Etude des matériaux, normes et désignations. - Génie mécanique ...
Dans le métal, chaque atome a perdu un ou plusieurs électrons donc le métal est
... On assimile les atomes du métal à des sphères dures de rayon r et on ..... une
importante délocalisation des électrons et confirme la conduction du graphite.
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Matériaux
1 Objectif :
Décrire et indiquer les caractéristiques, les propriétés et la désignation des principaux matériaux.
1.1. Mise en situation :
Le dessin de définition dune pièce mécanique comprend la forme, les dimensions ainsi que la spécification exacte de la matière la constituant et doit respecter le cahier des charges fonctionnelles.
1.2.Familles de matériaux :
Les matériaux se divisent en plusieurs familles.
Matériaux Métalliques
Matière Plastique
Matériaux Minéraux
Matériaux composites
1.3. Justification du choix dun matériau :
Chaque matériau possède des caractéristiques spécifiques. Certains possèdent une grande résistance mécanique, pouvant supporter des contraintes importantes en subissant de faibles déformations, alors que dautres vont se déformer sous le moindre effort pour épouser la forme du support. En observant un ensemble mécanique, nous pouvons aisément justifier le choix du concepteur pour tel ou tel matériau en fonction de lemploi de la pièce.
Exemples :
Axe réducteur :
Matériau utilisé : Acier.
Pourquoi utilise ton ce matériau :
Pour sa résistance mécanique.
Carter réducteur :
Matériau utilisé : Alliage daluminium.
Pourquoi utilise ton ce matériau :
Faible densité.
Bonne conductibilité thermique pour le refroidissement.
Facilement coulable.
Roue dentée :
Matériau utilisé : Alliage de cuivre (bronze).
Pourquoi utilise ton ce matériau :
Faible coefficient de frottement.
Voyant :
Matériau utilisé : plastique.
Pourquoi utilise ton ce matériau :
Transparent.
Résiste aux petits chocs.
1.4. Etude des solutions technologiques du réducteur RI40 :
A partir du dessin densemble du réducteur RI40 (format A3) et de la nomenclature :
192Joint à lèvre182Roulement à billes 16006178Vis H M6X16 classe 8.8162Joint plat152Flasque à pattesAlliage aluminiumDensité, rigidité, cond. thermique141Bouchon de vidange131Voyant de niveau dhuilePlastiqueTransparence, résistance aux chocs126Vis H M5X12 classe 8.8111Chapeau arrièreAlliage aluminiumDensité, moulage103Rondelle détanchéité91Bouchon de remplissage82Roulement à billes 620272Joint plat61Chapeau moteur51Joint à lèvre41Clavette parallèle, forme AAcierRésistance mécanique31Vis sans finAcierRigidité, dureté21Roue creuseFonte et alliage de cuivreRigidité, moulage, coef. frottement11CarterAlliage aluminiumDensité, rigidité, cond. thermiqueREP.NbreDésignationMatièreObservation
Identifier sur le plan les pièces suivantes : {1, 2, 3, 4, 6, 11, 13, 15} (saider de la forme des hachures dans les dessins de coupes).
Colorier les pièces en fonction de la nature du matériau : (les pièces sont disponibles dans les mallettes du RI 40).
Acier : bleu.
Fonte : gris.
Alliage daluminium : jaune.
Alliage de cuivre : orange.
Plastique : rouge.
Composites : traits croisés noirs.
Céramiques : vert.
Remplir la colonne « Matière » de la nomenclature.
Identifier les caractéristiques principales des matériaux utilisés (remplir la colonne « observation » de la nomenclature.
2. Caractérisation dun matériau en fonction de son usage :
2.1. Exemple :
A partir des plans densembles du réducteur BW40 et du cahier des charges fonctionnelles :
CDCF :
Régime maximal dentrée moteur : 1500 tr/min.
Couple nominal dentrée : 20 Nm
Carter moteur 1 :
Nature des contraintes exercées sur le carter 1 : Supporter le moteur, ne pas se déformer sous le couple moteur et du récepteur, contenir de lhuile, évacuer la chaleur vers lextérieur (rendement de lensemble roue / vis sans fin faible), être moulable.
Quel matériau peu convenir, pourquoi :
Plastique : non, car ne supporte pas des efforts élevés (couple à transmettre), ne permet pas dévacuer la chaleur de lhuile
Alliage daluminium : oui, car il supporte les efforts à transmettre, il est un bon conducteur thermique, il se moule facilement.
