Fiche de révision : Introduction aux structures et traitements des matériaux métalliques

📋 Plan du Cours

1. Échelles du matériau et défauts cristallins
2. Monocristal et polycristal
3. Joints de grain et anisotropie
4. Aubes de turbine et solidification contrôlée
5. Structure cristalline et maille cristalline
6. Polymorphisme et transformations allotropiques
7. Structures CFC, CC et HC
8. Perlite lamellaire et perlite globulaire
9. Fontes : coulabilité, graphitisation et lédéburite
10. Procédés de moulage des alliages
11. Traitements thermiques : objectifs et paramètres

📖 1. Échelles du matériau et défauts cristallins

🔑 Notions clés & Définitions

• Polycristal : Un polycristal est un matériau constitué d’un assemblage de cristaux dont les orientations peuvent varier.
• Monocristal : Un monocristal est un matériau constitué d’un seul cristal, donc sans joints de grains entre cristaux.
• Joint de grain : Un joint de grain est la zone de contact entre deux cristaux dont la structure et/ou l’orientation diffèrent.
• Maille cristalline : La maille cristalline est le plus petit motif d’atomes qui, répété périodiquement dans l’espace, reconstitue le cristal.
• Polymorphisme cristallin : Le polymorphisme cristallin désigne le fait qu’un même élément peut adopter plusieurs structures cristallines selon la température.

📝 Points essentiels

• Plus la taille des grains diminue, plus la surface totale des joints de grains augmente.
• Un joint de grain est dit cohérent lorsque la perfection cristalline est respectée de part et d’autre.
• Chaque cristal ou grain présente un comportement anisotrope car la taille et l’orientation relative ont un caractère statistique.
• La taille de grain se mesure par métallographie.
• La texture se détermine par des méthodes macroscopiques (radiocristallographie) ou microscopiques (microscopie électronique à balayage).
• La structure cristalline décrit la disposition des atomes dans l’espace et la maille se caractérise par angles α, β, γ et longueurs a, b, c.

💡 Astuce mémo

Polycristal = beaucoup de cristaux → beaucoup de joints de grains quand les grains sont petits.

📖 2. Monocristal et polycristal

🔑 Notions clés & Définitions

• Monocristal : Un monocristal est un solide où l’ensemble du matériau possède la même orientation cristallographique sur de grandes distances.
• Polycristal : Un polycristal est un solide constitué de plusieurs cristallites aux orientations cristallographiques différentes.
• Joint de grains : Un joint de grains est une zone très mince séparant deux cristallites d’un polycristal.
• Surface libre : Une surface libre est l’interface qui sépare le solide du gaz.

📝 Points essentiels

• Dans un polycristal, les joints de grains ont une épaisseur faible, de l’ordre d’environ 1 nm.
• Les surfaces libres séparent le solide du gaz et constituent donc une interface externe du matériau.
• Les interfaces entre deux phases correspondent à des zones de séparation entre deux états distincts du matériau.
• Les cristaux réels ne sont jamais parfaits : ils contiennent des défauts qui modifient localement l’organisation atomique.
• Les défauts plans incluent notamment les joints de grains, les surfaces libres et les interfaces entre phases.

💡 Astuce mémo

Monocristal = une seule “direction” ; Polycristal = plusieurs “directions” séparées par des joints de grains.

📖 3. Joints de grain et anisotropie

🔑 Notions clés & Définitions

• Joints de grains : Les joints de grains sont les interfaces entre cristaux voisins, où la structure cristalline change d’orientation.
• Rupture intergranulaire : La rupture intergranulaire est une propagation de la fissure le long des anciens joints de grains.
• Rupture intragranulaire : La rupture intragranulaire est une propagation de la fissure à l’intérieur des grains.
• Rupture fragile : La rupture fragile correspond à une rupture avec de faibles déformations avant la rupture.
• Rupture ductile : La rupture ductile correspond à une rupture avec des déformations plastiques importantes, au moins localement, avant la rupture.

