupture intragranulaire peut être soit fragile soit ductile, tandis qu’une rupture intergranulaire est en général fragile.
• Il est possible d’observer des surfaces de rupture mixtes, avec des zones intergranulaires connectées à des régions ductiles et/ou partiellement intragranulaires.
• Le microscope électronique à balayage (MEB) est l’outil le mieux adapté pour diagnostiquer les mécanismes de rupture microscopiques.

📖 5. Aciers et diagramme fer-carbone

🔑 Notions clés & Définitions

• Acier : Un acier est un alliage à base de fer et de carbone contenant jusqu’à 2,1% de carbone.
• Acier hypoeutectoïde : Un acier hypoeutectoïde est un acier dont la teneur en carbone est inférieure à 0,8%.
• Acier hypereutectoïde : Un acier hypereutectoïde est un acier dont la teneur en carbone est supérieure ou égale à 0,8%.
• Aciers non alliés : Des aciers non alliés sont des aciers où les éléments d’addition sont faibles, déplaçant peu les frontières du diagramme Fe-C mais modifiant le comportement mécanique.
• Aciers alliés : Des aciers alliés contiennent des éléments d’addition en quantité non négligeable, ce qui les rend souvent au moins ternaires et plus complexes.

📝 Points essentiels

• Dans le cadre de l’étude Fe-C, les aciers sont généralement classés selon leur carbone: hypoeutectoïde sous 0,8% et hypereutectoïde à partir de 0,8%.
• Les aciers sont des alliages Fe-C contenant au maximum 2,1% de carbone pour rester dans la catégorie considérée sur le diagramme.
• Pour un bon usage du diagramme Fe-C, on suppose des conditions d’équilibre thermodynamique et un refroidissement suffisamment lent.
• Si le refroidissement n’est plus assez lent, le diagramme d’équilibre ne suffit plus et il faut recourir à des diagrammes TTT ou TRC.

💡 Astuce mémo

0,8% = seuil: en dessous hypoeutectoïde, à partir de 0,8% hypereutectoïde.

📖 6. Phases et microstructures des aciers

🔑 Notions clés & Définitions

• Perlite : Constituant lamellaire issu de la transformation eutectoïde, composé de phases issues de la décomposition à l’échelle microscopique.
• Cémentite : Phase dure et fragile des aciers, majoritairement présente à certains teneurs en carbone et responsable d’une hausse forte de dureté.
• Ferrite : Phase ductile des aciers, associée à de plus faibles niveaux de dureté et de résistance mécanique que les phases riches en cémentite.

📝 Points essentiels

• Pour un acier hypereutectoïde, la microstructure est un mélange de perlite et de cémentite.
• D’après le tableau, la ferrite a une dureté d’environ 80 Brinell avec 300 MPa de résistance et 40% d’allongement.
• D’après le tableau, la cémentite présente environ 700 MPa de résistance, 0% d’allongement, une résilience d’environ 550 J/cm2 et une dureté d’environ 550 Brinell.
• D’après le tableau, la perlite très fine a une dureté d’environ 250 Brinell, tandis que la perlite normale est autour de 205 Brinell et la perlite grossière autour de 185 Brinell.

💡 Astuce mémo

Hypereutectoïde = Perlite + Cémentite (la cémentite “en plus”).

📖 7. Éléments d'addition dans les aciers

🔑 Notions clés & Définitions

• Chrome dans l'acier : Le chrome est un élément d’alliage indispensable pour rendre un acier inoxydable par formation d’une couche d’oxyde protectrice.
• Molybdène : Le molybdène est un élément d’addition pouvant être ajouté aux aciers inoxydables pour modifier leur comportement.
• Silicium : Le silicium est un élément d’addition pouvant être associé au chrome dans certains aciers inoxydables.
• Nickel : Le nickel est un élément d’addition souvent associé au chrome pour influencer la structure obtenue dans l’acier inoxydable.
• Aciers inoxydables Fe-Cr-Ni : Les aciers inoxydables sont essentiellement des alliages à base de fer avec des additions de chrome, et parfois de nickel.

📝 Points essentiels

• Un acier devient inoxydable si le chrome atteint au moins 10,5% en teneur.
• Les aciers inoxydables sont principalement des alliages Fe-Cr ou Fe-Cr-Ni.
• Le molybdène, le silicium et le nickel peuvent s’ajouter au chrome pour ajuster l’alliage.
• Selon le pourcentage des éléments d’alliage, la structure peut être martensitique, ferritique ou austénitique.

💡 Astuce mémo

10,5% Cr : le “seuil inox” qui lance la couche passive d’oxyde.

📖 8. Fontes et microstructures associées

📖 9. Procédés de moulage

🔑 Notions clés & Définitions

• Fonderie : Procédé de fabrication où le métal liquide se solidifie dans des moules pour obtenir directement la forme et les dimensions finales de la pièce.
• Moule non permanent : Moule formé pour un usage unique qui accepte des températures de fusion élevées, comme en fonderie au sable ou à la cire perdue.
• Moule permanent : Moule réutilisable, généralement métallique (fonte ou acier), utilisé pour des productions où l’on vise des coûts et une productivité différents selon le procédé.
• Ségrégation : Phénomène de redistribution du métal pendant la solidification qui peut rendre les pièces moulées hétérogènes.

