Chap.1 Elaboration et désignation normalisée des matériaux métalliques I. Introduction : En chimie, les métaux sont des matériaux dont les atomes sont unis par des liaisons métalliques. Il s’agit de corps simples ou d’alliages le plus souvent durs, opaques, brillants, bons conducteurs de chaleur et d’électricité, ils sont généralement malléables, c’est-à-dire qu’ils peuvent être martelés ou pressés pour leur faire changer de forme sans les fissurer ni les briser. Les métaux possèdent de nombreuses applications courantes, et leur consommation s’est fortement accrue depuis les années 80. II. Liaison métallique et structures cristallines des métaux : 1. Structure des métaux : On peut se représenter un métal comme un réseau tridimensionnel des cations métalliques baignant dans un fluide d’électrons délocalisés très mobiles (fig.1). Ces cations sont liés entre eux par des liaisons métalliques. Une liaison métallique se caractérise par la mise en commun des électrons de valence qui ne sont plus localisés entre les atomes (liaison covalente) ou sur un ion (liaison ionique), mais qui sont répartis dans l’ensemble du réseau d’ions. Fig.1 liaison métallique de sodium, les ions positifs baignent dans un nuage d’électrons délocalisés. La nature électronique particulière d’une liaison métallique est responsable de plusieurs propriétés macroscopiques des métaux. Le champ d’électrons libres est responsable de plusieurs propriétés : Il assure une conductivité électrique et une conductivité thermique élevées ; Il rend compte de la ductilité, de la malléabilité et de la plasticité des métaux ; Il confère aux métaux leur éclat par son interaction avec les ondes électromagnétiques ; Il est responsable de la température de fusion et d’ébullition élevées ; A l’état solide, les métaux se présentent sous forme d’un assemblage de grains microscopiques dont chacun constitue un cristal (la disposition des atomes à l’intérieur du cristal). Les trois structures cristallines les plus fréquentes dans les métaux sont la structure cubique centrée (c.c), suivie de la structure hexagonale compacte (h.c) et de la structure cubique à faces centrées (c.f.c). (fig.2) 1|Page ISET Kébili Département Génie Mécanique Fig.2 : structures cristallines les plus courantes des métaux : a) C.F.C, b) C.C, c) H.C Dans une structure cubique centrée, chaque atome est situé au centre d’un cube formé par ses huit atomes voisins. Parmi les métaux cristallisant dans le CC : le fer α, le Chrome, Molybdène, Tungstène et Vanadium. Le cube élémentaire d’une structure CFC possède un atome à chaque sommet et un atome au centre de chacune de ses 6 faces. Parmi les métaux cristallisant dans le CFC : Le fer γ, Nickel, Cuivre, Aluminium, Or. Dans une structure H.C , les atomes occupent les sommets et le centre des 3 prismes triangulaires composants un prisme hexagonal de hauteur varie de 1.6 à 1.9 fois le côté représentant la maille élémentaire. Parmi les métaux cristallisant dans le HC : Manganèse, Zinc, Cadmium et le titane. 2. Eléments chimiques métalliques : Dans le tableau périodique des éléments, les métaux occupent la gauche, le centre et une partie de la droite du tableau, séparés des non métaux par les métalloïdes. Parmi les 110 éléments, on dénombre 86 métaux et 7 métalloïdes. De point de vue chimique, le caractère métallique est d’autant plus marqué qu’on se déplace vers la gauche et vers le bas du tableau. Ainsi, les éléments les plus métalliques sont les métaux alcalins, tandis que les moins métalliques sont les non métaux diatomiques. De point de vue pratique, il existe une grande variété de termes désignant des familles d’éléments métallique et d’alliages. On parle des métaux ferreux et non ferreux selon qu’on considère les alliages contenant ou dépourvus de ferrite. On parle de métaux nobles