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_________________________________________________________________________________Lyce Vauban, Brest classe de PTSI 1

1 Mtaux et alliages mtalliques

1.1 - Alliages base de fer

Les alliages base de fer (aciers et fontes) jouent et continuent de jouer un rle capital surle plan technologique. Ils constituent en masse prs de 90 % de la production mondiale dematriaux mtalliques. Plusieurs facteurs expliquent cette importance : les alliages ferreuxse prtent facilement une production en masse, ils sont bon march et on peut les acqurirsous des formes trs varies grce la diversit des traitements thermiques et des lmentsdaddition. Ils ont un fort module dlasticit et une forte limite lastique.

Nous pouvons distinguer : les aciers dusage gnral ; les aciers de traitement thermique ; les aciers outils ; les aciers inoxydables ; les fontes.

Lacier est un alliage de fer et de carbone renfermant au maximum 2 % de ce dernierlment. La fonte contient, quant elle, de 2 5 % de carbone. Contrairement cettedernire, lacier est un mtal ductile2 : il peut subir des changements de forme parcompression ou extension chaud ou froid. Il est caractris par une propritfondamentale : il prend la trempe , cest--dire quil est susceptible dacqurir une grandeduret lorsquil est chauff une temprature suffisamment leve et refroidi une vitesse

assez grande.

Un des dfauts majeurs des aciers ordinaires est laltration par laction de latmosphre et,plus encore, par laction des divers produits au contact desquels ils peuvent se trouver. Larouille est la premire manifestation de cette altration, mais des attaques beaucoup plusprofondes peuvent se produire par laction de gaz ou de liquides plus ractifs.

1.1.1 - Aciers dusage gnral (S355, E335)

Ces aciers sont dfinis principalement par leurs proprits mcaniques. Leur rsistancemcanique est de lordre de 500 MPa pour la rupture et de 350 MPa pour la limite lastique ;ils sont ductiles puisque leur teneur en carbone est faible (elle ne dpasse pas 0,2 %) ;

lallongement relatif avant rupture est de lordre de 25 %. Ces aciers sont produits sous laforme de profils (produits longs) ou sous la forme de tles (produits plats) en fonction deleur utilisation.

Les produits longs comprennent les poutrelles, les profils de sections diverses, les fersmarchands, les tubes, les fils, les cbles et les rails.

Les produits plats comprennent les tles fortes, les plaques (paisseurs suprieure 5 mm),les tles minces pour lemboutissage.

1.1.2 - Aciers outils (35 Cr Mo 4, 100 Cr 6)

1 Haut fourneau au coke du Creusot, 1865 environ.2 ductile : qui peut tre dform de faon permanente sans se rompre

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Toutes les tapes de la fabricationncessitent des outils dont les conditionsdutilisation peuvent tre trs varies (chocs,tranchant, duret). La teneur en carbone esten gnral assez leve (de lordre de 0,6 1%) sauf pour les outils travaillant aux chocs(moule dinjection pour matire plastique). Cesont en gnral des aciers fortement allis dechrome (entre 5 et 12 %) pour viter lacorrosion. Ils doivent possder la duret laplus leve possible, une trs bonnersistance l'usure et une grande tnacit.

1.1.3 - Les aciers de traitement thermique(C 32, 20 Ni Cr 6, 35 Ni Cr Mo 16)

On distingue 3 grands types de traitementthermique : les recuits, les traitement dans lamasse (trempe3, revenu4, austnisation5) etles traitements de surface (trempesuperficielle, nitruration, cmentation). Ces

aciers sont dfinis par leur composition chimique. Celle-ci dtermine le type de traitementquon peut leur appliquer. Les aciers de traitement thermique sont soit des aciers au carbone(sans autre lment d'addition que les lments d'accompagnement, Mn et Si), soit desaciers allis contenant en proportions variables, un ou plusieurs lments d'addition (Cr, Ni,Mo, V, ) ; le chrome favorise le durcissement et augmente la rsistance la corrosion ; lenickel augmente la tnacit6 basse temprature ; le molybdne augmente la rsistancemcanique et la duret ainsi que la rsistance au fluage7,

1.1.4 - Aciers inoxydables (X 30 Cr 13, X 8 Cr Ni 18-12)

Les aciers inoxydables comprennent un ensemble de familles d'alliages base de fer dont laprincipale proprit est la rsistance la corrosion gnralise. Toutefois, bien qu'on lesqualifie d'inoxydables, ces aciers ne sont pas dans tous les cas totalement exempts d'unepossibilit de corrosion. Par exemple, les aciers inoxydables austnitiques (les pluscourants), prsentent dans certains cas le phnomne de corrosion intergranulaire, quand ilssont maintenus au contact prolong de certains ractifs. Celui-ci provient d'unedchromatisation des rgions voisines des frontires des grains provoque par la formationde carbures de chrome et de fer dans les joints intergranulaire. Le chrome est l'lmentessentiel qui, des teneurs suprieures environ 12 % rend l'acier inoxydable en favorisant,

en milieu oxydant, la formation d'un film passif sa surface.

