travaux pratiques des sciences des...

Travaux Pratiques

Des

Sciences Des Matériaux

Sujet TP :

Etude des diagrammes de phase binaires des

principaux alliages industriels :

Fe-C

Al-Si

Cu-Zn

Réalisé par : Encadré par :

Chaouki Hassan Mr. H. Azzouzi

Kasmi Youssef

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REMERCIEMENT

Nous vous remercions monsieur pour tous les conseils, les idées, et le bon

traitement, et nous espérons être au niveau requis.

Merci !

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SOMMAIRE

Introduction P4

Alliages métalliques industriels P4

Manipulations : P6

I- Etude de l’alliage Fe-Fe3C (diagramme métastable Fer-Carbone) P6

But P6

1- Etude du refroidissement de l’acier normalisé XC10 (contenant 0.1 % de carbone) P7

2- Etude du refroidissement de l’acier normalisé de composition eutéctoide P9

3- Etude du refroidissement de l’acier normalisé XC100 (contenant 1% de carbone) P10

4- Etude du refroidissement de la fonte blanche à 3% de carbone P12

II- Etude de l’alliage Al-Si (Alliage contenant 12% et 13% de silicium) P14

But P14

1- Etude du refroidissement de l’alliage Al-Si (contenant 12% Si) P15

2- Etude du refroidissement de l’alliage Al-Si (contenant 13% Si) P16

3- Morphologie à 20°c pour l’alliage à 12% Si et l’alliage à 13% Si P17

III- Etude de l’alliage Cu-Zn (type : laitons commerciaux) P18

But P18

1- Etude du refroidissement de l’alliage Cu-Zn (contenant 30% Zn) P19

2- Etude du refroidissement de l’alliage Cu-Zn (contenant 40 % Zn) P19

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Introduction :

Les alliages représentent une illustration matérielle du vieux dicton « l'union fait la force ». L'homme a toujours cherché des matériaux plus performants à l'utilisation, plus faciles à fabriquer ou à mettre en œuvre et plus économiques. Les alliages métalliques sont particulièrement importants dans la société humaine, et ce depuis l'Âge du bronze. Les métaux de grande pureté (99,99 p. 100 en poids du métal, ou mieux) n'ont pas, dans l'ensemble, d'utilisation pratique en dehors de la distribution d'électricité (cuivre, aluminium) ; cela est dû à leurs propriétés très médiocres, sauf en ce qui concerne les conductivités électrique et thermique, d'autant meilleures que le métal considéré est plus pur. Les impuretés, malgré la connotation péjorative du mot, durcissent les métaux et, pour peu qu'elles soient judicieusement choisies et dosées, permettent d'améliorer sensiblement les possibilités d'emploi de ces métaux ainsi que, souvent, les conditions de leur élaboration et leur mise en œuvre. C'est la raison d'être de ces associations de substances à l'échelle atomique ou moléculaire appelées alliages, qui furent d'abord métalliques, puis débordèrent le domaine de la métallurgie pour toucher la chimie organique et la science des céramiques. La fonte de fer, alliage de fer et de 2 à 5 p. 100 en poids de carbone, exemple type, même s'il est particulier (le carbone n'est pas un métal), permet de réaliser de nombreux objets qui vont du bâti de machine-outil au bras de suspension d'automobile en passant par les tuyaux d'adduction d'eau ou de gaz. Cette même fonte commence à fondre à 1 150 0C environ, tandis que le fer pur n'a aucune application dans la vie quotidienne mais fond à 1 538 0C. Cela explique, au moins partiellement, qu'on rencontre dans les usines sidérurgiques des dispositifs (poches ou mélangeurs) permettant de stocker la fonte liquide en grande quantité, mais rien d'équivalent pour le fer pur, bien que celui-ci soit à la base de tous les aciers et fontes et qu'il figure aussi dans d'autres composés.

