INSTITUT NATIONAL SUPERIEUR DES SCIENCES ET TECHNIQUES D’ABECHE (INSTA)

Départements de Génies Mécanique, Electrique & Energétique

Cours sur la Fabrication Mécanique I

Niveau : I

Chargé de cours : M. ABDALLAH BAN-NAH Mahamat

Année Académique 2024-2025

Fabrication mécanique I Année académique 2024-2025

Table des matières

I. Intr oduction générale.............................................................................................................. 5
1. Déf inition .................................................................................................................................. 5
2. Mét hodes d’obtention des pièces .............................................................................................. 5
2.1. Obtention par enlèvement des matières ............................................................................. 5
2.1.1. Tournage ............................................................................................................................ 6
2.1.2. Fraisage .............................................................................................................................. 6
2.1.3. Perçage ............................................................................................................................... 6
2.2. Obtention par fusion .......................................................................................................... 7
2.2.1. Moulage en sable ............................................................................................................... 7
2.2.2. Moulage métallique ........................................................................................................... 7
2.2.2.1 . Moulage par gravité ......................................................................................................... 7
2.2.2.2 . Moulage à basse pression ................................................................................................ 8
2.2.2.3 . Moulage sous pression (ou moulage par injection) ......................................................... 8
2.3. Obtention par déformation plastique ................................................................................. 8
2.3.1. Extrusion (ou filage) .......................................................................................................... 8
2.3.2. Laminage ........................................................................................................................... 9
2.3.3. Forgeage libre .................................................................................................................... 9
2.3.4. Estampage et matriçage ................................................................................................... 10
2.4. Obtention par assemblage ................................................................................................ 11
2.4.1. Soudage ............................................................................................................................ 11
2.4.1.1 . Soudage à l’arcélectrique.............................................................................................. 12
2.4.1.2 . Brasage (soudage à laflamme)...................................................................................... 12
2.4.2. Rivetage ........................................................................................................................... 13
2.5. Obtention par fabrication additive………………………………………………………13
3. Normalisation ...................................................................................................................14
3.1. Normalisation française ................................................................................................... 14
3.2. Pourquoi la normalisation?............................................................................................. 14
3.3. Normes françaises ............................................................................................................ 14
II. Sys tème ISO de tolérance ..................................................................................................... 15
1. Néc essité de la tolérance ......................................................................................................... 15
2. Sys tème ISO ........................................................................................................................... 15
3. Prin cipe ................................................................................................................................... 15
4. Dés ignation des tolérances ...................................................................................................... 17
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5. Po sition schématisée des tolérances dans le cas des ajustements ........................................... 17
5.1. Système à alésage normal (EI = 0) .................................................................................. 17
5.2. Système à arbre normal (es = 0) ...................................................................................... 18
6. Re présentation des tolérances dans le système International ISO .......................................... 20
6.1. Qualité .............................................................................................................................. 20
6.2. Position ............................................................................................................................ 20
III. Étude des ajustements ................................................................................................... 20
1. Aj ustement avec jeu ................................................................................................................21
2. Aj ustement avec serrage ......................................................................................................... 22
3. Aj ustementincertain................................................................................................................ 24
4. Ca ractéristiques des ajustements ............................................................................................. 25
4.1. Qualité .............................................................................................................................. 25
4.2. Zone de tolérance ............................................................................................................. 26
4.3. Palier de diamètre ............................................................................................................ 27
5. Ch oix des tolérances d’ajustement .......................................................................................... 28
6. No rmalisation destolérances................................................................................................... 32
IV. Matériaux utilisés en construction mécanique ............................................................ 33
1. Int roduction ............................................................................................................................. 33
2. Cl assification des matériaux ................................................................................................... 33
2.1. Matériaux métalliques ...................................................................................................... 34
2.1.1. Métaux ferreux ................................................................................................................. 34
2.1.1. 1. Aciers…. ........................................................................................................................ 34
2.1.12 . Fontes ............................................................................................................................... 36
2.1.2. Métaux non ferreux .......................................................................................................... 37
2.1.2. 1. Aluminium et ses alliages .............................................................................................. 37
2.1.2. 2. Cuivre et ses alliages ..................................................................................................... 38
2.2. Polymères ou matières plastiques .................................................................................... 38
2.2.1. Thermoplastiques ............................................................................................................. 39
2.2.2. Thermodurcissables.......................................................................................................... 39
2.2.3. Élastomères oucaoutchoucs............................................................................................. 39
2.3. Céramiques ...................................................................................................................... 39
2.4. Matériaux composites ...................................................................................................... 40
V. Es sais des matériaux ............................................................................................................. 41
1. Bu t des essais ..........................................................................................................................41