On utilise ce type dacier en visserie, pour les ressorts, pour les arbres de pompes, lacoutellerie, les soupapes ...

3 trempe : traitement thermique consistant chauffer une certaine temprature de transformationstructurale et refroidir plus ou moins rapidement pour obtenir un tat hors d'quilibre.4 revenu : traitement thermique consistant un rchauffage rgulier suivi d'un refroidissement lent,aprs trempe, ayant pour fonction d'augmenter la rsistance aux chocs (rsilience).5

austnite : solution solide d'insertion de carbone dans le fer (structure CFC).6 tnacit : rsistance au choc.7 fluage : dformation plastique voluant dans le temps.

Les proprits des mtaux

Les matriaux mtalliques, comme leur nom lindique,comportent des liaisons essentiellement mtalliques,cest--dire en partie assures par des lectrons

dlocaliss. Ces derniers sont responsables desbonnes proprits de conductivit thermique etlectriques des mtaux. Les mtaux sontgnralement paramagntiques voireferromagntiques. Leur temprature de fusion et devaporisation sont en gnral leves. Les mtaux sontpour la plupart ductiles et relativement tenaces etlassociation de leur tnacit et de leur ductilit est unatout majeur pour leur mise en forme. Par contre,aprs mise en forme, on peut facilement donner auxalliages mtalliques une bonne rsistance mcaniquepar des traitements thermiques appropris grce laprcipitation de phases durcissantes (durcissementstructural. Du fait de leur plasticit, leur tenue lafatigue peut poser des problmes et ils sont de plussouvent sensibles la corrosion. Enfin, les mtauxsont en gnral des matriaux lourds et denses ce quiest parfois un handicap.

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1.1.5 - Fontes (EN-GJL 150, EN-GJS 400-18)

Les fontes sont des alliages fer-carbone de trs forte teneur en carbone (> 2 %), ce qui lesrend fragiles et interdit toute dformation plastique. On les utilise donc principalement enfonderie. On distingue les fontes blanches, grises, mallables et graphite sphrodale enfonction de leur teneur en silicium. Les fontes blanches sont dures et fragiles mais rsistentbien lusure. Les fontes grises, moins dures et moins fragiles, amortissent les vibrations etsont souvent utilises pour les btis. Les fontes mallables sont utilises pour la petitequincaillerie, les raccords de plomberie ... La fonte graphite sphrodale possde desproprits mcaniques (rsistance, tnacit) comparables celles des aciers et rsistentmieux lusure que ceux-ci. Cest pour cette raison que lon utilise les fontes graphite

sphrodale pour la fabrication des carters de pompes, des vannes, des vilebrequins, desengrenages ...

DESIGNATION DES ACIERS (norme NF EN 10025)

Classification par emploi

S 235 ou E 360

Classification par composition chimique

Les aciers non allis (teneur en manganse infrieure 1 %)

C 50

Les aciers faiblement allis (teneur en manganse suprieure 1 %, teneur de chaque lment d'alliageinfrieure 5 %)

42 Cr Mo 4

Les aciers fortement allis (teneur d'au moins 5 % pour un lment d'alliage)

X 5 Cr Ni 18-10

Acier d'usagegnral

Re = 235 MPa

Acier de constructionmcanique

Re = 360 MPa

0,5 % de carboneen moyenne

0,42 % de carbone

du chrome, dumolybdne

1 % de chrome

0,05 % de carbone

18 % de chrome

10 % de nickel

du chrome, du nickel

il faut diviser par 4pour Cr, Co, Mn,Ni, Si, W, par 10pour les autres,sauf Ce, N, P et Spar 100 et B par1000.

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Microstructure d'une fonte blanche Microstructure d'une fonte graphite sphrodal

Dsignation normalise des fontes

les fontes graphite lamellairedsignation numrique : EN-JL 1020dsignation symbolique : EN-GJL 100

les fontes mallables et les fontes graphite sphrodal

dsignation numrique : EN-JM 1050, EN-JS 1020dsignation symbolique : EN-GJMW-450-7, EN-GJMB-300-6, EN-GJS-700-2

1.2 - Alliages non ferreux

Bien que ne reprsentant que 10 % des matriaux mtalliques utiliss industriellement, lesalliages non ferreux nen restent pas moins utiliss pour certaines de leurs propritsspcifiques : masse volumique faible, proprits lectriques, rsistance la corrosion et loxydation, facilit de mise en uvre. Ces avantages lemportent dans certainesapplications, malgr le cot de revient plus lev de ces alliages. Nous nous limiterons auxalliages de laluminium, du cuivre et du zinc.

1.2.1 - Aluminium et ses alliages

Les alliages daluminium prsentent tous les avantages recenss ci-dessus. Le point defusion de laluminium, notamment, est bas (~ 660 C) ce qui le rend particulirement apteaux oprations de fonderie. L'aluminium tant par ailleurs trs ductile, on peut aisment lemettre en forme l'tat solide, par dformation plastique (laminage, filage la presse,tirage,). Ils ont de bonnes proprits mcaniques spcifiques (leur masse volumique estde 2700 kg.m-3, soit prs de trois fois moins que l'acier) et rsistent assez bien la corrosiongrce la formation d'une couche d'oxyde Al2O3 en surface, mais leur tenue mcanique au-del de 150 C pose problme ainsi que leur tenue en fatigue et en corrosion souscontrainte. Ils sont de plus difficile souder et relativement chers. Il existe de nombreuxalliages d'aluminium que se soit des alliages corroys ou des alliages de fonderie.