Nous voyons ici que le choix dun matériau dépend de lusage de la pièce, donc du cahier des charges fonctionnelles.
2.2.Critères de choix dun matériau :
Lors de la conception du produit, le concepteur va choisir un matériau qui répond aux critères imposés par le cahier des charges fonctionnelles.
2.2.Exemples de critères :
A partir des exemples montrés par le professeur en classe et dans latelier, remplir le tableau suivant : Mettre une croix dans la case du critère auquel le matériau doit répondre et indiquer la nature du matériau utilisé.
CRITERESDuretéFrottementsTenue aux effortsUsinabilitéSoudabilitéMoulageConduction électriqueTranspa-renceDensitéMatériauBâtis de tourXXXXFonteTourelle de tourXXXXFonteMors de tourXXXAcierOutils de coupeXXXAcierCapot de protection de tourXXPlastiquePoutrelle de latelierXXXAcierSol de latelierXXXXCéramiqueVitres de latelierXCéramiqueBorniers du boîtier électriqueXXAlliage cuivreSupports des borniersXXPlastiqueCorps de perceuse à mainXXXPlastiqueCorps dune perforatriceXXXXAlliage aluminiumCarter du RI40XXXXAlliage aluminiumVis sans fin du RI40XXXXAcierRoue dentée du RI40XXXXXAlliage cuivreBoîtier de sourieXXPlastiqueBouteille deau 2lXXXPlastiqueBouteille de vin 3/4lXXCéramiquePlanche de surfXXXComposite
xxxxxxxxx
3. Classification des Matériaux :
3.1. Les aciers :
Les aciers sont des alliages de fer et de carbone avec éventuellement des éléments daddition.
3.1.1. Classification par emploi :
La désignation commence par la lettre :
Ex: S 235 : Limite élastique de 235 méga pascals
Sil sagit dun acier moulé la désignation est précédée de la lettre G (idem pour les aciers faiblement et fortement alliés).
Exemple : GS 335 : acier moulé ayant une limite élastique de 335 MPa.
3.1.2. Classification par composition chimique :
: Aciers non alliés :
Ils contiennent une faible teneur en carbone. Ils sont très utilisés en construction mécanique.
La majorité est disponible sous forme de laminés marchands (profilés: poutrelle, barre, ...) aux dimensions normalisées.
Utilisation : Ce sont des aciers dont lélaboration na pas été conduite en vue dune application déterminée.
Désignation :
On écrit successivement:
Ex: C 35 : 0,35% de carbone.
Aciers faiblement alliés
Pour ces aciers, aucun élément d'addition ne dépasse 5% en masse (ce pourcentage est ramené à 1% pour le manganèse).
Utilisation : Ils sont choisit lorsque l'on a besoin d'une haute résistance.
Désignation :
On écrit successivement:
Exemple : 35 Cr Mo 4 S ( 0.35 % carbone
1 % chrome ; traces de molybdène (< 1 %)
soudable
Aciers fortement alliés :
Les aciers fortement alliés possèdent au moins un élément d'addition dont la teneur dépasse 5% en masse.
Utilisation : Ce sont des aciers réservés à des usages particuliers. Par exemple, dans un milieu humide, on utilisera un acier inoxydable qui n'est autre qu'un acier fortement allié avec du chrome (% chrome > 11%).
Désignation :
On écrit successivement :
Exemples : X6 Cr Ni Mo Ti 17-12 ( 0.06 % carbone
17 % chrome ; 12 % molybdène
traces de titane (< 1 %)
X4 Cr Mo S 18 ( 0.04 % carbone
18 % chrome
traces de molybdène et de silicium (< 1 %)
3.2. Les fontes :
Les fontes sont également des alliages de fer et de carbone. Elles ont une excellente coulabilité.
Elles permettent donc d'obtenir des pièces de fonderie (pièces moulées) aux formes complexes.
Elles sont assez fragiles (cassantes), difficilement soudables, et ont une bonne usinabilité.
Fontes à graphite lamellaire :
Les fontes grises sont les plus couramment utilisées parce qu'elles :
sont économiques.
amortissent bien les vibrations.
ont une bonne coulabilité et usinabilité.
sont peu oxydables.
ont une bonne résistance à l'usure par frottement.
résistent bien aux sollicitations de compression.