pour désigner les éléments métalliques résistants à la corrosion et à l’oxydation : ruthénium, l’argent, le platine, le rhodium, 2|Page ISET Kébili Département Génie Mécanique l’osmium, l’iridium et l’or. On parle de métaux précieux pour désigner les métaux les plus rares et dont la valeur marchande est la plus élevée : l’or, l’argent, le platine et le palladium. On parle des métaux réfractaires pour désigner les métaux particulièrement résistants aux températures élevées et à l’usure : niobium, le molybdène, le tantale, le tungstène. Fig3 : tableau périodique III. Propriétés des métaux : 1. Propriétés physiques : Parmi les principales propriétés physiques on peut citer : Conductivité électrique : l’argent est le meilleur conducteur électrique (6,3 107 S/m), suivi par le cuivre (5,96 107 S/m) et l’aluminium (3,5 107 S/m). La conductivité électrique du fer est de 107 S/m, tandis que celle de l’acier au carbone est seulement 6,99 106 S/m, ce qui illustre l’effet des impuretés sur la conductivité électrique. Masse volumique : bien que la plupart des métaux aient une masse volumique supérieure à celle de la plupart des non métaux, celle-ci est très variable selon les matériaux considérés. Parmi les corps simples métalliques le lithium est le moins dense tandis que l’osmium est le plus dense. 3|Page ISET Kébili Département Génie Mécanique Température de fusion : La température de fusion d'un métal pur est toujours identique (la même). Les métaux alcalins ont un point de fusion particulièrement bas : ils sont tous liquides à 100 °C. 2. Propriétés mécaniques : Les métaux sont généralement caractérisés par une bonne malléabilité et une grande ductilité qui leur permettent de se déformer sans se briser, ainsi le cuivre pur peut être étiré pour former des fils électriques, des tuyaux, être mis en plaque et martelé en forme de casseroles. L’or pur peut également être mis sous forme de feuilles très fines. A l’inverse, certains élements d’alliage permettent de durcir le métal : c’est par exemple le carbone qui durcit le fer pour donner de l’acier, de l’étain qui durcit le cuivre pour donner le bronze, ou encore de l’argent et du cuivre durcissent l’or. 3. Propriétés magnétiques : Quelques métaux présentent des propriétés magnétiques remarquables comme le ferromagnétisme. Ce sont notamment, le fer, le cobalt et le nickel. 4. Propriétés chimiques : La Résistance à la corrosion sous l'action de l'Oxygène : Fer : s’oxyde rapidement Aluminium ; Zinc ; Etain : oxydation superficielle Nickel ; Chrome ; Or : aucune oxydation IV. Les alliages : Un alliage est un mélange de deux élements chimiques ou plus dont le principal élément constituant est un métal. La plupart des métaux purs sont trop mous, trop fragiles ou trop réactifs pour pouvoir être utilisés tels quels. Il est possible de moduler les propriétés des alliages en faisant varier les proportions relatives de leurs différents constituants. Il s’agit généralement de les rendre moins fragiles, plus durs, plus résistants à la corrosion, ou encore de leur donner une couleur et un éclat plus attirants. De tous les alliages métalliques utilisé de nos jours, ceux de fer (acier, acier allié, acier à outils, acier au carbone, acier inoxydable, fonte) en représentent l’essentiel de la production. Le fer allié au carbone donne des aciers de moins en moins ductiles et résistants à mesure que le taux de carbone augmente. L’addition de chrome, de nickel et de molybdène à des aciers au carbone (à plus 10 %) donne de l’acier inoxydable. 