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2. Cla ssifications des essais ........................................................................................................41
2.1. Essais statiques................................................................................................................. 41
2.2. Essais dynamiques ........................................................................................................... 41
2.3. Essais complémentaires ................................................................................................... 41
2.4. Essais detravail................................................................................................................ 41
2.5. Essaischimiques............................................................................................................... 41
3. Étu de des principaux essais .................................................................................................... 41
3.1. Essai de traction ............................................................................................................... 42
3.1.1. Définition ......................................................................................................................... 42
3.1.2. Éprouvettes ...................................................................................................................... 42
3.1.3. Diagramme de l’essai de traction ..................................................................................... 43
3.1.4. Caractéristiques mécaniques ............................................................................................ 44
3.2. Essais de dureté ................................................................................................................ 45
3.2.1. Essai de dureté Brinell ..................................................................................................... 46
3.2.2. Essai de dureté Vickers .................................................................................................... 47
3.2.3. Essai de dureté Rockwell ................................................................................................. 47
3.3. Essais auchoc................................................................................................................... 48
3.3.1. Généralités ....................................................................................................................... 48
3.3.2. Essai de résilience ............................................................................................................ 48
3.3.2.1 . Définition ....................................................................................................................... 48
3.3.2.2 . Éprouvette...................................................................................................................... 48
3.4. Machines d’essais ............................................................................................................ 49
3.4.1. Mouton ordinaire ............................................................................................................. 49
3.4.2. Mouton deFrémont.......................................................................................................... 49
3.4.3. Mouton pendulaire de Charpy ......................................................................................... 50
3.5. Essai de fluage ................................................................................................................. 51

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I. Introduction générale

La fabrication mécanique est une discipline transversale qui va de l’économie des ressources à la sociologie des goûts du consommateur, en passant par la science des matériaux, la physicochimie du solide ensuite les techniques de conception et de production. Les objets qui nous entourent, que nous manipulons quotidiennement, sont tous constitués d’une matière choisie pour sa bonne adaptation à la fonction et au procédé d’usinage utilisé, c’est pour conférer à l’objet la forme souhaitée.

1. Définition

On appelle technologie de fabrication l’ensemble des savoirs et des pratiques fondés sur les principes scientifiques (mathématiques et physiques) dans un domaine technique. C’est aussi des techniques et méthodes qui consistent à obtenir une pièce ou un objet par transformation de matière brute. La technologie de fabrication est aussi l’étude des outils, des machines et des techniques utilisées dans l’industrie, bref elle est la théorie générale des techniques qui conduit à un procédé de fabrication. Pour obtenir la pièce désirée, il est nécessaire parfois d'utiliser successivement de différents procédés de fabrication, c'est-à-dire de nombreuses techniques visant l'obtention d'une pièce par transformation de matière brute.

Exemples : la technologie de l’information, la technologie nucléaire…

Dans notre présente étude on se limitera à la technologie de fabrication qui est constituée des trois technologies indispensables à savoir :

2. Méthodes d’obtention des pièces

L’usinage peut être classé en fonction de son action sur le matériau qu’il transforme. Nous pouvons classer en deux grandes parties à savoir l’usinage sans enlèvement de matière (copeaux) et l’usinage par enlèvement de matière, donc le choix d’un procédé d’obtention dépend de nombreux facteurs, dont le matériau, les formes de la pièce, l’état de surface ou la qualité, la précision ou la tolérance etc. dans ce présent document nous ne mentionnons que les cinq méthodes d’obtention des pièces à savoir :

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2.1. Obtention par enlèvement des matières

L’enlèvement de copeaux est l’élimination de l’excès de matière dans une pièce brute pour obtenir une pièce prête à être utilisée dans un procédé de fabrication. La méthode consiste à obtenir la forme finale par arrachements de petits morceaux de matière dits des copeaux. D’une manière générale on appelle usinage des procédés. On y distingue : le tournage, le fraisage, le perçage, le sciage…

2.1.1. Tournage

En tournage (sur un tour classique ou à commande numérique CN et un outil de coupe à un seul bord c’est-à-dire à dent unique), le mouvement de coupe est obtenu par rotation de la pièce serrée entre les mors d'un mandrin ou dans une pince spécifique, tandis que le mouvement d'avance est obtenu par le déplacement de l'outil coupant. Le tournage permet principalement d’obtenir des formes de révolution autour de l’axe de rotation de la pièce.