Alliages métalliques industriels :

Ce sont principalement les aciers, métaux ductiles. L'acier le plus simple est un alliage de fer et de carbone

contenant 2% en poids de carbone. Dans cet alliage, les atomes de carbone se placent dans les interstices du

réseau cristallin du fer : les aciers sont des alliages interstitiels. Plus les propriétés demandées à l'alliage sont

importantes et particulières, plus sa formule est complexe. Dans l'acier simple, le fer et le carbone peuvent

être alliés à d'autres métaux, dont la nature dépend des propriétés souhaitées. Ces métaux sont le chrome,

le manganèse, le molybdène, le nickel, le tungstène et le

vanadium. Ces alliages à base d'acier ont une résistance

mécanique et une dureté supérieures à celles de l'acier pur.

Les aciers sont des matériaux de construction, ils servent

également à fabriquer de nombreux outils.

Les fontes sont des alliages de fer et de carbone, avec un

pourcentage pondéral de carbone compris entre 2% et 5%.

Elles contiennent également du silicium (jusqu'à 4%) et du

manganèse, ainsi que des impuretés. Certaines fontes sont

utilisées dans la production de l'acier, d'autres dans

l'industrie du bâtiment. Les fontes dites grises sont utilisées

dans la fabrication de pièces automobiles.

5

Les laitons sont principalement constitués de cuivre (majoritaire) et de zinc (minoritaire). On les utilise dans

les pièces d'horlogerie et dans la robinetterie.

Les bronzes, alliages à base de cuivre et contenant essentiellement de l'étain, sont utilisés dans la fabrication

des cloches et des engrenages.

Dans l'industrie aérospatiale, on utilise de

nombreux alliages légers aux propriétés

spécifiques, dans la conception des fusées par

exemple. La légèreté d'un alliage est en général

apportée par l'aluminium ou le béryllium. La

pénétration des véhicules spatiaux dans

l'atmosphère terrestre s'accompagne d'une

élévation considérable de la température. Pour

résister à ces différences importantes de

température et à ces températures extrêmes, on a

conçu des alliages très résistants à la chaleur. Ces

alliages contiennent des métaux tels que le

tantale, le niobium, le tungstène, le cobalt ou le nickel.

Une grande variété d'alliages spécifiques contenant des métaux, tels que le béryllium, le bore, l'hafnium et le

zirconium, ont des caractéristiques d'absorption nucléaire particulières : on les utilise dans les centrales

nucléaires. Les alliages de niobium-étain sont employés comme supraconducteurs à des températures

extrêmement basses (Supraconductivité). Des alliages spéciaux de cuivre, de nickel et de titane, mis au point

pour résister aux effets corrosifs de l'eau salée, sont utilisés dans les usines de dessalement. L'industrie

aéronautique emploie l'alliage à base de titane contenant 6% d'aluminium en poids et 4% de vanadium en

poids. C'est en effet un alliage très léger et de bonne résistance mécanique. L'argent monétaire, l'or de 14

carats et le platine-iridium sont des alliages précieux. Les amalgames, alliages du mercure avec un autre

métal, sont utilisés en soins dentaires.

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Manipulations :

I- Etude de l’alliage Fe-Fe3C (diagramme métastable Fer-Carbone) :

But :

Le diagramme Fe-C (Fer-Carbone) qui décrit les

aciers et les fontes (fontes blanches et fontes

grises), mais on va s’intéresser surtout au

diagramme métastable Fe-Fe3C (Fer-

Cémentite), qui est à la base des aciers (qui

rentrent dans la construction métallique et

mécanique, ainsi que la fabrication de la plupart

des organes des machines etc.…), et des fontes

blanches (fontes à cémentite) (pour la

fabrication des pièces résistantes à la chaleur, à

l’usure et à la corrosion etc.…).