📝 Points essentiels

• Des mécanismes microscopiques différents peuvent conduire au même mode macroscopique de rupture.
• Le comportement d’un même métal peut changer avec les conditions de sollicitation (température, vitesse de chargement, environnement) et les traitements subis.
• Un faciès ductile à température ambiante peut devenir fragile à basse température.
• Rupture fragile : les déformations à rupture sont faibles.
• Rupture plastique fragile : il existe des déformations plastiques mais elles restent faibles avant la rupture.
• Rupture plastique ductile : les déformations plastiques sont importantes (au moins localement) à la rupture.

💡 Astuce mémo

Inter- = aux joints (souvent fragile) ; Intra = dans les grains (souvent ductile).

📖 4. Aubes de turbine et solidification contrôlée

🔑 Notions clés & Définitions

• Diagramme de phase : Diagramme de phase : Représentation qui relie la température et la composition d’un alliage aux phases présentes.
• Ligne liquidus : Ligne liquidus : Limite au-dessus de laquelle l’alliage est entièrement liquide pour toute composition considérée.
• Ligne solidus : Ligne solidus : Limite au-dessous de laquelle l’alliage est entièrement solide.
• Diagramme binaire : Diagramme binaire : Diagramme qui décrit un système à deux composants en fonction de la température et de la composition.
• Refroidissement à l’équilibre : Refroidissement à l’équilibre : Modèle où, à chaque température, les phases et leurs fractions sont celles correspondant à l’équilibre.

📝 Points essentiels

• Au-dessus de la ligne liquidus, le système est à l’état liquide ; entre liquidus et solidus, il coexiste une partie liquide et une partie solide.
• Au-dessous de la ligne solidus, le système est entièrement solide.
• Un diagramme binaire permet d’identifier les phases présentes, la composition de chaque phase, et la fraction (ou pourcentage) de phases.
• Pour un alliage Pb-Sn à 10%Sn : à T>305°C on a L ; entre 270°C et 305°C on a L + Pb-rich solid ; entre 150°C et 270°C on a Pb-rich solid ; sous 150°C apparaît une précipitation de Sn-rich solid dans les grains.
• Pour un alliage Pb-Sn à 30%Sn : à T>260°C on a L ; entre 183°C et 260°C on a L + Pb-rich solid ; à 183°C a lieu la réaction eutectique L → Solide α + Solide β ; sous 183°C on a Pb-rich solid + Sn-rich solid avec précip.
• Transformations eutectique : liquide → deux solides ; eutectoïde : solide → deux solides ; péritectique : solide + liquide → solide ; péritectoïde : deux solides → solide ; monotectique : liquide → un liquide + un solide

💡 Astuce mémo

Liquidus = tout liquide ; Solidus = tout solide ; Entre les deux = mélange liquide+solide.

📖 5. Structure cristalline et maille cristalline

🔑 Notions clés & Définitions

• Austénite : Phase austénitique du fer où le carbone se dissout plus facilement que dans la ferrite et qui existe sur un domaine de température étendu.
• Sites interstitiels : Emplacements du réseau cristallin permettant l’insertion d’atomes comme le carbone, dont la taille influence la solubilité.
• Cémentite Fe3C : Carbure de fer métastable, très dur, qui peut se décomposer en ferrite (ou austénite) et en graphite.
• Perlite : Microconstituant eutectoïde biphasé formé par transformation isotherme de l’austénite en ferrite et cémentite.
• Lédéburite : Microconstituant eutectique biphasé issu de la réaction eutectique dans les fontes.