2.1.2. Fraisage

En fraisage, le mouvement de coupe est obtenu par rotation de l’outil (la fraise à plusieurs dents), tandis que le mouvement d'avance est obtenu par le déplacement de la pièce maintenue dans un étau lui- même posé sur la table de la fraiseuse. Le fraisage classique permet principalement d’obtenir des formes prismatiques, mais le fraisage par CN permet d’obtenir des formes pouvant être très complexes.

2.1.3. Perçage

Le perçage est une opération de forage dans laquelle, l’outil appelé foret reçoit le mouvement de coupe par rotation autour de son axe et le mouvement d’avance par translation suivant l’axe

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du foret. Autrement dit le perçage est une opération pour faire des trous circulaires (borgne ou débouchant) dans une pièce, qui effectue le mouvement de coupe dans une direction parallèle à son axe de rotation pour former le trou.

2.1.4. Sciage

Il utilise une lame de scie (outil avec une série de dents étroitement espacées) pour générer une rainure étroite à l’intérieur de la pièce qui peut la séparer en deux parties ou non, générant l’excès dans l’ébauche. Il s’agit d’un procédé de fabrication fondamental , car de nombreuses industries l’exigent à certains moments de sa séquence. La lubrification est fortement conseillée pour éviter l’échauffement et l’usure prématurée des dents.

2.2. Obtention par fusion

Cette technique consiste à couler un métal ou un alliage liquide dans un moule pour reproduire, après refroidissement, une pièce donnée (formes intérieure et extérieure) en limitant autant que possible les travaux ultérieurs de finition. Elle comprend : le moulage métallique, en sable ou par injection, le frittage…

2.2.1. Moulage en sable

Le démoulage s’effectue par destruction du moule. On doit donc fabriquer autant de moules que de pièces à fabriquer. Il existe plusieurs techniques d’obtention du moule en sable (sable humide ; durcissement thermique, chimique ou physique). Le moule en sable est obtenu à partir d’un modèle permanent (généralement en bois, en résine ou en métal) ou unique (en cire ou en polystyrène) dans le cas du moulage à modèle perdu.

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L'intérêt de cette technique est que le sable est réfractaire (il résiste à la chaleur), et que le moule ne coûte pas cher à fabriquer. Par contre, l’état de surface (Ra » 3,2 mm) et la précision obtenus sont assez mauvais. Cette technique convient bien pour des petites séries.

2.2.2. Moulage métallique

Le moule métallique est réutilisable plusieurs fois. Le démoulage est rendu possible par la différence de matière entre le moule et le métal coulé. Le moule subit toujours un poteyage (agent de protection physico-chimique) avant introduction du métal en fusion, il est enduit d’un liquide protecteur qui facilitera le démoulage. Le moulage métallique est classé en trois catégories selon la pression d’introduction du matériau liquide dans le moule : par gravité, sous pression et par injection.

2.2.2.1. Moulage par gravité

La pression est nulle, le matériau liquide est introduit par le haut et rempli le moule par gravité. L’état de surface (Ra » 1,6 mm) et la précision obtenus sont moyens. Cette technique, dont l’outillage est moins coûteux que les suivantes, est adaptée pour les petites séries.

2.2.2.2. Moulage à basse pression

La pression est faible (0,2 à 2 bars), le matériau liquide est introduit par le bas. Le procédé est semi-automatique, et souvent considéré comme une amélioration du moulage par gravité. Le coût de l’outillage est plus élevé, les cadences sont plus importantes, et l’état de surface et la précision sont meilleurs. Cette technique est adaptée pour les petites ou grandes séries.

2.2.2.3. Moulage sous pression (ou moulage par injection)

La pression d’injection du matériau liquide est importante (entre 50 et 200 bars). Ce procédé est souvent automatisé et permet de grandes cadences de production (jusqu’à 500 pièces / heure). Le coût de l’outillage est très élevé. L’état de surface et la précision des pièces obtenues sont bons. Cette technique est adaptée pour les très grandes séries.

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2.3. Obtention par déformation plastique

Elle consiste à déformer plastiquement le matériau à chaud ou à froid jusqu'à l’obtention de la forme désirée autrement dit c’est la production de pièces de formes et de matériaux divers, à partir d’un lopin par déformation plastique par chocs ou pression, à froid ou à chaud. On peut citer entre autres : extrusion, estampage, tréfilage, forgeage, laminage etc.