Code numrique Rsistance minimale

la rupture en traction en

Fonte mallable cur blanc

Fonte mallable cur noir

Fonte graphitesphrodal

Rsistance minimale la rupture en traction enMPa et pourcentage del'allongement aprsrupture

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Compte tenu de ces avantages, cest un alliage principalement utilis en aronautique, danslindustrie alimentaire et cryognique, pour les articles de sport et les structures utilises enatmosphre marine.

La dsignation des alliages d'aluminium de fonderie

La norme NF EN 1780 impose une dsignation numrique des alliages d'aluminium defonderie qui peut tre ventuellement suivie d'un dsignation par symboles chimiques.

Exemple : EN AB 44 200 [Al Si 12]

1.2.2 - Cuivre et ses alliages

noms dsignation R (MPa) remarquesLaitons Cu Zn20

Cu Zn23 Al4

200-260

500

bonnes qualits de frottement - mise en uvre aise

excellentes caractristiques mcaniques - fonderieCupro-aluminiums Cu Al11 Ni5 Fe5Cu Al9

740-800500

excellente rsistance la corrosion - inoxydable haute utilis en construction navale

Cupro-nickels Cu Ni10 Fe1 Mn 300-350 utilis en construction navaleBronzes Cu Sn 5

Cu Sn7 Pb6 Zn4340-390

220trs bonne tenue aux frottementsaptitude ltanchit - excellentes proprits de fonderie

Les principales qualits du cuivre sont : une trs bonne conductibilit lectrique etthermique, une rsistance convenable lusure. Ils sont cependant sensibles la corrosionet sont chers. Ses domaines dapplication exploitent directement ces proprits puisquonutilise presque la moiti de la production mondiale de cuivre pour du matriel lectrique(conducteur, transformateur, moteurs lectriques...). Le reste de la production est

8 corroyage : forgeage chaud de barres ou de tles

La dsignation des alliages daluminium corroys

La norme NF EN 573 dfinit les rgles de dsignation des produits destins tre transformspar corroyage8. La dsignation des alliages daluminium comprend un nombre de 4 chiffres et

une lettre dont la dfinition est donne ci-aprs :

Quelques alliages de cuivre

PRINCIPAUX ELEMENTS DADDITION

2 : cuivre 4 : silicium 6 : magnsium 7 : zinc3 : manganse 5 : magnsium & silicium 8 : autres

2 6 18 Ale premier chiffredonne llment principaldaddition, et prend desvaleurs de 2 8.

le deuxime chiffredonne le nombre demodificationseffectues sur lalliage.

le troisime chiffreidentifie lalliage, pas designification particulire.

la lettreindique une variation lgredans la composition debase

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principalement utilis pour les tuyaux eau, la plomberie, les pompes et les vannes...Associ ltain ou laluminium, il possde de bonnes proprits de surface (rsistance lusure et au frottement), on lutilise comme palier de guidage, comme pignon...

Temprature de fusion : 1 080 C,Masse volumique : 8 900 kg.m-3.

Dsignation : code numrique (exemple : CW453K) ou symboles chimiques (Cu Sn 8)

1.2.3 - Zinc et ses alliages

Les principaux avantages des alliages de zinc sont leur faible temprature de fusion (~420 C) et leur excellente coulabilit. Ils sont donc principalement destins la fonderie, cequi permet dobtenir des pices de forme trs complexe et dpaisseur trs mince (~ 0,4mm). Leur faible cot de revient permet de concurrencer les alliages daluminium ou decuivre et mme souvent les matires plastiques. On utilise largement les alliages de zincdans lautomobile (carburateur, pompe essences...), dans llectromnager, en

quincaillerie et en mcanique de prcision (appareils photographiques, horlogerie...)Les principaux alliages de zinc sont les zamaks qui contiennent 4 % daluminium, 0,04 % demagnsium et 1 % de cuivre ou pas du tout. Exemple de dsignation du zamak 3 : Z - A4G,et du zamak 5 : Z - A4 U1 G.

Masse volumique du zinc : 7 100 kg m -3.

1.2.4 - Titane et ses alliages

Bien que le titane soit un lmentfort abondant dans l'corce

terrestre, ce n'est que vers 1950qu'on a commenc l'utiliser sousforme mtallique. Ceci dcoule desdifficults lies sa mtallurgieextractive et des problmes posspar sa mise en uvre.

