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Les matériaux

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Les matériaux : 

Les grandes classes de matériaux :

  

Les matériaux


 

  

Les aciers :

Le sont le matériau de base des pièces mécaniques supportant des efforts importants.

L'acier est constitué :

  • de fer
  • de carbone
  • d'éléments d'addition

Aspect des grains possibles microscope :

Grains Acier

 L'acier en se refroidissant forme des cristaux : les atomes se rangent suivant un ordre bien précis dans des grains. Ci dessus, on peut voir des grains d'acier mis en évidence par de la couleur.

Ci contre le diagramme Fer-Carbone :

Il représente les différents états du matériau suivant le pourcentage de carbone dans le fer (à gauche, au niveau du zéro, c'est 100% de fer). On remarque la distinction entre l'acier et la fonte.

DiagrammeFE-C

Les fontes :

Elles sont constituées, comme les aciers, avec :

  • du fer
  • du carbone
  • des éléments supplémentaires éventuels

La différence est le tau de carbone qui est plus important pour les fontes.

Différences aciers - fontes :

Aciers 

Fontes

Moins de carbone

Mise en forme par usinage

plus « souple »
Caractéristiques mécanique meilleures.
Protéger de la corrosion (zinc, peinture … chrome)

Plus de carbone
Mise en forme par moulage
plus cassant
résiste assez bien aux frottements

200

IMGP2219

Steel_wire_rope

IMGP8712

IMGP8722

 

 

Les alliages d'aluminium :

  • Environ 3 fois plus léger que l'acier

  • Caractéristiques mécaniques environs 3 fois moindres que celles de l'acier.

  • Recyclables

  • Résiste à la corrosion

  • Conduit très bien l'électricité.

  • S'usine se moule et s'extrude. Le soudage est aussi possible.

imgp7844

IMGP8755

Au bord de la mer (en Crète), l'atmosphère est très corosive. Ici, on peut comparer la réaction de l'acier qui rouille et sera détruit avec celle de l'aluminium qui résiste mieux même s'il s'oxyde en surface aussi. Certaines roues, pour des raisons esthétiques, sont faites en alliage d'aluminium.

 

Les alliages à base de cuivre :

Le cuivre est un métal assez cher et lourd peu utilisé seul sauf pour conduire l'électricité dans des câbles non soumis à des efforts mécaniques. On l'associe à de l'étain ou du zinc en premier lieu en général. 

Les bronzes (Cuivre + étain) : 

Le bronze est le premier alliage métallique que l'homme a utilisé car son ptention fut issu de méthodes de la céramique qui était maîtrisée. C'est donc plus par hasard, par opportunité que pour ses qualités réelles que l'âge du bronze fût. L'acier, pourtant plus courant et bien plus avantageux nécessitait une température de fusion bien plus élevée qui ne sera possible qu'avec des progrès importants dans les fours.

Les bronzes ont deux particularités :

  • ils se moulent très bien et on en fait des oeuvres d'art (ou des choses s'en rapprochant).
  • ils résistent bien aux frottements et permettent de diminuer les pertes dûent aux frottements

467px-Luxembourg_statue_cerf_daims IledeRe2007 bague-lineaire-en-bronze-61254  

 

Les laitons : (cuivre + zinc)

On retrouve ce matériau pour :

  • des petites pièces décolletées dans la conduite des fluides
  • pour la résistance à la corrosion.
  • pour l'esthétique.
IMGP8772

 

Le titane :

Le titane est est un métal qui se caractérise par :

  • sa légèreté
  • sa résistance à la corrosion
  • sa relative résistance mécanique
  •  

    vélo titanerafale

    De par son coût, le titnae est essentiellement utilisé dans les produits haut de gamme (comme ici dans certains cadres de vélo de route) et l'aviation (train avant de Rafale). Il remplace généralement dans ces cas là l'acier.

    Les matériaux plastiques :

    Les matériaux plastiques sont des fibres longues synthétisées (polymères) obtenues par assemblage répétitif de monomères issus du pétrole, de gaz ou de charbon. Ils sont donc à la base constitué de carbone. On utilise les plastiques dans tous les produits courants supportant peu d'efforts.