2.3.1. Extrusion (ou filage)

Principe de l’extrusion (appelée aussi filage pour les métaux) :

Un matériau chauffé et compressé est contraint de traverser une filière ayant la section de la pièce à obtenir. Cette technique permet d’obtenir en continu un produit pouvant être très long (barre, tube, profilé, tôle…).

Avantages :

Inconvénients :

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2.3.2. Laminage

Principe :

Le matériau est déformé par compression continue au passage entre deux cylindres tournant dans des sens opposés appelés laminoirs. Le laminage peut s’effectuer à froid ou à chaud.

Les laminoirs sont souvent utilisés les uns à la suite des autres afin de réduire progressivement l’épaisseur des profilés.

La plupart des tôles plates brutes sont obtenues par laminage.

2.3.3. Forgeage libre

Le forgeage est l'ensemble des techniques permettant d'obtenir une pièce mécanique en appliquant une force importante sur un matériau, à froid ou à chaud, afin de le contraindre à épouser la forme voulue.

Principe du forgeage libre :

Sous l’action d’une forte pression ou d’une succession de chocs, un bloc de métal chauffé (800 à 1200 °C) se déforme plastiquement vers les surfaces restées libres. Aucune matrice ne délimite la déformation du matériau, et la forme obtenue dépend fortement du savoir-faire de l’opérateur. Il peut s’effectuer avec un outillage manuel ou à l’aide d’un marteau-pilon ou d’une presse hydraulique.

La forge libre permet d'obtenir des ébauches ou des pièces brutes, et n’est pas adapté au travail en série.

Avantages :

Inconvénients :

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2.3.4. Estampage et matriçage

L’estampage est le forgeage mécanique des aciers, tandis que le matriçage est le forgeage mécanique des métaux non ferreux.

Principe :

Un lopin de métal chauffé et calibré (avec des dimensions précises) se déforme pour remplir les deux demi-empreintes de deux matrices appliquées l’une contre l’autre sous l’action d’une forte pression ou d’une série de chocs.

L’estampage et le matriçage sont adaptés à une production en série.

Avantages :

2.4. Obtention par assemblage

Les techniques d'assemblage ne font pas partie des procédés de fabrication, mais elles interviennent une fois que les différentes pièces ont été fabriquées. On parle de procédé de fabrication pour tous les objets. L’assemblage comprend : le soudage, le collage, le boulonnage, le rivetage etc.

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2.4.1. Soudage

On appelle soudage les procédés d'assemblages permanents et non-démontables qui créent une continuité de matière entre les pièces assemblées. La continuité est obtenue par un échauffement de la zone interface entre les pièces avec ou sans apport de matière qu’on appelle Zone Affectée Thermiquement (Z.A.T). En exemple d’application on peut citer :

Classification des soudages en fonction de la Z.A.T :

Les différentes techniques de soudage sont :

Ce procédé utilise un gaz "neutre" pour souder les aciers fortement alliés et les métaux nonferreux. Les g az neutres sont : Argon (gaz de base des mélanges) et Hélium (en mélange).

2.4.1.1. Soudage à l’arc électrique

Principe : En soudage à l'arc, l'énergie calorifique est produite par un arc jaillissant entre une électrode et les pièces à assembler.

Le métal d'apport est constitué de l'électrode elle-même ou par une baguette indépendante

(dans ce cas, l'électrode est en matériau réfractaire)

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Oxydation et protection :

A haute température, l'oxygène de l'air vient oxyder les matériaux soudés. Il faut donc protéger le cordon de soudure en l'isolant soit par un flux solide soit par une barrière gazeuse.

2.4.1.2. Brasage (soudage à la flamme)

Le brasage permet la jonction entre des alliages métalliques, à l'aide d'un métal d'apport dont le point de fusion est inférieur à celui (ou ceux) du (ou des) métal (aux) de base.

Le chauffage à une température suffisante pour fondre le métal d'apport provoque « l’accrochage » de celui-ci avec le métal de base grâce au phénomène de diffusion.

2.4.2. Rivetage

Les rivets sont utilisés par toutes les industries pour l’assemblage indémontable des petits ou de grands composants. L’assemblage d’une structure d’avion exige près de 2500000 rivets dont la pose représente 30 % du temps total de montage.