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1- Etude du refroidissement de l’acier normalisé XC10 (contenant 0.1 % de carbone) :

Température (°c) Nature des phases

(S ou L) Nombre des phases

Proportion des # phases

T>1530°c L 1 100% liquide

T=1530°c L et S 2 4.83% fer-delta et

95.17% liquide

T=1495°c + ε S 1 100% fer-delta

T=1495°c L et S 3

Transformation péritectique (18.2% liquide et 81.8% fer-

delta)

T=1495°c - ε S 1 100% fer-delta

1495°c>T>1455°c S 2 59.48% fer-delta et 40.52% austénite

T=1455°c S 2 25.44% fer-delta et 75.56% austénite

1455°c >T>860°c S 1 100% austénite

T=860°c S 2 18.36% ferrite et 81.64% austénite

860°c >T>727°c S 2 73.41% ferrite et 26.59% austénite

T=727°c + ε S 2 89.21% ferrite et 10.79% austénite

T=727°c S 3

Transformation eutéctoide (88.8%

ferrite et 11.2% cémentite)

T=727°c - ε S 2 89% ferrite et 11%

perlite (89% ferrite + 11% cémentite)

727°c>T>20°c S 2 89% ferrite et 11%

perlite (89% ferrite + 11% cémentite)

Les réponses des questions :

A T=1495°c on obtient la réaction péritéctique.

A T=1455°c on observe la phase solide (fer-delta+austénite).

A 1455°c >T>860°c on observe la phase solide (austénite).

A T=727°c on observe la réaction eutéctoide.

8

Refroidissement et Morphologie :

9

2- Etude du refroidissement de l’acier normalisé de composition eutéctoide (0.77%

carbone):




T=1530°c L 1 100% liquide

T=1478°c L et S 2 2.04% austénite et

97.96% liquide

1478°c>T>1390°c L et S 2 94.99% austénite et

5.01% liquide

1390°c >T>727°c S 1 100% austénite

T=727°c + ε S 1 100% austénite

T=727°c S 3 Transformation

eutéctoide (100% austénite)

T=727°c - ε S 2 100% perlite (88.76%


727°c>T>20°c S 2 100% perlite (88.76%


La réponse de la question :



10

3- Etude du refroidissement de l’acier normalisé XC100 (contenant 1% de carbone) :





T=1460°c L et S 2 2.15% austénite et

97.85% liquide


26.29% liquide

T=1347°c S 1 100% austénite

1347°c>T>825°c S 1 100% austénite

T=825°c S 1 100% austénite

825°c >T>727°c S 2 97.56% austénite et

2.44% cémentite

T=727°c + ε S 2 26.15% austénite et

3.85% cémentite


eutéctoide (96.15% austénite)

T=727°c - ε S 2 4% cémentite et 96% perlite (89% ferrite et

11% cémentite)

727°c>T>20°c S 2 4% cémentite et 96% perlite (89% ferrite et

11% cémentite)

11


A T=1347°c on observe la phase austénite (100% gamma)

A 1347°c>T>825°c la phase qui se refroidit est la phase austénite (gamma).

A T= 825°c il ya apparition de germes de cémentite Fe3C aux joints de grain d’austénite

gamma.



12

4- Etude du refroidissement de la fonte blanche à 3% de carbone :







57.24% liquide

T=1147°c + ε L et S 2 56.06% austénite et

40.94% liquide

T=1147°c L et S 3 Transformation

Eutectique (59.06% austénite)

1147°c>T>727°c S 2

41% ledeburite (47% austénite et 53 %

cémentite) et 6.1% cémentite et 53%

austénite.

T=727°c + ε S 2

41% ledeburite (40% et 60 % cémentite) et

13% cémentite et 46% austénite.

T=727°c S 3

Transformation eutéctoide 41% ledeburite (40% austénite et 60%

cémentite)

T=727°c - ε S 2

41% ledeburite (40% austénite et 60%

cémentite) et 46% perlite (89% ferrite et

11% cémentite) et 13% cémentite

727°c>T>20°c S 2

41% ledeburite (40% austénite et 60%

cémentite) et 46% perlite (89% ferrite et

11% cémentite) et 13% cémentite


A T=1147°c le liquide subit la réaction Eutectique.