4|Page ISET Kébili Département Génie Mécanique Outre les alliages de fer, ceux de cuivre, d’aluminium, de titane et de magnésium sont également important de point de vue économique. Les alliages de cuivre sont connus sous forme de bronze depuis l’âge de bronze. De nos jours le bronze désigne un alliage de cuivre et d’étain, tandis que le laiton est un alliage de cuivre et de zinc, et que le maillechort est un alliage de cuivre, de zinc et de nickel. Les alliages d’aluminium, de titane et de magnésium ont été développés plus récemment, et ils sont intéressants en raison de leur grande résistance mécanique pour une masse volumique plutôt faible ; leur cout de revient est cependant élevé, ce qui restreint leur utilisation aux applications de haute technologie pour lesquelles les performances sont plus importantes que le coût. Parmi les différents alliages d’aluminium, on peut citer ceux de corroyage (transformés par des techniques de forge : laminage, filage). Le Zamak est formé de zinc allié à l’aluminium, le magnésium et le cuivre. Outre les propriétés mécaniques remarquables, les alliages permettent également de faciliter la fusion des métaux, notamment les eutectiques. C’est par exemple le cas de l’alliage étain plomb Sn63Pb37 qui fond à 183 °C à comparer aux points de fusion respectifs de l’étain et de plomb, qui sont de 232 °C et V. Etats métallurgiques : Corroyage : opération consistant à déformer plastiquement un métal afin d’obtenir une forme désirée. Le forgeage, le laminage et le filage sont des exemples de corroyage. Le corroyage peut être réalisé à chaud ou à froid. Le métal subit généralement un écrouissage plus ou moins accentué (le métal est dit écroui) Durcissement structural : durcissement du métal provoqué soit par un phénomène de trempe uniquement (aciers) soit par une trempe suivie d’une maturation (alliages d’aluminium) soit encore par un traitement mécanique (écrouissage…). Au cours du durcissement, la résistance à la rupture Rr, la limite élastique Re, la dureté augmentent et l’allongement pour cent A%(la malléabilité) diminue. Ecrouissage : modification de la structure d’un métal par déformation plastique à une température et à une vitesse telles que le métal durcisse. Amène une augmentation de la résistance mécanique et de la dureté mais aussi une perte de la ductilité (A% diminue). Maturation : Pour certains alliages, on effectue une trempe, mais pas de revenu. Dans ce cas, il y a « maturation » (exemple : 5 jours à 20°C pour les Alliages d’aluminium), c'est-à-dire que l'on considère que l'alliage atteint ses caractéristiques mécaniques seulement après cette période. Tout essai de dureté ou de résistance mécanique avant ces 5 jours n'est pas significatif. Recuit : dans le cas des métaux non ferreux, traitement thermique destiné à adoucir le métal en éliminant l’écrouissage (relaxation des contraintes). Par exemple, le laminage à froid d'un matériau provoque son écrouissage ce qui se traduit par une perte de ductilité et un durcissement. Un recuit est alors nécessaire pour lui redonner les propriétés mécaniques sensiblement identiques à celles qu'il avait avant déformation. Revenu : traitement thermique qui permet d'adoucir les effets de la trempe en produisant la martensite dite revenue sans trop altérer les effets fondamentaux de la trempe. 5|Page ISET Kébili Département Génie Mécanique VI. Elaboration et désignation des métaux ferreux : Le fer est l'un des métaux les plus abondants de la croûte terrestre. On le trouve un peu partout, combiné à de nombreux autres éléments, sous forme de minerai. En Europe, la fabrication du fer remonte à 1 700 avant J.C. Depuis les Hittites jusqu'à la fin du Moyen Age, l'élaboration du fer resta la même : on chauffait ensemble des couches alternées de minerai et de bois (ou de charbon de bois) jusqu'à obtenir une masse de métal pâteuse qu'il fallait ensuite marteler à chaud pour la débarrasser de ses impuretés - et obtenir ainsi du fer brut, prêt à être forgé. Le "bas-fourneau", perfectionné petit à petit : De l'ordre de quelques kilos à l'origine, les quantités