    Leur structure peut être amorphe (non organisée), cristalline en 2 ou 3 dimensions (plus cassant mais plus résistant) ou un mélange amorphe-cristallin.

    La masse des matières plastiques est très inférieure à celle de l'acier mais leur résistance mécanique également. Il existe une multitude de matériaux plastiques mais on les classe en 2 groupes :

    • Les thermodurcissables qui durcissent à la chaleur (époxy - Bakélite ...) qu'on retrouve dans les poignées de casserolles par exemple.
    • Les thermoplastiques qui ramolissent à la chaleur (PVC - Polystyrène).
    600px-Syndiotactic_polypropene

      

     

    Les céramiques :

    La céramique représente un ensemble de produits comme les poteries, la porcelaines ... Mais dans cette catégorie de matériaux non métalliques et nécessitant de la chaleur pour leur obtention, on classe les céramiques industrielles.

    Les céramiques industrielles ont une base qui n'est pas le carbone ni un metal et ils sont obtenus grace à une forte température et leur transformation est irréversible. Leur structure est, en partie au moins, cristalline.

    Exemples : Oxydes, carbures, nitrures

    Elles sont généralement très dures, résistent bien à la chaleur mais sont cassantes et leur emploi demande une maîtrise poussée de la composition et de la structure. On les retrouve par exemple dans les prothèses de hanches (frottement-bio compatibilité).

    Les céramiques sont des isolants électriques (et thermiques surtout lorsqu'ils sont réfractaires), mais grace à des impuretées, on enfait des semis conducteurs. Certaines ont des propriétés piezoélectriques (déformations volumiques ↔ charges élèctriques) ce qui permet de les utiliser par exemple dans des accéléromètres.

    Roulements céramiques

    Exemples :

    Carbure de silicium : composé de silicium et de carbone utilisé comme :

    • abrasif - outil de coupe
    • semi conducteur
    • paliers en mécanique
    589px-Silicon-carbide-3D-balls

    Alumine ou oxyde d'alumine :

    • abrasif
    • matériau réfractaire
    Alumine

     Comparaison des caractéristiques mécaniques de divers céramiques industrielles comparées à l'acier trempé :

    Matériau :

    Dureté Knoop

    Module d'élasticté(GPa)

    Résistance à la compression (MPa)

    Température de fusion ou de décomposition (°C)

    Diamant

    8000

    930

    7000

    >3500

    Nitrure de bore

    5000

    860

    7000

    1540

    Carbure de bore

    3500

    450

    2900

    2425

    Carbure de titane

    3100

    350

    2800

    3100

    Carbure de silicium

    3000

    400

    1000

    2400

    Carbure de tungstène

    2700

    600

    5000

    2780

    Alumine

    2100

    350

    3000

    2050

    Quartz

    1000

    54

    1200

     

    Silice Vitreuse

    550

    72

    700

    1600

    Acier trempé

    800

    210

    1200

     

     La dureté représente la capacité à résister à un poinçon. plus la marque est petite , plus le matériau est dur.

    Le module d'élasticité : c'est la raideur du matériau, le cahoutchouc aura un module d'élasticité très faible car il s'allonge sous un faible effort, l'acier a une raideur plus grande.

    La résistance à la compression : C'est la valeur limite que peut supporter le matériau avant rupture. Ce n'est pas lié à la raideur : un matériau peut avoir une raideur importante mais casser rapidement, et inversement.

     

    Les organiques :

    Matériaux à base de carbone et d'hydrogène.

     

     

     

    Le silicium :

    Le silicium est l’élément de a base des semi conducteurs C'est un élément très courant sur terre puisqu'il est le second plus présent (25% en masse de la terre). Il se retrouve dans le sable, le diamant, le verre, le quartz, les feldspaths

    Ses propriétés de semi conducteur ainsi que des méthode de gravure ultra précises et son abondance sur la terre font qu'on le retrouve à la base des capteurs photos/vidéo, des accéléromètres, des écrans, des panneaux photovoltaïques, des transistors, les puces électroniques, piles à combustibles… il est partout.