Les caractristiques tout faitparticulires du titane et de sesalliages en font un mtal de choixpour de nombreuses utilisations,notamment dans les domaines

aronautiques et arospatial etdans l'industrie chimique. La massevolumique du titane (4540 kg.m-3)se situe entre celle de l'aluminiumet du fer ; toutefois, lle rapportrsistance mcanique sur massevolumique des alliages de titaneest nettement suprieur celuides autres mtaux. La rsistance

la corrosion du titane et de ses alliages est excellente (le titane est passivable grce laformation d'un film protecteur de TiO2) ; elle est suprieure celle des aciers inoxydables.Les alliages de titane peuvent manifester une bonne tenue mcanique chaud (jusque vers

700 C) et une bonne rsistance l'oxydation ; cependant, des tempratures plus leves,

Comparaison entre les rapports limite d'lasticit/masse

volumique pour divers alliages : a) : Ti 6 Al 4 V, b) : 30 Cr Ni Mo 8,

c) : aluminium 7075-T6, d) : alliage de magnsium haute

rsistance.

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ils risquent de se charger en impurets (oxygne, hydrogne), ce qui altre leurs propritsmcaniques.Temprature de fusion : 1 670 C.

1.2.5 - Alliages rfractaires

Pour de trs nombreuses applications, il a fallu mettre au point des alliages qui, sans qu'ilsse dgradent par oxydation, conservent des proprits mcaniques acceptables hautetemprature : il s'agit des alliages rfractaires employs des tempratures pouvants'chelonner de 700 1000 C, selon le cas. A des tempratures infrieures, on peutrecourir certains aciers inoxydables. Il existe trois principales classes d'alliagesrfractaires : les alliages base de fer et de nickel (contenant au moins 25 % de nickel), lesalliages base de nickel (une centaine de compositions diffrentes), les alliages base decobalt (la rsistance la corrosion due au gaz de combustion est beaucoup plus leve quepour les deux types prcdents) ; on appelle souvent ces alliages des superalliages .

Les utilisations des alliages rfractaires sont multiples ; parmi celles-ci, citons les suivantes :

rsistances lectriques chauffantes, soupapes d'chappement des moteurs combustion interne, fours industriels et quipements de traitements thermiques,

2 Polymres : matires plastiques

Les polymres sont constitus dun grandnombre dunits fondamentales, appelesmonomres. Ce sont des molculesorganiques dont le noyau est essentiellementconstitu dun atome de carbone (ou de

silicium dans le cas des polymressilicons). On distingue les polymres issusdlments naturels tel que le latex, le bois,le coton... et les polymres obtenus parsynthse partir dlments tels que lecharbon, les hydrocarbures, leau, le sable...

Les polymres, substances organiquesmacromolculaires, sont obtenus par

lassemblage des monomres de base. Cette opration sappelle la polymrisation.

On en distingue deux principaux types :

Les proprits des polymres

Les polymres sont constitus de macromolcules squelette covalent, lies entre elles par des liaisonsfaibles (liaisons de Van der Waals ou liaisonshydrogne). Leurs proprits dpendent fortement du

comportement de ces liaisons faibles, et voluentconsidrablement avec la temprature. Ils aurontgnralement un faible module dlasticit, et unelimite lastique dautant plus faible quils seront ports plus haute temprature. Ils seront donc faciles mettre en forme. Ils ont aussi malgr leur bonnedformabilit, une bonne rsistance lusure. Ils sontfaciles assembler et ont une bonne tenue lacorrosion. Enfin, ce sont des matriaux lgers et ilspeuvent tre trs bon march.

Polymrisation par addition,

Les monomres prsentent une double liaison carbone-carbone (C = C), celle-ci peutsouvrir pour devenir (- C - C -), et laquelle dautres monomres peuvent se lier. Il estpossible dajouter des molcules de mme nature, dans ce cas on obtient un homopolymre,le polythylne par exemple, ou de nature diffrente pour donner un copolymre, lepolystyrne-butadine-acrylonitrile par exemple. On obtient ainsi par ce procd, unemacromolcule linaire qui croit par addition des monomres. Cest une raction en chanedont la cinmatique peut tre trs rapide et quon peut contrler par des additifs

(retardateurs).

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Selon le mode de polymrisation, la structure des polymres peut prendre plusieurs formes.La polymrisation par addition entrane la formation de macromolcules linaires qui peuventse ramifier, alors que la polymrisation par condensation peut engendrer en gnral unrseau tridimensionnel. Le comportement des matires plastiques dpend en grande partiedu type de structure obtenue et de son degr de rticulation9. En gnral, on classe lesmatires plastiques en trois groupes, les thermoplastiques, les thermodurcissables et leslastomres.

Matires thermoplastiques

Dans les polymres linaires, ou ramifis, obtenus par addition, les macromolcules ne sontlies entre elles que par des liaisons de faible intensit (liaisons de Van der Waals). Lecomportement global du matriau dpend alors de la mobilit des chanes les unes parrapport aux autres et de la rotation autour des liaisons C - C. Llvation de tempraturefacilite le dplacement des chanes les unes par rapport aux autres, le comportementdabord vitreux, devient caoutchoutique entre la temprature de transition vitreuse (Tg10 ouTv) et la temprature de fusion Tf. La rversibilit de comportement permet la mise en forme

de ces matires ltat fondu ou caoutchoutique.