Utilisation : Carters, bâtis, blocs moteurs, pièces aux formes complexes
Désignation :
La désignation commence par le préfixe :
Exemple : EN-GJL-300 ( fonte à graphite lamellaire de résistance à la rupture de 300 MPa.
: Fontes malléables à graphite sphéroïdale :
Les fontes à graphite sphéroïdal sont obtenues par adjonction d'une faible quantité de magnésium avant moulage. Elles sont plus légères et ont une meilleure résistance mécanique que les fontes grises, dont elles gardent les même propriétés.
Utilisation : Etriers de freins, culbuteur, vilebrequin, tuyauteries soumises à hautes pressions
Désignation :
La désignation commence par le préfixe :
Exemple : EN-GJS-400-18 ( Fonte à graphite sphéroïdale
Résistance à la rupture par traction de 400 MPA
18 % dallongement résiduelle après rupture.
3.3. Alliages non ferreux :
Alliages daluminium :
L'aluminium est obtenu à partir d'un minerai appelé bauxite. Il est léger (densité = 2,7), bon conducteur d'électricité et de chaleur. Sa résistance mécanique est faible, il est ductile et facilement usinable. Il est très résistant à la corrosion.
Utilisation : aéronautique du fait de leur légèreté.
Désignation : La désignation utilise un code numérique. Il peut éventuellement être suivi par une désignation utilisant les symboles chimiques.
Exemple : EN-AW-2017A ou exceptionnellement EN-AW-2017A [Al Cu 4 Mg Si]
Alliages cuivreux :
Il existe de très nombreux alliages de cuivre dont les plus connus sont : les bronzes et les laitons.
Les laitons :
Les laitons sont faciles à usiner et ont une bonne résistance à la corrosion. Ils peuvent être moulés ou forgés. Ils sont utilisés pour les pièces décolletées, tubes,...
Les bronzes :
Les bronzes ont une bonne résistance à la corrosion, un faible coefficient de frottement et sont faciles à mouler. Ils sont utilisés pour réaliser, entre autres, les coussinets et bagues de frottement.
Désignation :
La désignation commence par le préfixe :
Exemple : CU Zn 36 Pb 3 ( 36 % zinc
3 % plomb
3.4. Les plastiques :
Un plastique est un mélange dont le constituant de base est une résine ou polymère, à laquelle on associe des adjuvants (plastifiants, anti-oxydants
) et des additifs (colorants, ignifugeants).
Les thermoplastiques :
Très nombreux, ils sont les plus utilisés. Ils ramollissent et se déforment à la chaleur. Ils peuvent en théorie, être refondus et remis en uvre un grand nombre de fois (comportement thermique comparable aux métaux).
Exemples : ABS, PMMA (poly méthacrylate de méthyle), PTFE (polytétrafluoroéthylène), PP (polypropylène), PS (polystyrène).
Les thermodurcissables :
Ils ne ramollissent pas et ne se déforment pas sous laction de la chaleur. Une fois créés, il nest plus possible de les remodeler par chauffage.
Exemples : EP (époxyde), UP (polyester), PUR (polyuréthanne).
Les élastomères :
On peut les considérer comme une famille supplémentaire de polymères aux propriétés très particulières. Ils sont caractérisés par une très grande élasticité.
Exemples : NBR (nitrile), EPDM (éthylène propylène), SBR (styrène butadiène).
3.5. Les composites.
Ils sont composés dun matériau de base (matrice ou liant) renforcé par des fibres, ou agrégats, dun autre matériau.
En renfort, on utilise la fibre de verre (économique), la fibre de carbone (plus coûteuse) et enfin les fibres organiques (kevlar).
Mais comme exemples familiers de matériaux composites, on peut citer le béton armé (béton + armature en acier), les pneumatiques (élastomère + toile et fils dacier),
3.6. Les céramiques.
Ni métallique, ni polymères, ce sont les matières premières les plus abondantes de la croûte terrestre et les matériaux les plus anciens utilisés par lhomme.
Elles sont très dures, très rigides, résistent à la chaleur, à lusure, aux agents chimiques et à la corrosion mais sont fragiles.
Les céramiques traditionnelles :
Elles regroupent les ciments, les plâtres, terres cuites
et les produits à base de silice, verres, cristal.
Les céramiques techniques:
Plus récentes, elles sont soit fonctionnelles, à « usage électrique » (ferrites), soit structurales, à usage mécanique (carbures) ou thermomécanique.