    Silicium "Diamant" :

    628px-Silicium-Diamant

     

     

     Le carbone :

    Le graphite :

    Le graphite est l'ine des forme de carbone. On le retrouve sous différents aspects dont la structure peut varier entre l'amorphe (sans structure régulière) à une structure héxagonale compacte. Le charbon peut être une forme variable constituée des 2.

     

    hexagonalecompact

     

    Le diamant :

    Composé d'atomes de carbone, c'est l'une des forme "métastable" (stable sous certaines conditions mais pas la forme la plus stable). Il se transforme en graphite s'il brule.

    Structure cristaline du diamant :

    Diamonds_glitter

    Les propriété du diamant sont la dureté et un angle de réflexion de la lumière particulier qui fait qu'une taille bien adaptée piège la lumière dans le diamant et lui donne un éclat apprécié qui permet par conséquence de matérialiser localement l'exploitation des autres pour l'enrichissement personnel et simultannément d'encourager des conflits en Afrique par exemple. Diamant

     Les fibres de carbones :

    Ce sont principalement des atomes de carbone dont les cristaux sont empilés de façon linéaire pour former une fibre. Les fibres sont ensuites enroulées pour faire un fil. Ce fil est résistant en traction.

     

     

     

    Les composites :

    L'utilisation de de propriétés conjointes de matériaux différents pour recréer un matériau plus performant.

    Exemple du béton armé : Le béton supporte les efforts de compression mais mal les efforts de traction ou de cisaillement. L'ajout d'une maille métallique permet de corriger cela.

    Viaduc_de_Millau_2

    Le viaduc de Millau : les câbles sont en acier et les tabliers en béton armé.

    Les composites

    En mécanique, les composites sont l'association de deux (ou plus) composants pour obtenir globalement un matériau plus performant que les deux constituants. Généralement, ils sont formés :

    • d'une âme, une structure qui supportera l'essentiel des efforts , il s’agit d'un tissus de fibres (verre, carbone, Kevlar).

    • d'un liant : une résine de synthèse type époxy.

    800px-Kevlar_chemical_structure

     siège kevlar  winsurf  908 HDI FAPP-DG800-dent  Kevlar  Kohlenstofffasermatte

    Kevlar-N-Power-200

     

     

     

     

    L'essai de traction :

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    TD-BCI

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    TD-Banc de Contrôle Industriel :

    Complétez le montage de roulement ci dessous :

    Roule6-2AModifier

    Téléchargez le fichier pdf

    Corrigé du dessin :

    Roule6-2AModifier-Corrigé

     

    Il s'agit ici d'un montage en "X" et c'est à priori la bague intérieure des roulements qui sera montée serrée sur l'arbre.

     

     

    TD Réducteur 2

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    TD réducteur 2 :

     

     

    TD Réducteur 2 - Corrigé

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    TD réducteur 2 Corrigé :

    Bien sûr, il y avait plusieurs sujets dont les valeurs changeaient !!

    Calcul du rapport de réduction :

     N5/N1 = (Z1×Z3×Z4)/(Z2×Z4×Z5) = 0.14 (selon les versions !)

    A remarquer :

    • La roue "4" ne sert pas à modifier le rapport de réduction.
    • Le signe est positif puisqu'il y a 2 contacts extérieurs de dentures.

    N5 = 0.14 × 2500 tr/min = 350 tr/min = 350 × 2π / 60 = 262 rad/s

    Calcul de la vitesse de déplacement de la pièce 6 :

    C'est le système vis-écrou (à ne pas confondre avec la roue et vis sans fin).

    1 tour de vis 5 → 1 pas de déplacement de l'écrou (soit 1,5 mm selon les versions)

    350 tr/min → 350 × 1,5 = 525 tr/min 

    Dessin de la liaison encastrement : (Dessin de J D)

    TDMotoreducteurJeremy

    Bien prévoir un trou lisse de diamètre plus important que le diamètre de la vis.

     
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