Fiche de révision : Matériaux en conception mécanique

📋 Plan du Cours

1. Typologie et propriétés des matériaux
2. Métaux ferreux et désignations
3. Superalliages et alliages d’aluminium
4. Alliages de cuivre et de titane
5. Matériaux composites
6. Traitements thermiques
7. Traitements de surface
8. Choix et dimensionnement

📖 1. Typologie et propriétés des matériaux

★ À maîtriser

• Les matériaux sont classés en deux grandes familles : les matériaux ferreux et les matériaux non ferreux.

• La masse volumique vaut 7800 kg/m³ pour l’acier, 2700 kg/m³ pour l’aluminium et 4500 kg/m³ pour le titane.

• La résistance à la rupture de l’acier varie de 230 MPa à 1200 MPa.

Compléments

• Les points de fusion indiqués sont:
  • 1530 °C pour le fer
  • 660 °C pour l’aluminium
  • 1668 °C pour le titane

💡 Astuce mémo

Ferreux ≠ non ferreux : le fer distingue les deux familles

📖 2. Métaux ferreux et désignations

🔑 Notions clés & Définitions

• Acier : Métal ferreux contenant moins de 2,1 % de carbone.
• Fonte : Métal ferreux contenant de 2,1 à 6,6 % de carbone.

📝 Points essentiels

• La désignation d’un acier faiblement allié indique successivement la teneur en carbone multipliée par 100, les symboles des éléments d’addition par teneurs décroissantes, leurs teneurs codées et d’éventuelles indications de soudabilité ou de moulage.

• La désignation 35CrMo4S correspond à un acier contenant 0,35 % de carbone, 1 % de chrome, moins de 1 % de molybdène et soudable.

📌 Un acier fortement allié possède au moins un élément d’addition dont la teneur dépasse 5 % et sa désignation commence par la lettre X.

💡 Astuce mémo

Carbone → éléments d’addition → indications d’usage

📖 3. Superalliages et alliages d’aluminium

🔑 Notions clés & Définitions

• Superalliage : Alliage possédant une excellente résistance mécanique, une bonne résistance au fluage à haute température et une bonne résistance à la corrosion et à l’oxydation.

★ À maîtriser

• Dans la désignation EN AW-2017, EN indique la norme, W l’état corroyé et la série 2000 l’ajout de cuivre.

• Les séries sont associées aux éléments suivants:

  • 1000 : aluminium pur
  • 2000 : cuivre
  • 3000 : manganèse
  • 4000 : silicium
  • 5000 : magnésium
  • 6000 : magnésium et silicium
  • 7000 : zinc

• Les alliages d’aluminium de série 7000 ont de très bonnes caractéristiques mécaniques mais une résistance à la corrosion moyenne, améliorée par un sur-revenu T7.

Compléments

• Les éléments fréquemment utilisés sont:

  • le nickel
  • le cobalt
  • le fer
  • le titane
  • l’aluminium

• L’Inconel 625, de base nickel et désigné NiCr22Mo9Nb, est utilisé notamment pour les aubages de turbine.

📖 4. Alliages de cuivre et de titane

📝 Points essentiels

• Les alliages de cuivre sont de bons conducteurs électriques et leur désignation indique le cuivre suivi des éléments d’addition et de leurs pourcentages réels.

📌 Le bronze est un alliage cuivre-étain, tandis que le laiton est un alliage cuivre-zinc.

• Les alliages de titane sont légers, possèdent une haute température de fusion et présentent une forte résistance à la corrosion.

💡 Astuce mémo

Cuivre : conducteur ; titane : léger et anticorrosion

📖 5. Matériaux composites

★ À maîtriser

• Les matériaux composites permettent un gain de masse à caractéristiques mécaniques égales, une faible sensibilité à la fatigue, une résistance à la chaleur et une orientation des fibres selon les efforts.

• Les inconvénients cités sont:

  • vieillissement humide
  • sensibilité aux trous
  • corrosion galvanique aluminium-carbone
  • tenue à la foudre
  • coût élevé des matières premières

• Lors du bobinage, les fils alimentent une tête de bobinage, sont rassemblés en nappe, puis sont enroulés sous tension autour d’un mandrin.

Compléments

• Les réservoirs bobinés sont des pièces de structure dimensionnées en tenue et fonctionnent sous une pression de 15 MPa à 40 MPa.

💡 Astuce mémo

Fibres orientées → masse réduite et résistance adaptée aux efforts

📖 6. Traitements thermiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Trempe : Traitement thermique qui augmente la dureté, la résistance à la rupture et la limite élastique par chauffage au-dessus de 727 °C suivi d’un refroidissement rapide.

📝 Points essentiels

📌 Seuls les aciers dont la teneur en carbone dépasse 0,35 % sont trempables.

📌 Le revenu chauffe l’acier en dessous de la température d’austénisation et le refroidit lentement jusqu’à 300 °C pour relâcher les contraintes de la trempe, tandis que le recuit peut annuler la trempe et ramollir la pièce.

💡 Astuce mémo

Trempe → revenu → recuit

📖 7. Traitements de surface

🔑 Notions clés & Définitions

• Traitement de surface : Opération mécanique, chimique, électrochimique ou physique qui modifie l’aspect ou la fonction de la surface pour l’adapter à des conditions d’utilisation données.

📝 Points essentiels

• Les propriétés recherchées peuvent être:
  • protection contre la corrosion
  • adhérence
  • conductivité électrique
  • résistance au frottement
  • propriété esthétique
  • dureté
  • propriétés tribologiques

📖 8. Choix et dimensionnement

★ À maîtriser

• Le choix d’un matériau est une étape complexe de la conception et peut s’appuyer sur les diagrammes d’Ashby.

📐 Formule — En traction, la contrainte normale vérifie $\sigma = \frac{F}{S}$ et la loi de comportement élastique vérifie $\sigma = E\,\epsilon$.

Compléments

• Dans les formules de traction, σ et E sont exprimés en MPa, F en newtons et S en mm².

📊 Tableaux de synthèse

Familles d’alliages d’aluminium