obtenues pouvaient atteindre 50 à 60 kilos au Moyen Age. Au XVème siècle, la génération des premiers "hauts fourneaux" de 4 à 6 mètres de haut propagea une découverte fortuite mais majeure : un métal ferreux à l'état liquide, la fonte, qui se prêtait à la fabrication de toutes sortes d'objets (marmites, boulets de canons, chenets, tuyau). La fonte permettait également de produire du fer en abondance, grâce à l'affinage. En 1786, Berthollet, Monge et Vandermonde, trois savants français, établirent la définition exacte du trio Fer-Fonte-Acier et le rôle du carbone dans l'élaboration et les caractéristiques de ces trois matériaux. Toutefois, il fallut attendre les grandes inventions du XIXème siècle (les fours Bessemer, Thomas et Martin) pour que l'acier, jusqu'alors fabriqué en faible quantité à partir du fer, connaisse un développement spectaculaire et s'impose rapidement comme le métal-roi de la révolution industrielle. Au début du XXème siècle, la production mondiale d'acier atteignit 28 millions de tonnes, soit six fois plus qu'en 1880. Et à la veille de la première guerre mondiale, elle grimpa à 85 millions de tonnes. En quelques décennies, l'acier permit d'équiper puissamment l'industrie et supplanta le fer dans la plupart de ses applications. Un alliage ferreux est constitué essentiellement de fer et de carbone. La teneur en carbone est de moins de 0,10% dans le fer, de 0,10 à 2,1% dans l'acier et de 2,1 à 6,67% dans la fonte. Aujourd'hui, on ne parle plus de fer mais d'aciers "à très bas carbone". Les aciers et les fontes alliées sont constitués de fer, de carbone et d’autres élements tels que : le silicium, le manganèse, le nickel, le chrome, etc qui améliorent leurs qualités. C'est pourquoi il n'y a pas un acier mais des aciers. On dénombre aujourd'hui près de 3 000 nuances (compositions chimiques) répertoriées, sans compter toutes celles créées sur mesure. 1. Elaboration et désignation de la fonte : Le principal moyen utilisé pour élaborer de la fonte est le haut fourneau. Dans lequel se déroule le processus métallurgique de réduction, fusion ainsi que la carburation du fer. Le but principal du haut fourneau est d’extraire le métal fer de son minerai et sa séparation de la gangue (ensemble des roches et minéraux sans intérêt économique, qui entourent les minerais). Les matières premières utilisées pour l’élaboration de la fonte sont : Le minerai de fer, le coke et les fondants. Le produit principal du haut fourneau est la fonte appelée aussi fonte de première fusion. Elle est obtenue à l’état liquide à une température de près de 1400°C et avec une teneur en carbone de 3,5% à 4,5% et de teneur variable en Si, Mn, P et S. Elle peut aussi renfermer d’autres éléments. 6|Page ISET Kébili Département Génie Mécanique La fonte est définie comme un alliage de fer et de carbone dont la teneur en carbone est supérieure à 2% (voir diagramme fer-carbone fig.4). Le produit secondaire obtenu est le laitier (dit aussi scorie) dont les principaux composants sont CaO, SiO2, Al2O3 et MgO. Fig.4 diagramme d’équilibre Fe-C 1.1. Matières premières Comme il a été mentionné auparavant, les matières premières destinées pour l’élaboration de la fonte sont : le minerai de far, le coke et les fondants. a) Le minerai de fer : Ce sont des roches contenant de fer en quantité importante. Selon la forme de combinaisons chimiques, on distingue plusieurs types : La magnétite (fe3O4), sa couleur varie du gris foncé au noir L’hématite rouge (fe2O3), sa couleur varie du rouge foncé au gris foncé. L’hématite brune (fe2O3 H2O), sa couleur varie du noir au jaune. Le fer spathique ou sidérose (feCO3), sa couleur varie du jaune pâle au gris. Certains éléments additifs du minerai de fer sont indésirables d’autres sont utiles. Les éléments nocifs sont le soufre, le phosphore, le