📝 Points essentiels

• Les pièces moulées présentent généralement un mauvais état de surface, une porosité importante possible et un phénomène de ségrégation.
• En fonderie, les moules peuvent être réfractaires ou métalliques pour piloter les conditions de solidification.
• En fonderie au sable (moule non permanent), des matériaux réfractaires forment le moule et conviennent à des pièces de forte épaisseur (>3 mm) avec surface rugueuse.
• En fonderie à la cire perdue (moule non permanent), la cire sert de moule et vise des pièces de faible épaisseur (>1 mm) avec un état de surface de haute qualité.
• En fonderie en coquille par gravité (moule permanent), des petites à moyennes séries sont possibles avec coût pièce plus élevé que la pression mais investissement moindre, et des traitements thermiques sont faisables.
• En fonderie sous pression (moule permanent), la production est adaptée aux grandes séries mais l’investissement est élevé et la porosité à cœur est assez importante, ce qui limite fortement la ductilité.

📖 10. Traitements thermiques et recuits

🔑 Notions clés & Définitions

• Recuit O : Le recuit est un traitement de type O pour les alliages d’aluminium qui améliore la ductilité et la stabilité dimensionnelle.
• Mise en solution trempée W : L’état trempé après mise en solution W est un état instable appliqué seulement aux alliages qui vieillissent spontanément à température ambiante.
• Traitement thermique T : Le symbole T désigne un traitement thermique destiné à modifier les propriétés mécaniques et la tenue à la corrosion d’un alliage d’aluminium.
• Vieillissement spontané : Le vieillissement spontané décrit l’évolution à température ambiante qui rend utile l’état W sur certains alliages d’aluminium.

📝 Points essentiels

• Sur les alliages d’aluminium, le marquage O correspond à un recuit qui améliore la ductilité et la stabilité dimensionnelle.
• Le marquage W correspond à une mise en solution trempée dans un état instable, utilisée uniquement si l’alliage vieillit spontanément à température ambiante.
• Le marquage T correspond à un traitement thermique pour ajuster les caractéristiques mécaniques et la résistance à la corrosion.
• Pour l’alliage 6063, les traitements thermiques modifient à la fois la limite d’élasticité et la limite en fatigue.
• Pour l’alliage 6063, les traitements thermiques modifient aussi l’allongement et la dureté.

💡 Astuce mémo

Recuit O = Ductilité + Stabilité (dimensionnelle).

📅 Repères chronologiques

📊 Tableaux de synthèse

Microstructures d’acier selon la teneur en carbone

Modes de rupture (macroscopique vs microscopique)

⚠️ Pièges & confusions fréquents

1. Confondre joint de grain et joint de maclage : le joint de grain relie deux cristaux d’un polycristal, alors que le joint de maclage délimite la partie basculée lors du maclage.
2. Inverser les règles de maclage selon la structure : à basse température le maclage est le mode principal en CC, alors qu’en CFC le maclage n’est pas observé si la contrainte critique de maclage dépasse celle du glissement.
3. Croire que le diagramme Fe-C décrit les cas hors équilibre : si le refroidissement n’est plus suffisamment lent, il faut passer à des diagrammes TTT ou TRC.
4. Mélanger dureté/résistance et ductilité des phases : la cémentite est très dure mais fragile, tandis que la ferrite est ductile avec dureté plus faible.
5. Oublier la définition de la perlite : la perlite est un constituant biphasé issu de la réaction eutectoïde (α + Fe3C), et pas une seule phase.
6. Sauter le lien “grenaillage → fatigue/corrosion” : le grenaillage introduit des contraintes résiduelles de compression et améliore surtout la tenue en fatigue (et peut aussi aider la corrosion sous contrainte).
7. Prendre la galvanisation pour une peinture : la galvanisation protège davantage grâce à une liaison métallurgique et le zinc se corrode (pas l’acier).

✅ Checklist Examen

1. Montrer qu’un polycristal et un monocristal se distinguent par le nombre d’orientations cristallographiques dans le volume.
2. Définir un joint de grain et énoncer quand il est cohérent (perfection cristalline respectée) et pourquoi la taille de grains diminue l’aire totale de joints.
3. Relier texture, anisotropie et méthodes de mesure (métallographie pour la taille ; radiocristallographie ou MEB pour la texture).
4. Décrire les trois structures cristallines typiques des métaux (CFC, CC, HC) et expliquer le polymorphisme/allotropie via l’exemple du fer.
5. Pour chaque structure (CFC/CC/HC), associer le type de voisins indiqué (12/8/12) et la tendance ductilité/dureté du fer (austénite vs ferrite).
6. Expliquer la plasticité par les dislocations : nommer les trois types de dislocations et relier le passage sur plans parallèles aux traces de glissement en surface.
7. Définir le maclage (plan, direction, taux de maclage) et donner la règle des contraintes critiques (CC mode principal à basse T ; CFC maclage non observé si CC(macle) > CC(glissement) ; HC CC très faible).
8. Classer les modes de rupture à partir du macroscopique et du microscopique : rupture fragile/plastique-ductile vs fragile/ductile par faciès (lisse/cupules) et inter-/intragranulaire par plans de joints de grains.
9. Rappeler les hypothèses d’usage des diagrammes Fe-C (équilibre thermodynamique, refroidissement lent) et citer la nécessité de TTT/TRC en cas de refroidissement trop rapide.
10. Définir aciers (jusqu’à 2,1% C), hypoeutectoïde (<0,8%) et hypereutectoïde (≥0,8%), puis donner les microstructures correspondantes (perlite + ferrite ou perlite + cémentite).
11. Donner les constituants/transformations clés des aciers (austénite, ferrite, cémentite, perlite) et leurs propriétés générales (ex. cémentite très dure mais fragile ; ferrite ductile ; perlite biphasée).
12. Identifier les phases favorisées par les éléments d’addition (gammagènes vs alphagènes) et donner le seuil d’inoxydabilité lié au chrome (≥10,5% Cr avec couche passive).