Utilisations : fibre optique (silicium), outils de coupe (carbures), joints détanchéité, isolants
3.7. Annexe.
Tableau des symboles métallurgiques et facteurs multiplicateur.
4. Synthèse :
Caractérisation des matériaux :
CRITERES
MATERIAUXTenue aux effortsDuretéTenue aux frottementsTenue aux chocsForte élasticitéCoefficient de frottement faibleTenue à la corrosionUsinabilitéSoudabilitéMoulageConduction électriqueIsolant thermiqueTransparenceDensité
faibleAciers
Usage général
Ex : poutrelle, tubeXXXXMXXMMAciers
Non alliés
Ex : pièce forgée, ressortXXXXMXXMMAciers
Faiblement alliés
Ex : engrenagesTBTBTBTBMXXMMAciers
Fortement alliés
Ex : inox, roulement à billesTBTBTBTBMTBMMMMFontes
Lamellaire
Ex : bâtisXXXMMTBXMFontes
Sphéroïdales
Ex : vilebrequinXXXXMMTBXMAlliages aluminium
Ex : carter légerXMTBTBXXTBXAlliages cuivre
Laiton
Ex : robinettetrieXMMTBTBXTBAlliages cuivre
Bronze
Ex : roue dentéeXMXTBTBMXXPlastiques
Thermoplastiques
Ex : couvercle légerXMXXXXXPlastiques Thermodurcissable
Ex : couvre culasseXXXXXPlastiques élastomères
Ex : joint toriqueXXXXXXCéramiques
Traditionnelles
Ex : ciment, verreXXXXXXCéramiques techniques
Ex : carbureXXXMXXX
X : Application correcte.
M : Application moyenne.
TB : Application très bonne.
Désignation normalisée des métaux et alliages :
Acier dusage courant :
Sil sagit dun acier moulé la désignation est précédée de la lettre G (idem pour les aciers faiblement et fortement alliés).
Aciers non alliés :
Aciers faiblement alliés
Tableau des symboles métallurgiques et facteurs multiplicateur.
Aciers fortement alliés :
Fontes à graphite lamellaire :
Fontes malléables à graphite sphéroïdale :
Alliages cuivreux :
Les laitons :
Les bronzes :
5. Applications, exercices :
3.1. Réducteur BW40 :
A partir des plans densembles du réducteur BW40, de la nomenclature et du CDCF :
CDCF :
Régime maximal dentrée moteur : 1500 tr/min.
Couple nominal dentrée : 20 Nm
Daprès la désignation normalisée des matériaux, donner la nature et (si possible) la composition des éléments suivants : (vous pouvez vous aider du guide des sciences)
Carter {1} : EN AB-43000 [Al Si 10 Mg] : Alliage daluminium produit laminé.
Composition : 10 % de silicium et traces de magnésium
Roue {13} : EN-GJL200 et CuSn12 : EN-GJL200 : Fonte à graphite lamellaire.
Limite à la rupture par traction : 200 MPa.
CuSn12 : Alliage de cuivre.
Composition : 12 % étain
Cest un bronze
Joint torique {06} : NBR : Elastomère, nitrile
Cache {04} : PS : Thermoplastique, polystyrène
Faire une proposition de matériaux pour les éléments suivant :
Vis sans Fin {05} : 20 Ni Cr 6
Bouchon {07} : EN AW-3003[AlMn1Cu]
Bride moteur {10} à partir dun matériau laminé : EN AW-5086[AlMG4]
Diagramme apte ou PieuvrePage PAGE 2 / 3F. Quatrevieux( Analyse fonctionnelle.docAnalyse fonctionnelle des produits industrielsVersion 01
Matière
CU
+ élément daddition 1+ % de lélément daddition 1
+élément daddition 2 + % de lélément daddition 2
+...
Cuivre + étain = Bronze
Cuivre + Zinc = Laiton
EN-GJ + S (sphéroïdale) ou MB ou MW (malléable).
Les nombres qui suivent indiquent la valeur en méga pascals de la résistance minimale à la rupture par extension et du pourcentage de lallongement après rupture.
EN-GJL
Le nombre qui suit indique la valeur de résistance minimale à la rupture par extension.
La lettre X.
Un nombre égal à 100 fois la teneur en carbone.
Les symboles chimiques des éléments d'addition dans l'ordre des teneurs décroissantes.