📝 Points essentiels

• Le carbone a une solubilité plus élevée dans l’austénite que dans la ferrite car les sites interstitiels y sont plus grands.
• L’austénite est décrite comme très ductile et très résiliente (A≈60%).
• De nombreux éléments peuvent entrer en solution de substitution dans le fer et élargir le domaine d’existence de l’austénite en température (ex. Ni, Mn).
• La cémentite est un carbure métastable qui tend à se décomposer en ferrite (ou austénite) et graphite selon Fe3C → 3Fe + C.
• La décomposition de la cémentite ne se manifeste qu’à température suffisamment élevée et dans des conditions particulières, notamment après un maintien prolongé.
• La cémentite est un carbure de fer : elle est très dure mais plutôt fragile.

💡 Astuce mémo

Austénite = “A” comme “Aise pour le carbone” (sites interstitiels plus grands) ; Cémentite = “C” comme “Cassante” (dure mais fragile).

📖 6. Polymorphisme et transformations allotropiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Graphitisation : Transformation où le carbone se met sous forme de graphite plutôt que sous forme de carbure dans la fonte.
• Éléments graphitisants : Éléments d’alliage qui favorisent la formation de graphite pendant le refroidissement.
• Éléments antigraphitisants : Éléments d’alliage qui freinent la formation de graphite et favorisent d’autres structures.
• Lédéburite : Microconstituant eutectique biphasé issu de la réaction eutectique dans les fontes.
• Graphite lamellaire : Forme en lamelles du graphite qui caractérise la fragilité des fontes grises.

📝 Points essentiels

• La graphitisation est d’autant plus facile que la vitesse de refroidissement Vr est faible.
• Si favorise la graphitisation, tandis que Mn agit comme antigraphitisant.
• Une pièce massive ou complexe peut présenter plusieurs structures selon la vitesse locale de refroidissement : fonte grise en zones massives, fonte blanche en surface ou dans les parties minces, et fonte truitée entre.
• La réaction eutectique conduit à un microconstituant eutectique constitué de γ(2% C) et de Fe3C.
• La lédéburite est un composé biphasé et, à température ambiante, on parle de lédéburite transformée.
• Les fontes blanches sont obtenues par refroidissement rapide, avec Mn élevé et Si faible, et elles présentent une excellente résistance à l’usure et à l’abrasion mais un usinage difficile.

💡 Astuce mémo

Vr faible → graphitisation facile ; Mn ↑ et Si ↓ → fonte blanche ; massif → grise, mince → blanche, entre-deux → truitée.

📖 7. Structures CFC, CC et HC

🔑 Notions clés & Définitions

• CFC : Structure cristalline à empilement compact où les atomes occupent une organisation très dense, utilisée pour relier structure et propriétés.
• CC : Structure cristalline à empilement compact, caractérisée par une forte densité atomique et des propriétés mécaniques associées.
• HC : Structure cristalline à empilement hexagonal, où l’empilement n’est pas cubique et influence le comportement du matériau.
• Structure d’équilibre : Structure correspondant à l’état le plus stable du matériau, vers laquelle un traitement thermique peut tendre pour modifier les propriétés.
• Couche passive d’oxyde de chrome : Film d’oxyde formé à la surface d’un acier inoxydable au contact de l’oxygène, qui limite la corrosion et peut se régénérer.

📝 Points essentiels

• Les aciers inoxydables résistent fortement à la corrosion, ce qui leur donne une durée de vie élevée dans la plupart des milieux, y compris à haute température.
• Le chrome forme une couche passive d’oxyde au contact de l’oxygène, qui protège le matériau et peut s’auto-régénérer.
• Si la couche passive est endommagée, un début de corrosion peut apparaître.
• Les traitements thermiques modifient la structure et donc toutes les propriétés du matériau, car propriétés et structure sont étroitement liées.
• Améliorer une propriété (ex. dureté) s’accompagne souvent d’une dégradation d’autres propriétés (ex. ductilité, usinabilité).
• Un recuit vise une structure proche de la structure d’équilibre et sert notamment à homogénéiser, restaurer, diminuer les contraintes internes et adoucir pour la mise en forme ou l’usinage.