Matires thermodurcissables

Les matires plastiques obtenues par condensation de monomres sont constitus dunrseau tridimensionnel de macromolcules. Ce sont des matriaux amorphes11 et infusibles,il ne peut y avoir aucun dplacement de chanes les unes par rapport aux autres. Lorsque latemprature augmente, le matriau ne devient pas visqueux, mais il conserve sa rigidit jusquau moment o il se dgrade. On appelle ces plastiques thermodurcissables car, engnral, une lvation de temprature favorise la raction de polymrisation et le degr derticulation, donc la rigidit.

lastomres

Les lastomres sont des matriaux aux proprits bien particulires. Ce sont despolymres de haute masse molculaire et chanes linaires. Le dplacement de leurschanes les unes par rapport aux autres ntant limit que par une lgre rticulation, on peutobtenir de grandes dformations lastiques totalement rversibles. Lorsque la contrainte estnulle, ces matriaux sont amorphes, leurs chanes tendant toutefois saligner au cours dela dformation, il se produit une augmentation de la rigidit. Pour obtenir un telcomportement, il faut utiliser ces matriaux une temprature suprieure leur temprature

9 rticulation : transformation dun polymre linaire en polymre tridimensionnel par cration de

liaisons transversales.10 glass en anglais.11 amorphe : oppos cristallin.

Polymrisation par condensation,

Alors que dans la polymrisation par addition, tous les atomes des monomres seretrouvaient dans le polymre, la polymrisation par condensation entrane des ractionschimiques qui produisent la formation de sous-produits. Les ractions de polycondensation

sont des ractions par tapes. Les deux monomres en prsence donnent naissance unemolcule intermdiaire, laquelle constitue llment fondamental qui se rpte dans lamacromolcule.

Diffrents types de matires plastiques

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de transition vitreuse. Les proprits des lastomres dpendent de leur degr derticulation ; cest ainsi que les proprits du caoutchouc varient en fonction de la quantitde soufre utilise lors de la vulcanisation12, en vue de lier les chanes les unes aux autres.

Malgr un ralentissement d aux effets des chocs ptroliers et la rcession conomiquequi sen est suivie, la production mondiale de matires plastiques na cess de crotre. Cedomaine demeure porteur.

Principaux thermoplastiques et leurs emplois

La rapidit de mise en uvre des thermoplastiques (injection et extrusion notamment), et lapossibilit de rutiliser les dchets ont favoris leur emploi dans tous les cas o on les utilise des tempratures infrieures 100 C. Ils ont donc souvent, dans ces domaines, remplacles thermodurcissables, dont la transformation est plus longue. On distingue principalementdeux types de thermoplastiques :

productionpondrale

(milliers de t)

densitmoyenne

productionvolumique

(milliers de m3)acier 18 000 7,8 2 400plastiques 4 400 1,1 4 000

Thermoplastiques de grande diffusion

Thermoplastiques techniques

Ils sont nomms ainsi cause de leurs facults remplir les fonctions techniques autrefoisrserves aux mtaux. Ils se regroupent autour de certaines caractristiques :

facilit de mise en uvre, bonnes proprits mcaniques et dilectriques, ratio proprits/densit trs avantageux, inertie chimique, absence de corrosion, bonne conservation des proprits en temprature et en fonction du temps.

On les retrouve soit discrtement dissimuls dans un appareil lectromnager (engrenages),soit au contraire bien visibles (feux arrires dune automobile). Ils sont prsents sur les

12 vulcanisation : opration consistant incorporer du soufre au caoutchouc afin damliorer sarsistance en lui conservant son lasticit.

familles dsignations utilisationsles vinyliques PVC rigide

PVC soupletubes, profils, bouteilles

revtements de sol, joints, isolantsles polyolfines PEbd

PEhdPP

gaines, films, sacspices moules, films

fils, films, pices moulesles styrniques PS

PSC chocPSE expans

SANABS

emballages thermoforms ou injects,ameublement, TV, HIFI, lectromnager

isolation thermiquepices moulespices moules

les acryliques PMMAPAN

plaques transparentes, feux de positioncorps creux pour cosmtiques

comparaison des productions daciers et de matires plastiques en France en 1995

Thermoplastiques de grande diffusion

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grands marchs comme llectricit, llectrotechnique, lautomobile, llectromnager,loutillage et les loisirs.

Plastiques thermostables

Ces polymres ont vu le jour ds 1980. Ils permettent une meilleure tenue en tempraturecontinue voisine de 200 C. Ils rsultent pour la plupart de combinaisons entre les groupes

arylates, thers, imides et sulfones.

Principaux thermodurcissables et leurs emplois

Bien que les polymres thermodurcissables soient moins employs que les

thermoplastiques, ils demeurent intressants pour des tempratures dutilisation comprisesentre 100 et 200 C. Ils subissent pendant leur transformation, une opration chimique depolymrisation de fixation (chaleur, pression, temprature). Leur durcissement estirrversible, les dchets ne sont donc pas rutilisables. On distingue :

Phnoplastes (PF, UF) et les aminoplastes (MF, MP)

Ces rsines ont en commun les proprits suivantes : faible prix, rigidit, tenue thermique,stabilit dimensionnelle dans le temps, qualits dilectriques, mais sont faibles encontraintes dynamiques.