plomb, le zinc et le cuivre. Le reste tels que Mn, Cr, Ni, Al, Na et Mo sont utiles. b) Le coke : Les charbons fossiles bruts (lignite et houille) ou le bois non carbonisé sont impropres à la métallurgie du fer, car la teneur en impuretés ne permet pas d'atteindre une température suffisante pour produire de la bonne fonte. Ce n'est qu'au XVIIIe siècle qu'on a imaginé de purifier la houille naturelle au moyen de cokeries pour produire le coke. Ce nouveau combustible a rendu possible la production de masse de la fonte et donc le chemin de fer. Plus de 90% des fontes sont produites avec du coke. Le rôle essentiel du coke dans le haut fourneau est la carburation du fer. c) Les fondants : Les fondants sont utilisés essentiellement dans la charge du haut fourneau pour réduire la température de fusion de la gangue et l’obtention du laitier fluide qui a une bonne capacité d’absorption du soufre et du phosphore, ces deux derniers éléments sont indésirables dans la composition de la fonte. Comme fondants on utilise le plus souvent le calcaire CaCO3. 7|Page ISET Kébili Département Génie Mécanique 1.2. Le haut-fourneau Le haut-fourneau est un four à forme circulaire destiné à l’élaboration de la fonte. (fig.5) Fig.5 haut fourneau C’est par le gueulard que la charge est introduite à l’aide d’un monte-charge(skip). Le minerai de fer et les fondants sont introduits de telle façon à donner des couches qui seront séparées par des couches de coke. Il s’établit un courant descendant des matières d’abord solides, puis pâteuses et enfin liquide qui traversent le haut-fourneau en quelques heures. L’air chaud soufflé par les tuyères participe à ma combustion du coke en le transformant en monoxyde de carbone CO, il en résulte un courant gazeux ascendant. Le courant gazeux possède deux fonctions : - Transmettre la chaleur obtenue prés de tuyères à la charge. Donc la charge descendante se chauffe jusqu’à une température de 1500°C à son arrivée au creuset. Réduire les différents oxydes. La réaction fondamentale de réduction dans le haut-fourneau est la réduction du fer. L’agent réducteur est le carbone et son oxyde (CO) dont le rôle est d’éliminer l’oxygène des différents oxydes. 8|Page ISET Kébili Département Génie Mécanique Il existe deux types de réduction : - La réduction directe, celle qui se passe avec le carbone pour former le CO. La réduction indirecte avec le CO et le H2 pour former le CO2 et le H2O vapeur. La figure 6 ci-dessous, nous donne un aperçu sur les réactions principales se déroulant lors du processus métallurgique de haut-fourneau. Fig.6 processus métallurgique dans le haut fourneau 9|Page ISET Kébili Département Génie Mécanique 1.3. Les fontes du haut fourneau : Les fontes obtenues dans le haut-fourneau sont destinées pour l’affinage de l’acier dans les différents fours et convertisseurs ainsi que pour le moulage des pièces mécaniques (fonderie). Elles se distinguent l’une de l’autre par leurs compositions chimiques. Il existe deux types de fontes : Les fontes blanches, à cémentite Les fontes grises, à graphite La distinction entre fonte blanche et grise est établie à partir de l'observation de leur faciès de rupture. L'obtention d'une fonte grise ou blanche dépend à la fois de leur composition et de la vitesse de refroidissement. Lorsque la vitesse de refroidissement est lente et en ajoutant des éléments d'alliages graphitisants (cuivre, nickel, silicium), qui permettent de faire précipiter du graphite, on obtient de la fonte grise. Par contre, une vitesse de refroidissement rapide favorise la formation de cémentite et donc de la fonte blanche. Il existe des fontes dont l'aspect est gris et blanc, ce sont les fontes truitées. a) La fonte blanche : La cémentite est un carbure, dur et fragile. Les fontes blanches (FB) sont donc dures, fragiles, résistantes