💡 Astuce mémo

CFC/CC = empilement compact (dense) ; HC = empilement hexagonal (différent) ; Chrome = passivation (oxyde auto-régénérant) ; Recuit = retour vers l’équilibre (structure stable).

📖 8. Perlite lamellaire et perlite globulaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Perlite lamellaire : Structure d’acier issue d’un refroidissement lent, où la perlite se présente sous forme de lamelles.
• Perlite globulaire : Structure d’acier obtenue par globulisation, caractérisée par des constituants plus arrondis et favorables à la déformation à froid.
• Globulisation : Traitement de recuit visant à transformer la structure en une forme très favorable à la déformation ou à la frappe à froid.
• Vitesse critique de trempe : Seuil de refroidissement au-delà duquel la structure obtenue n’est plus perlitique mais devient martensitique.

📝 Points essentiels

• Un recuit vise une structure la plus proche possible de l’équilibre, avec homogénéisation chimique et micrographique, et réduction des contraintes internes.
• Le cycle de recuit comprend chauffage (avec paliers possibles), maintien isotherme, puis refroidissement à l’air ou au four selon une loi programmée.
• Plus la température de recuit est élevée, plus le temps de recuit est court, et plus la structure obtenue est proche de l’équilibre.
• La structure micrographique après recuit est d’autant moins « figée » que la température est élevée, que le maintien est long et que le refroidissement est moins rapide.
• La globulisation fait partie des recuits et donne une structure très favorable pour la déformation ou la frappe à froid.
• Lors d’une trempe, si la vitesse de refroidissement est lente on obtient une structure perlitique, tandis que si elle dépasse la vitesse critique on obtient une structure martensitique.

💡 Astuce mémo

Refroidir lent → perlite (lamelles) ; globuliser → perlite « ronde » pour mieux frapper/déformer à froid.

📖 9. Fontes : coulabilité, graphitisation et lédéburite

🔑 Notions clés & Définitions

• Coulabilité : La coulabilité désigne l’aptitude d’une fonte à s’écouler et à remplir un moule sans défauts lors de la coulée.
• Graphitisation : La graphitisation est la transformation conduisant à la formation de graphite dans la fonte au cours du refroidissement.
• Lédéburite : La lédéburite est une structure/constituant issu de la solidification des fontes, lié à la réaction eutectique.
• Trempe à cœur : La trempe à cœur correspond à la capacité de durcir toute l’épaisseur d’une pièce, pas seulement la surface.
• Vitesse critique de trempe : La vitesse critique de trempe est la vitesse minimale de refroidissement nécessaire pour obtenir la structure attendue lors de la trempe.

📝 Points essentiels

• Un revenu vise à faire évoluer une structure hors d’équilibre vers un état proche de l’équilibre.
• Le revenu se fait à une température modérée, inférieure à celle du recuit, pendant des durées limitées.
• Les phases et compositions après revenu restent en général proches de celles du recuit, mais la microstructure est nettement plus fine, ce qui augmente la résistance mécanique.
• Il existe des équivalences temps–température pour le revenu, comme pour les recuits.
• Les objectifs du revenu sont : durcissement par précipitation, adoucissement d’une phase trop fragile (ex. martensite), et relaxation des contraintes résiduelles sans évolution structurale.
• Les traitements thermiques peuvent créer des défauts : distorsions et contraintes résiduelles dues aux gradients thermiques, et contraintes liées aux changements de phases.

💡 Astuce mémo

Coulée→Trempe→Revenu : refroidir assez vite pour figer, puis chauffer modérément pour stabiliser sans perdre le gain mécanique.