On les utilise le plus souvent charges de poudre minrale sous forme :

- de pices moules : isolants lectriques, poignes de casseroles, vaisselle...- de stratifis : lamins dcoratifs, circuits imprims...- de colles

Polyesters insaturs (UP)

Ils sont obtenus par polycondensation dacides et dalcool.

- les UP non renforcs sont utiliss comme laques, vernis, liants et adhsifs,- les UP renforcs (90 % de lemploi de ces matriaux) sont employs dans la fabrication despiscines, cuves, coques de bateaux, carrosseries...Polypoxydes (EP)

familles dsignations utilisationsles polycarbonates PC vitrage, lanternerie, CD, matriel mdicalles polyamides PA roues dentes, paliers, ventilateurs

les polyesters saturs PET, PBT lectrotechnique, lectromnager, bouteilles, films,barquettes pour micro-ondesles polyoxydes de phnylne PPO automobiles, micromcanique, cartersles polysulfurs PSU

PPSaronautique, lectrotechnique, robinetterie

pices techniques, matriel mdical, pompesles polyoxymthylnes POM pices mcaniques, engrenagesles polyfluors PTFE, PVDT anti-corrosion, lubrification, glissement, isolation lectrique

PAI polyamide-imide PAA polyaryl-amidePEI polyther-imide PSU polysulfonePEK polyther-ctone PPS polyphnylne-sulfonePEEK polther-ther-ctone PES polyther-sulfone

Thermoplastiques techniques

Thermostables

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Ils sont obtenus par polycondensation dpichlorhydrine et de biphnol. On les trouve sousforme liquide, pteuse ou solide. Ils sont utiliss en :

- rsines : articles de sport, coques, pices pour laronautique...- adhsifs : collage de bton, de mtaux, de plastiques...- poudres mouler : isolation lectrique...- peintures et vernis,- composites hautes performances.

Silicones (Si)

Ce sont des composs organosiliciques. On les trouves sous forme de ptes, graisses,fluides, rsines ou dlastomres. On les utilise dans les circuits imprims, les jointsdtanchit, les ttines de biberons, les agents de dmoulage...

Polyimides (PI)

Ils sont obtenus par polycondensation de diamines aromatiques ou par polymrisationdimides thylniques. Ils possdent une trs bonne tenue la temprature (jusqu 250 C).Ils sont utiliss sous forme de :

- films : isolants lectriques, supports de jauges de dformations...- poudres mouler : cnes de racteur, engrenages, allume-cigares...

Polyurthanes (PUR)

Ils sont prpars directement par lutilisateur partir de pr-polymres. On procde parpolyaddition de di-isocyanates et de polyols. Suivant la nature des isocyanates employs, ontrouve toute une gamme de produits ( rsines, vernis, adhsifs, lastomres, mousses ). La

principale utilisation du polyurthane est sous forme de mousses :

- les mousse rigides : isolation thermique,- les mousses semi-rigides : accoudoir, appui-tte, chaussures,- les mousses souples : siges, matelas, joints...

3 - Cramiques

Les cramiques englobent tous les matriaux liaisons iono-covalentes, ce qui regroupeple mle : les roches, les btons, les verres,les carbures, les nitrures... Le mot cramique longtemps associ la poterie,aux porcelaines caractrise aujourdhui unefamille plus vaste de matriaux et lesutilisations modernes ne sont plus limitesaux domaines traditionnels puisquon lesemploie en lectrotechnique et en construction mcanique. Nous nous limiterons cependantdans ce cours aux cramiques dites techniques . Le graphique de la page suivanteindique pour le premier fabricant mondial de cramiques la rpartition des activits.

Cramiques dans lautomobile

Les proprits des cramiques techniques

Les cramiques sont caractrises par des liaisonsfortes, ce qui se traduit dans la pratique par une trsbonne tenue en temprature et une excellente rigiditlastique. La faible tendance la plasticit qui en

rsulte rend ces matriaux fragiles, peu tenaces, peuductiles, mais en revanche, rsistants lusure. Cesmatriaux ont de hauts points de fusion et une bonnersistance la corrosion. Les cramiques techniquesde qualit ont tendance tre chres.

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Les cramiques employes danslautomobile ne le sont que sur desprototypes. Cette utilisation se rduit des composants du moteur. Leursbuts sont damliorer lisolationthermique, la rsistance lusurepar frottement, dallger les picesen mouvement. Lisolationthermique est lun des points fortsdes cramiques, ainsi laprchambre de combustion (moteurdiesel), la tte de piston et lessoupapes dchappement sontrevtues dcrans thermiques encramique. Pour amliorer lerendement du turbocompresseur,certains fabricants ont envisag la

conception du conduit dchappement ainsi que la turbine en cramique.On utilise pour ces applications des inserts en zircone (ZrO2) et de titanate daluminium(Al2TiO5). La rsistance lusure par frottement est une des proprits remarquables descramiques. Ainsi les culbuteurs, les guides et les siges de soupapes sont en cramique(association de zircone et de nitrure de silicium (Si3N4)). Par souci d'allgement des massesen mouvement, on peut utiliser du nitrure de silicium pour les axes des pistons, lessoupapes... Reste le problme de la tenue aux chocs, dans les pays o les habitudes deconduite sont assez nerveuses.