au frottement et à l’abrasion, et ont une bonne tenue à haute température. Elles sont difficilement usinables. Possédant une bonne coulabilité, et un aspect blanc brillant, la fonte blanche est principalement utilisée pour les pièces d'aspect, les pièces et la fonderie d'art. On peut obtenir une fonte malléable à cœur blanc ou à cœur noir à partir de fonte blanche par traitement thermique. b) La fonte grise : Les fontes grises (FG) sont donc des fontes alliées (Cu, Ni, Si). Le graphite est un matériau tendre et qui est un lubrifiant solide. Les fontes grises sont fragiles, usinables, et ont des bonnes propriétés d'absorption des vibrations. Le graphite précipite habituellement sous forme de paillettes, ou lamelles, notamment en raison de la présence d'impuretés, en particulier du soufre ; on parle de fonte à graphite lamellaire (FGL). On peut ajouter des éléments d'alliages piégeant le soufre, en général des terres rares, ce qui permet au graphite de précipiter sous forme de particules sphériques ; on parle de fonte à graphite sphéroïdal (FGS) qui est fonte ductile, malléable. 10 | P a g e ISET Kébili Département Génie Mécanique Pour résumer on distingue alors : Les fontes blanches (FB) : principalement utilisées pour les pièces d'usures ; Les fontes malléable (FM) : le principal intérêt est une plus grande soudabilité par rapport aux autres fontes ; Les fontes à graphite lamellaire (FGL) : elles sont surtout utilisées pour les bâtis de machine (absorption des vibrations), les tuyaux de dimensions importantes (conduites d'égout), les contrepoids, les chauffages et les plaques et inserts de cheminée ; Les fontes à graphite sphéroïdal (FGS) : elles sont ductiles et facilement soudables ; elles sont utilisées pour les automobiles (bras de suspension, tambours de frein, arbre à cames, vilebrequin) et les canalisations ; Les fontes à graphite vermiculaire (FGV), la forme du graphite étant entre la lamelle et la sphère, en utilisant des teneurs en éléments d'alliages (nodulisant tels que Mg ou Ce) moins importantes que pour les FGS ; cela permet d’avoir les propriétés de la FGL (stabilité, absorption) sans sa fragilité. 1.4. Désignation de la fonte : Les fontes sont désignées par le préfixe EN-GJ, indiquant qu'il s'agit de fonte, suivi du symbole de la famille de fonte, ainsi que la résistance à la rupture Rm, en MPa et éventuellement l'allongement à la rupture A%. Les familles des fontes sont : L : fonte à graphite lamellaire (fonte grise) ; S : fonte à graphite sphéroïdal (fonte grise) ; MB : fonte à cœur noir, fonte blanche malléable ; MW : fonte à cœur blanc, fonte blanche malléable ; N : fonte sans graphite ; V : fonte vermiculaire ; Y : fonte de structure spéciale ; Exemple : EN-GJS-350-22 fonte à graphite sphéroïdal de résistance à la rupture Rm=350 MPa et un allongement à la rupture A%=22%. 2. Elaboration et désignation des aciers : L’acier est un alliage de fer et de carbone dont la teneur en carbone est inférieure à 2% (fig.4). Dans l’industrie l’acier est plus utilisé que la fonte, car il possède des propriétés mécaniques relativement bonnes par rapport à ceux de la fonte. Les procédés de fabrication de l’acier sont assez nombreux. La majorité d’entre eux consiste à affiner la fonte de première fusion dans des fours ou convertisseurs, en la décarburant dans un premier temps et puis ajouter des éléments d’additions pour obtenir l’acier désiré. Les matières premières nécessaires pour l’élaboration de l’acier sont : la fonte liquide ou solide, la ferraille, les additions et des ferro-alliages. La masse principale de la charge se compose de la fonte et de la ferraille, la composition de la fonte doit correspondre aux exigences du procédé utilisé. Les additions sont le calcaire sous forme de CaCO3 ou CaO ou CaF2 utilisé pour l’affinage électrolytique. 