📖 10. Procédés de moulage des alliages

🔑 Notions clés & Définitions

• Fonderie : Procédé de fabrication où la pièce est obtenue par solidification du métal liquide dans un moule.
• Moule réfractaire : Type de moule fabriqué avec un matériau résistant à la chaleur, utilisé notamment pour des fonderies à haut point de fusion.
• Moule métallique : Type de moule constitué d’un matériau métallique, permettant une réalisation de pièces moulées avec une autre tenue thermique que le moule réfractaire.
• Moule non permanent : Moule détruit après coulée, utilisé pour des pièces nécessitant des conditions de moulage particulières.
• Fonderie au sable : Procédé de fonderie utilisant un moule en sable (matériaux réfractaires) pour obtenir des pièces moulées.

📝 Points essentiels

• La fonderie produit les pièces par solidification du métal liquide dans des empreintes (moules).
• Les moules donnent la forme et les dimensions finales des pièces.
• Les produits moulés sont généralement isotropes mais peuvent être hétérogènes.
• Les pièces moulées présentent souvent un mauvais état de surface, une porosité importante et une ségrégation.
• Les moules peuvent être permanents ou non permanents.
• Fonderie au sable : adaptée aux pièces de forte épaisseur (>3 mm) avec un état de surface rugueux et un moule en matériaux réfractaires.

💡 Astuce mémo

Solidification dans le moule → forme finale, mais surface rugueuse + porosité + ségrégation.

📖 11. Traitements thermiques : objectifs et paramètres

🔑 Notions clés & Définitions

• Plasticité : Propriété des alliages solides permettant, sous un état de contrainte satisfaisant un critère de plasticité, d’obtenir une déformation permanente en première approximation sans changement de volume.
• Contrainte d’écoulement plastique : Grandeur qui caractérise la résistance du matériau à la déformation plastique et dont la valeur dépend fortement de la température de formage.
• Mise en forme à froid : Procédé de mise en forme réalisé à une température où la plasticité est obtenue sans chauffage de formage, avec des contraintes d’écoulement généralement plus élevées.
• Mise en forme à chaud : Procédé de mise en forme réalisé à une température de formage élevée, où la contrainte d’écoulement plastique est modifiée pour faciliter la déformation.
• Traitements thermiques : Ensemble d’opérations thermiques visant à modifier la structure et donc les propriétés des pièces, notamment dans le cadre des procédés de fabrication.

📝 Points essentiels

• La température de formage conditionne la valeur de la contrainte d’écoulement plastique, donc l’effort nécessaire pour déformer le matériau.
• La plasticité correspond à une déformation permanente laissant le volume invariant en première approximation après application d’un état de contrainte satisfaisant le critère de plasticité.
• On distingue la mise en forme à froid et la mise en forme à chaud à cause du rôle central de la température sur la plasticité.
• Les pièces issues de fonderie peuvent présenter une porosité importante et un état de surface rugueux, ce qui influence les propriétés finales et donc l’intérêt des traitements thermiques.
• Les moules non permanents (ex. fonderie au sable, cire perdue) permettent des alliages à haut point de fusion, tandis que les moules permanents (métalliques) sont associés à des alliages à bas point de fusion.
• La fonderie en coquille par gravité autorise l’usage de noyaux et permet tous types de traitements thermiques, contrairement à la fonderie sous pression où l’emploi de noyaux est très limité et la porosité à cœur réduit

💡 Astuce mémo

Température → contrainte : plus chaud, plus facile à déformer (froid vs chaud).

📅 Repères chronologiques

1. 1000o C<TPlage de température de fonctionnement des aubes de turbine HP (attention particulière)
2. 916oTempérature de référence pour la structure du fer appelée austénite (CFC)
3. 910o CTempérature de transformation γ → α dans du fer pur (début de transformation à température constante)
4. 305o CAlliage Pb-Sn à 10%Sn : au-dessus de 305°C, phases = L
5. 270o CAlliage Pb-Sn à 10%Sn : entre 270°C et 305°C, phases = L + Pb-rich solid
6. 150o CAlliage Pb-Sn à 10%Sn : entre 150°C et 270°C, phases = Pb-rich solid
7. 260o CAlliage Pb-Sn à 30%Sn : au-dessus de 260°C, phases = L
8. 183o CAlliage Pb-Sn à 30%Sn : à 183°C, réaction eutectique L → Solide α + Solide β
9. 1145o CFonte : point eutectique à 4,3% C (1145°C)
10. 1450o CSphéroïdisation : introduction du magnésium dans le bain de fonte vers 1450°C