Plus gnralement en construction mcanique, on rencontre les cramiques dans lesapplications trs hautes vitesses de rotation (broches de machines outils, moteurs

turbines...). Des billes, voire des cages de roulements en cramique permettent daugmenterles vitesses maximales dutilisation.

Cramiques pour les outils de coupe

Dans le cas des outils de coupe, on utilise principalement les proprits de duret et detenue haute temprature. Ainsi lusinage des fontes, des aciers et des superalliages base de nickel et de cobalt peuvent tre excuts avec des plaquettes en cramique. Pourles premiers, on utilisera lalumine (Al2O3), pour les seconds le nitrure de silicium. Le tauxdenlvement est nettement amlior (2 5 fois par rapport aux plaquettes carbures) mmesi le volume enlev reste du mme ordre. Le tournage continu est rsolu par lutilisation descramiques mais le fraisage pose le problme des chocs.

Cramiques en biomcanique

La chirurgie et lart dentaire font de plus en plus appel aux nouveaux matriaux pour unebonne bio-compatibilit, une bonne tenue la fatigue et une rsistance leve la corrosion.Les cramiques utilises comme remplacement des tissus durs (os, dents) peuvent treclasss en trois groupes selon leur raction avec le milieu physiologique :

les cramiques inertes ou biodgradables (alumine), les cramiques bioactives (bioverres...) qui permettent une liaison entre le tissu et limplant, les cramiques biorsorbables (phosphate de calcium) qui permettent la repousse destissus.Cramiques dans le nuclaire

quipementlectronique

instrumentsoptiques

produits orients

consommateurmatriaux pourl'lectronique

autres

semi-conducteurs

composantslectroniques

chiffre d'affaire de Kyoto Ceramics

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Dans le nuclaire, les cramiques sont utilises comme combustible : cramiques baseduranium, produits remplaant luranium mtallique pour les racteurs haute puissance.On les utilise aussi comme barre de contrle. Matriau trs absorbant neutronique, il sert contrler la raction de fission nuclaire. Les cramiques servent globalement la protectionthermique et neutronique.

4 Matriaux composites

La recherche permanente des performancestechniques jointe au besoin doptimisation etdallgement de certaines structures, a motivlutilisation puis le dveloppement de matriauxspcifiques dont la composition et lescaractristiques ont t adaptes la solutiontechnologique des problmes rsoudre.

Les matriaux composites ont t dvelopp

dans cet tat desprit.Lide de base est dassocier dans une mmemasse des matriaux diffrents par leursnatures chimiques et gomtriques afindaugmenter les performances globales du pointde vue mcanique, physique et/ou chimiqueainsi que de faciliter la mise en uvre.

Des charges renforts fibreux ont ainsi t introduites et mlanges des matricesmtalliques, cramiques ou plastiques. Mais lassociation matrice-lment renforant ne peuttre quelconque et dpend :

de la compatibilit chimique des matriaux en contact ; du procd de mise en uvre choisi en relation avec la gomtrie de la pice et les sriesenvisages ; de la rsistance mcanique, chimique,... attendue ; des cots de fabrication, produits de base, transformation et finition ventuellementcomplts du cot des contrles.

Les structures obtenues sont gnralement de type deux dimensions principales,localement plates et lamellaires, quasi-isotropes ou anisotropes. Les pices peuventprsenter diverses surpaisseurs, points dassemblages,... et peuvent tre colores dans lamasse, revtues ou peintes. Leur conception gomtrique et leur dimensionnementdoivent obir certaines rgles, souvent rsultat de lexprience propre de chaque atelieret/ou bureau dtudes, compltes de mthodes de dimensionnement plus labores.

Il est possible de distinguer deux grandes classes de matriaux composites :

Les composites grandes diffusions , les plus courants qui, pour un cot modr,apportent des proprits mcaniques intressantes mais restent sauf cas despce infrieures celles des mtaux. Il sagit pour lessentiel de lassociation renfort fibre deverre-rsine polyester.

Les composites hautes performances , qui apportent des caractristiques

mcaniques spcifiques suprieures celles des mtaux et utilisent gnralement desrenforts fibres de carbone ou daramide (kevlar) avec des rsines poxydes. Les cots deces matriaux sont levs.

Les proprits des matriaux composites

Les matriaux composites sont des matriaux quiassocient deux ou plusieurs matires diffrentes,appartenant parfois 2 classes distinctes, pour obtenirune combinaison de proprits qui tire avantage dechacun. Les plus frquemment utiliss sont lescomposites matrice polymre et renfort fibreux quiprsentent des proprits spcifiques exceptionnelles,directionnelles ou non suivant le tissage. Lescomposites cramique/cramique qui sont moinsfragiles que les cramiques massives sont trsintressantes pour leur tenue en temprature, lescomposites matrice mtallique et renfort cramiqueont pour vocation de tirer partie la fois de la ductilitdes mtaux et de la raideur du renfort cramique. Enfinil convient de citer pour mmoire les matriaux tels quele bois, les ciments et btons, les mousses polymres,cramiques ou mtalliques, qui sont galement desmatriaux composites.