11 | P a g e ISET Kébili Département Génie Mécanique 2.1. Processus d’élaboration de l’acier : L’acier peut être obtenu - A partir de la fonte d’une 1ère fusion élaborer en haut fourneau - A partir des déchets d’acier récupérer a) Fabrication de l’acier à partir de la fonte Action combiner de la chaux et de l’oxygène de l’air qui traverse la masse de la fonte en fusion procédé « BESSEMER » Action combiner de la chaux et de l’oxygène d’un oxyde de fer mélangés à la fonte maintenue en fusion procédé « MARTIN » b) Fabrication de l’acier à partir de la ferraille Les ferrailles sont fondues ensemble. On prélève, après fusion complète une éprouvette dont en fait l’analyse. Si la teneur en carbone est inférieure à celle de l’acier désiré, on ajoute de la fonte. Dans le carbone en excès. De la chaux introduire dans le bain permettra d’éliminer les impuretés sous forme de laitier. La figure ci-contre montre les différentes Fig.7 les principales étapes de fabrication de l’acier étapes de fabrication de l’acier. 2.2. Différents procédés d’élaboration des aciers Pratiquement la totalité de la production de l’acier est effectuée selon les procédés ci-dessous. On distingue deux différents procédés : Par soufflage : les procédés Thomas, Bessmer… Sur sole : four martin et le four à l’arc électrique a) Procédés par soufflage : Convertisseurs Bessmer et Thomas : C’est en 1857 que Henry Bessmer proposa le principe d’obtention de l’acier par soufflage de gaz oxydant dans la fonte liquide sans dépense d’énergie. Le procédé consiste à faire traverser le bain de fonte liquide par un courant d’air froid. Il ne pouvait être destiné que pour le traitement des fontes non phosphoreuses et à très faible teneur en soufre. Et c’est alors en 1979 que Gilchrist thomas développa le procédé Bessmer, pour le traitement des fontes phosphoreuses en maintenant le même procédé de soufflage de l’air sous pression. Le principe de fonctionnement est généralement le même pour les deux procédés, dans le convertisseur, la fonte est introduite avec une température avoisinante 1250°C. L’air froid est soufflé sous pression, ce qui oxyde les impuretés. L'originalité du procédé consiste à exploiter la chaleur dégagée par les réactions chimiques pour maintenir la masse de métal en fusion. b) Procédés sur sole : Procédé MARTIN : Le premier four martin a été conçu en 1864. La charge métallique est fondue par contact direct avec la flamme. Le procédé Martin est utilisé pour l’élaboration d’une grande variété d’aciers non alliés et faiblement alliés (aciers d’usage courant, aciers de qualité) avec des pourcentages en carbone de 0,03 à 1% et en phosphore et soufre inférieure à 0,04%. 12 | P a g e ISET Kébili Département Génie Mécanique La figure ci-dessous résume les différentes étapes d’élaboration de l’acier. Fig.8 élaboration de l’acier 2.2. Désignation des aciers : La norme (NF EN 10027-1) a retenu deux systèmes de désignation : (groupe 1) Les aciers désignés à partir de leurs caractéristiques mécaniques et physiques (aciers pour façonnage ultérieur) ou les aciers désignés à partir de leur emploi (fils, tôles, aciers revêtus…) (groupe 2) Les aciers désignés à partir de leur composition chimique a) Aciers désignés à partir de leur emploi et de leurs caractéristiques mécaniques et physiques : Le codage est réalisé à partir d’une lettre suivie d’une valeur numérique ; 13 | P a g e ISET Kébili Département Génie Mécanique *N.B. Re = limite élastique en MPa. *Il existe aussi d’autres les lettres L, B, Y,etc., pour plus d’information se référer à la norme. *Dans le cas d’aciers livrés moulés la désignation est précédée de la lettre G (exemple GS 235) Exemples E335 : Acier de construction mécanique ayant une limite élastique minimale de 335 Mpa S 235 : Acier de construction ayant