13


14

II- Etude de l’alliage Al-Si (Alliage contenant 12% et 13% de silicium)

But :

Le diagramme Al-Si (Aluminium- Silicium) qui constitue l’une des classes d’alliages légers avec de

bonnes propriétés de fonderie :

Coulabilité : Aptitude du métal liquide à bien remplir l’empreinte.

Absence de formation de crique : Fissuration à chaud causée par le retrait du métal.

Bonne répartition de la porosité : Due au retrait qui accompagne la solidification.

Températures de fusion relativement basses : Permettent d’employer des moules métalliques

réutilisables (des coquilles) dans lesquels on coule le métal soit par gravité, soit sous pression.

Les qualités d’alliages de fonderie :

Dans ce type d’alliage, on va s’intéresser aux

ALPAX qui sont des alliages : A-S13 (contenant

13% de Si). Parmi les applications de ce type

d’alliage : Agriculture, alimentation, appareils

ménagers, automobile, industrie aérospatiale,

bâtiment, chimie, armes, etc...

15

1- Etude du refroidissement de l’alliage Al-Si (contenant 12% Si) :





T=548°c L et S 2 0.87% SS aluminium et

99.13% liquide

548°c>T>577°c L et S 2 3.88% SS aluminium et

96.12% liquide

T=577°c + ε L et S 2 4.98% SS aluminium et

95.02% liquide

T=577°c L et S 3 Transformation

Eutectique (4.98% Ssa)

577°c>T>500°c S 2

95% Eutectique (88% Ssa et 12% Ss silicium)

et 0.023% Ss silicium et 5.5% Ss a

T<500°c S 2

95% Eutectique (88% Ssa et 12% Ss silicium)

et 0.046% Ss silicium et 5.4% Ss a



Refroidissement :

16

2- Etude du refroidissement de l’alliage Al-Si (contenant 13% Si) :





T=585°c L et S 2 0.03% SS silicium et

99.97% liquide

585°c>T>577°c L et S 2 0.3% SS silicium et

99.7% liquide

T=577°c + ε L et S 2 0.41% SS silicium et

99.59% liquide


Eutectique (0.41% Ss silicium)

577°c>T>500°c S 2

1e+02% Eutectique (88% Ssa et 12% Ss

silicium) et 0.00038% Ss a et 0.46% Ss s

T<500°c S 2

1e+02% Eutectique (88% Ssa et 12% Ss

silicium) et 0.00078% Ss a et 0.46% Ss s



Refroidissement :

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3- Morphologie à 20°c pour l’alliage à 12% Si et l’alliage à 13% Si :

Pour 12% de Si :

Pour 13% de Si :

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III- Etude de l’alliage Cu-Zn (type : laitons commerciaux)

But :

Le diagramme Cu-Zn (Cuivre-Zinc) qui constitue l’une des classes des

alliages lourds, connues sous le nom des laitons.

Le laiton est un alliage de cuivre et de zinc, dans des proportions

variables qui influent sur la couleur finale : 44% de zinc, le laiton tire

vers le blanc, 10% de zinc, le laiton tire vers le rouge du cuivre. Le

laiton de couleur jaune-dorée se situe en proportion médianes.

Le laiton est le plus utilisé des alliages de cuivre, notamment par ce

qu’il est assez facile à usiner mais aussi par ses qualités esthétiques,

dans l’ameublement, le laiton se marie très bien au bois auquel il

peut être associé comme élément décoratif.

Les laitons sont des matériaux tenace, malléable et ductiles, se

coulent et se soudent assez bien. Résistent bien aux agents

chimiques, mais pas à l’eau de mer (eau salée).

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1- Etude du refroidissement de l’alliage Cu-Zn (contenant 30% Zn) :





T=922°c L et S 2 94.93% cuivre et 5.07%

liquide

T=903°c S 1 100% cuivre

T=770°c S 1 100% cuivre

T=200°c S 1 100% cuivre


20

2- Etude du refroidissement de l’alliage Cu-Zn (contenant 40 % Zn) :







T=770°c S 2 5.19% Cu et 94.81% Ss

beta

T=200°c S 2 55.92% Cu et 44.08%

Ss beta


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