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On notera la faible part pondrale des composites hautes performances qui reprsentent 2% de lensemble des composites.

Fibres utilises

Les fibres sont les lments du matriau composite qui apportent les proprits mcaniquesintressantes. Elles se prsentent sous forme de filaments de plus ou moins grandelongueur dont les qualits recherches sont les suivantes :

bonnes caractristiques mcaniques ; lgret ; rsistance thermique ; compatibilit avec les rsines ; adaptabilit aux procds de mise en uvre ; faible prix.

Elles constituent une fraction volumique comprise entre 30 et 70 % (rapport du volume defibres au volume total du composite).

Deux grandes catgories peuvent tre distingues :

les fibres hautes performances : fibres de verre, de carbone, daramide, ou de bore quiont une fonction mcanique prpondrante mais il existe galement quelques fibressynthtiques qui ont dexcellentes proprits thermiques.

les fibres utilisation particulire utilises initialement comme renfort mcanique (avant ledveloppement des fibres hautes performances) et qui sont maintenant employes pourdes applications trs spciales telles que revtement thermique, isolant lectrique, lment

dcoratif. Ce sont des fibres dorigine naturelle (bois, coton, papier...) synthtique(polyamide, polyester...) ou mtallique.Les prsentations sont trs varies, outre les diffrentes longueurs possibles, existent :

des ensembles linaires (fil, mche) ; des ensembles surfaciques (tissu, mat) ; des ensembles multidimensionnels (tresse, tissu complexe) de diffrentes armatures,tissage trois dimensions,...

avantages limites dutilisation- rapport performances mcaniques/prix trs intressant.- disponible sous toutes les formes (fil, stratifil, mat, tissu...)- possibilit de bonne adhrence avec toute rsine (existence

densimages)- rsistances intressantes temprature leve ( environ 50% de la rsistance conserve 350 C)- dilatation thermique faible- conductivit thermique relativement faible- bonnes proprits dilectriques- bonne rsistance lhumidit et la corrosion

- performances mcaniques spcifiques moyennes(compares celles du carbone, par exemple)- Etraction = 55 000 85 000 MPa

- traction = 2 500 4 400 MPad = 2,2 2, 5

avantages limites dutilisation- excellentes proprits mcaniques, elles apportent auxmatriaux une rsistance la rupture importante aussi bien en

traction quen compression, et une rigidit trs grande.- trs bonne tenue en temprature en atmosphre nonoxydante.

- prix lev.- prcautions prendre lors de la mise en uvre (fibres

cassantes).- tenue au choc faible.- tenue labrasion limite.

avantages et limitations des fibres de verre

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- bonne tenus chimique la temprature ambiante.- dilatation thermique nulle, voire ngative, dans le sens desfibres.- bonne conductibilit thermique et lectrique (compare auxautres fibres).- excellente rsistance lhumidit.- bonne usinabilit des matriaux renforcs avec ces fibres.- densit faible 1,8 1,9.

- insensibilit aux rayures.

- mauvaise tenue chimique avec :* l oxygne partir de 400 C* les acides oxydants chaud* les mtaux pouvant former des carbures (corrosion

galvanique).

les matrices utilises

Les matrices constituent llment de liaison entre les fibres et peuvent tre de naturemtallique, minrale ou organique, thermodurcissable, thermoplastique ou lastomre. Pourleurs caractristiques voir le chapitre prcdent.

Il est possible de faire ressortir trois critres globaux de slection dune matrice :

laccessibilit concerne les aspects :

prix matires ; polyvalence aux mthodes de transformation (polymrisation froid, chaud, nombre deprocds de transformation possible) ; cadence de production dans la mthode de production la plus rentable ; investissements.

Proprits :

physiques (densit, stabilit dimensionnelle, indice de rfraction,...) ; mcaniques ; lectriques ; thermomcaniques ;

tolrances, cotes la transformation.

kevlar 49

kevlar 29

mtaux

verre E

verre R

fibres synthtiques

carbone HT

siC

bore + B4C

carbone HM

E/d en MPa

/d en MPa

50.10 100.10 150.10 200.103

0.5.103

1.10

1.5.10

avantages et limitations des fibres de carbone

Proprits compares des fibres utilisesdans le domaine des matriaux composites

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Rsistance ou durabilit :

au vieillissement extrieur (intempries) ; la fatigue (rsistances dynamiques) ; au feu avec ses diffrents aspects (rsistance la combustion, la propagation, fumes,gaz toxiques) ; au frottement ; lusure.

Lo. H. Baekeland

Chimiste n en Belgique (Gant) en 1863 et mort aux tats-Unis en 1944. En 1907, il a dvelopp lepremier plastique compltement artificiel qu'il nomma baklite

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