une limite élastique minimale de 235 MPa b) Aciers désignés à partir de leur composition chimique Nous distinguerons 4 cas : - Les aciers non alliés avec un pourcentage de manganèse inférieur à 1% à l’exclusion des aciers de décolletage : Sous groupe 2-1 aciers non alliés sauf aciers de décolletage. - Les aciers non alliés de teneur en manganèse supérieure à 1%, les aciers non alliés de décolletage, aciers alliés pour lesquels la teneur d’aucun élément d’addition n’atteint 5% Sous groupe 2-2 aciers faiblement alliés. - Les aciers alliés dont la teneur d’au moins un des éléments est supérieure ou égale à 5%. Sous groupe 2-3 aciers fortement alliés - Les aciers alliés qui sont utilisé comme aciers d’outillage à coupe rapide Sous groupe 2-4 aciers rapides b.1. Aciers non alliés avec une teneur en Mn inférieure à 1% : Lettre C suivie d’une valeur numérique 2 chiffres représentant le pourcentage de carbone en masse de l’acier multiplié par 100. *N.B. La désignation est précédée de la lettre G si la pièce est livrée moulée *Ces aciers peuvent être suivis par un indice indiquant certaines propriétés de l’acier b.2. Aciers faiblement alliés : Ce sont des aciers dans lesquels la teneur en élément d’addition est inférieure à 5%. (Attention si la teneur d’un élément d’addition ne peut pas dépasser 5% la somme des teneurs le peut). 14 | P a g e ISET Kébili Département Génie Mécanique Tab. Coefficients multiplicateurs *N.B. La désignation est précédée de la lettre G si la pièce est livrée moulée b.3 Aciers fortement alliés : Un acier est considéré comme fortement allié si au moins un de ces éléments d’addition a une teneur supérieure à 5 % en masse. *N.B. Si une teneur n’est pas indiquée, elle est inférieure à 5%. b.4. Aciers à coupe rapide (codage spécifique) VII. Elaboration et désignation des alliages d’Aluminium 1. extraction de l’alumine à partir de la bauxite : procédé Bayer L’industrie utilise un procédé inventé en 1887 par Bayer. La bauxite est le minerai le plus utilisé pour obtenir de l’alumine ; son nom vient du village des « Baux-de-Provence » où le français Pierre Berthier découvrit ce minerai en 1821. La bauxite contient l’élément aluminium sous forme d’oxyde hydraté Al2O3, n H2O (n étant égal à 1, ou 3), également de la silice (SiO2), de l‘oxyde de titane (TiO2) et de l’oxyde de fer(III), Fe2O3. 2. Production d’aluminium par électrolyse de l’alumine : principe Il n’est pas possible de réduire l’alumine par des réducteurs industriels tels que le carbone, le monoxyde de carbone ou le dihydrogène car l’aluminium est très réducteur. L’industrie fait appel à la réduction à la cathode d’un électrolyseur, moyen très puissant de réduction. Mais l’oxyde d’aluminium(III) ne peut pas être réduit en solution aqueuse car 15 | P a g e ISET Kébili Département Génie Mécanique l’aluminium est plus réducteur que l’eau et c’est cette dernière qui serait réduite au lieu de l’ion aluminium(III). Par ailleurs, l’oxyde d’aluminium(III) est difficilement fusible comme toutes les espèces à structure ionique (ions Al3+ et O2-). On s’en sert même comme revêtement réfractaire (température de fusion de 2045°C). Dans l’industrie, un mélange fondu de plus de 90 % de cryolithe (Na3AIF6) et de 7 % d’alumine est électrolysé. Ce mélange est beaucoup plus fusible que l’alumine pure (température de fusion de l’ordre de 1000 °C). L’électrolyse de ce mélange ne consomme pratiquement que l’alumine et le carbone de l’anode qui réagit avec le dioxygène formé. On note néanmoins une consommation d’environ 30 kg de cryolithe par tonne d’aluminium. En simplifiant, l’équation de la réaction correspondant à l’électrolyse peut s’écrire : Fig.9. Processus de production de l’aluminium 16 | P a g e ISET Kébili Département Génie Mécanique 17 | P a g e ISET Kébili Département Génie Mécanique