Dans le même ordre, les teneurs des principaux éléments (sans coefficient multiplicateur).
Un nombre égal à 100 fois la teneur en carbone.
Les symboles chimiques des éléments d'addition dans l'ordre des teneurs décroissantes.
Dans le même ordre, les teneurs des principaux éléments d'addition (multipliées par 4, 10, 100, ou 1000 Cf Tableau)
Eventuellement des indications supplémentaires concernant la soudabilité (S), l'aptitude au moulage (M), ou la déformation à froid (DF).
Dimensions
Lettre C + pourcentage de carbone multiplié par 100.
Sécurité :
Tenue dans le temps.
Incendies
Caractéristiques physico-chimiques:
Comportement à la corrosion, compatibilité avec le milieu ou autres matériaux. Vieillissement.
Température.
Conductibilité électrique ou thermique.
Dilatation.
Caractéristiques économiques:
Coût.
Disponibilité.
Aspect.
Matériau
Caractéristiques mécaniques :
Limites élastique, de rupture.
Tenue aux chocs.
Dureté.
Densité.
Coef. de frottement
Caractéristiques de mise en uvre :
Usinabilité.
Soudabilité.
Traitements thermiques.
Moulage.
Forme
Dessin de définition
CFDCF
Ferreux (acier, fontes,
)
Non ferreux (alliages daluminium, de cuivre,
)
Thermoplastiques
Thermodurcissables
Elastomères
S pour les aciers dusage général.
E pour les aciers de construction mécanique.
Le nombre qui suit indique la valeur minimale de limite élasticité en méga pascals.
CU
+ élément daddition 1+ % de lélément daddition 1
+élément daddition 2 + % de lélément daddition 2
+...
Cuivre + étain = Bronze (Cu + Sn)
Cuivre + Zinc = Laiton (Cu + Zn)
EN-GJ + S (sphéroïdale) ou MB ou MW (malléable).
Les nombres qui suivent indiquent la valeur en méga pascals de la résistance minimale à la rupture par extension et du pourcentage de lallongement après rupture.
EN-GJL
Le nombre qui suit indique la valeur de résistance minimale à la rupture par extension.
La lettre X.
Un nombre égal à 100 fois la teneur en carbone.
Les symboles chimiques des éléments d'addition dans l'ordre des teneurs décroissantes.
Dans le même ordre, les teneurs des principaux éléments (sans coefficient multiplicateur).
Un nombre égal à 100 fois la teneur en carbone.
Les symboles chimiques des éléments d'addition dans l'ordre des teneurs décroissantes.
Dans le même ordre, les teneurs des principaux éléments d'addition (multipliées par 4, 10, 100, ou 1000 Cf annexe)
Eventuellement des indications supplémentaires concernant la soudabilité (S), l'aptitude au moulage (M), ou la déformation à froid (DF).
S pour les aciers dusage général.
E pour les aciers de construction mécanique.
Le nombre qui suit indique la valeur minimale de limite élasticité en méga pascals.
Lettre C + pourcentage de carbone multiplié par 100.
224Vis CHC, M6-12 4.8NF E 25-1252116Vis FHC, M4-12 10.9NF E 27-160204Vis H, M6-20 - 4.6NF E 25-114191Bride de sortieEN AB-43000 [Al Si 10 Mg]182Joint plat, 84 x 84172FlasqueEN AB-43000 [Al Si 10 Mg]162Joint à lèvre, type IE 30 x 47 x 7DIN 3760152Roulement à billes 16006NF E 22-315141Moyeu à arbre creux131RoueEN-GJL200 et CuSn1230 dents. Surmoulé sur (14)121Joint à lèvre, type IEL, 25 x 35 x 7DIN 3760111Joint plat, 54 x 54101Bride moteurEN AW-5086[AlMG4]093Cales de réglage081Butée à bille à simple effet 51105NF E 22-320071BouchonEN AW-3003[AlMn1Cu]061Joint toriqueNBR051Vis sans fin20 Ni Cr 62 filets041CachePS031Anneau élastique pour alésage, 35x1,5NF E 22-163021Roulement à billes 6202NF E 22-315011CarterEN AB-43000 [Al Si 10 Mg]RepNbDésignationMatièreObservationREDUCTEUR ROUE ET VIS
Brown BW-40
De grande diffusion : granulats, ciments, bétons
Spécifiques : verres, amorphes, cristaux, céramiques
A âme organique
A âme métallique