📊 Tableaux de synthèse

Structures cristallines typiques des métaux

Modes de rupture : macroscopique vs microscopique

⚠️ Pièges & confusions fréquents

1. Confondre joint de grain et surface libre : le joint de grain sépare deux cristaux voisins, la surface libre sépare le solide du gaz.
2. Croire que la taille de grain augmente la surface des joints : le cours dit l’inverse (petits grains → surface totale des joints plus grande).
3. Inverser intergranulaire et intragranulaire : intergranulaire correspond aux plans liés aux anciens joints de grains, intragranulaire à la propagation dans les grains.
4. Penser que diagrammes d’équilibre restent valables si le refroidissement n’est pas suffisamment lent : le cours précise qu’il faut alors utiliser TTT/TRC.
5. Mélanger recuit et trempe : recuit vise une structure proche de l’équilibre (conditions proches d’équilibre), trempe vise des structures métastables hors d’équilibre.
6. Croire que la trempe “augmente la ductilité” : elle vise plutôt des phases métastables (ex. martensite) et le revenu sert à ajuster (adoucissement/relaxation).
7. Confondre fontes blanches et grises : blanches = carbone sous forme de cémentite, grises = carbone sous forme de graphite (carbone pur).

✅ Checklist Examen

1. Définir polycristal, monocristal et joint de grain, puis expliquer pourquoi la taille des grains influence la surface des joints.
2. Relier cristal/grain à l’anisotropie (caractère statistique de taille et orientation) et citer les méthodes de mesure (métallographie pour taille, radiocristallographie/MEb pour texture).
3. Expliquer la rupture en distinguant modes macroscopiques (fragile, plastique fragile, plastique ductile) et rappeler que des mécanismes microscopiques différents peuvent donner le même mode macroscopique.
4. Classer une rupture microscopique en intergranulaire ou intragranulaire à partir de la description de la surface de rupture et rappeler le rôle du MEB.
5. Décrire un diagramme de phase : axes (température/ composition), liquidus/solidus, et rappeler la condition d’équilibre thermodynamique (variations de température infiniment lentes).
6. Pour un diagramme binaire, énoncer les informations fournies : phases présentes, composition des phases, fraction/f pourcentage des phases.
7. Reprendre l’exemple Pb-Sn à 10%Sn et donner les phases pour T>305°C, 270°C<T<305°C, 150°C<T<270°C, puis sous 150°C.
8. Reprendre l’exemple Pb-Sn à 30%Sn et donner les phases pour T>260°C, 183°C<T<260°C, à 183°C (réaction eutectique), puis sous 183°C.
9. Citer les transformations eutectique, eutectoïde, péritectique, péritectoïde, monotectique telles que formulées dans le cours.
10. Distinguer aciers et fontes par leurs domaines de teneur en carbone, puis associer ferrite/austénite/cémentite/perlite à leurs caractéristiques (ductilité, résilience, dureté) telles que données.
11. Expliquer l’influence de la vitesse de refroidissement et des éléments graphitisants/antigraphitisants sur la graphitisation et relier cela aux familles de fontes (blanche/grise/truitée).
12. Décrire le rôle du chrome dans les aciers inoxydables (couche passive d’oxyde de chrome, auto-régénération, corrosion si endommagement) et rappeler les familles de structures selon le pourcentage d’alliage (martensitique
13. ferritique/austénitique).
14. Expliquer les objectifs et le cycle d’un recuit (chauffage + maintien + refroidissement), puis ceux d’une trempe (structure métastable, vitesse critique) et ceux d’un revenu (évolution hors d’équilibre vers proche de l’'