Avantages :

Inconvénients :

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2.5. Obtention par fabrication additive

La fabrication additive s’oppose à la fabrication soustractive où l’on enlève de la matière pour atteindre la forme désirée. Dans la fabrication additive, les pièces en 3D sont construites par addition de couches successives de matière sous contrôle d’un ordinateur. Autrement dit c’est un procédé de création d'objets tridimensionnels à partir d'un fichier numérique. Ce procédé est dit additif, car la fabrication repose sur la superposition de fines couches de matière, une par une. Les premiers procédés utilisant ce principe sont apparus à la fin des années 1980.

La fabrication additive désigne les procédés de fabrications par l’ajout de matière assistés par ordinateur, elle décrit les technologies qui peuvent être utilisées n’importe où dans le cycle de d’un produit depuis la pré-production (prototypage rapide) à la production à grande échelle (fabrication rapide) et même pour les applications d’outillages.

Dans la suite nous nous consacrons à la méthode d’obtention par enlèvement des matières qui

est la plus dominante dans le milieu industriel et qui donne l’importance à la technologie de fabrication à travers les différents procédés de l’usinage précédemment cités.

3. Normalisation

3.1. Normalisation française

La normalisation est le processus permettant d'élaborer une norme à partir des usages et des

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meilleures pratiques, elle fournit ainsi des documents de référence destinés à résoudre des problèmes techniques et commerciaux qui se posent de façon répétée entre les partenaires économiques et sociaux. Les normes françaises sont établies par les bureaux de la normalisation ou par l’association française de normalisation qu’on appelle AFNOR .

3.2. Pourquoi la normalisation ?

Afin de réduire l’outillage de production et de vérification ainsi que d’accroitre les possibilités d’échange et de compréhension entre les nations qui fut créer en 1928 un comité chargé de fixer des caractéristique dimensionnelles et géométriques des divers ajustements. Cet organisme est appelé ISA (International Standardinzing Association). En 1947 ISA a fait place à ISO (International System Organisation).

3.3. Normes françaises

Le mode d’établissement des normes est constant : il consiste à réunir au sein d’une commission des normalisations sur un problème technique donné. Des représentants de tous les intéressés à sa résolution (utilisateurs, producteurs, distributeurs, personnalités scientifiques et techniques, laboratoires, pouvoirs publics) jusqu’à ce qu’un consensus soit dégagé. Le processus se schématise de la manière suivante :

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II. Système ISO de tolérance

1. Nécessité de la tolérance

Compte tenu du processus de fabrication choisi et des machines utilisées, une cote réelle mesurant l’une de dimensions d’une pièce ne peut être précisément la même que celle indiquée sur le dessin correspondant. S’il faut fabriquer une série des pièces identiques, il est impossible à une même forme, d’avoir toujours exactement la même dimension d’une pièce à l’autre. Autrement dit lors de la fabrication d’une série des pièces identiques il est impossible d’obtenir d’une pièce à une autre exactement la même dimension. Ceci est dû aux imperfections des machines, à l’usure des outils de coupes, à l’opérateur. Il est donc facile de réaliser une pièce si celle-ci peut varier entre deux valeurs limites : une cote maximale et une cote minimale . L’écart arithmétique ou différence entre ces deux valeurs s’appelle la tolérance ou l’intervalle de tolérance ou encore internationale de tolérance IT et la cote théorique entière entre ces deux cote s’appelle cote nominale ou dimension nominale.

Figure N°1 : Tolérance d’une pièce

2. Système ISO

Il définit un ensemble des tolérances à appliquer aux dimensions des pièces lisses, pour simplifier la tâche on le traitera explicitement qu’aux pièces cylindriques mais ce qui se dit à ces dernières s’applique également à toutes les autres pièces.

Les termes Alésage et arbre désignent respectivement l’espace contenant et l’espace contenu ou femelle et mâle entre deux faces parallèles d’un système quelconque. Exemple la largeur d’une rainure et la clavette…

3. Principe

On appelle qu’à la pièce une dimension nominale choisie (ou une cote théorique choisie) et l’on définit chacune de deux dimensions limites par son écart par rapport à cette dernière. Cet écart s’obtient en valeur absolue et en signe en retranchant de la dimension nominale à la dimension considérée.

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Figure N°2 : Tolérance d’un ajustement

Relations entre les différentes dimensions et les écarts : Alésage

Donc l’intervalle de tolérance se calcule pour l’alésage de la manière suivante : ITA = D max − D min = Dnom + ES − ( Dnom + EI ) = ES − EI

Arbre :

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4. Désignation des tolérances

Pour chaque dimension nominale il est prévu une gamme de tolérance, la valeur de cette tolérance est représentée par un chiffre qui indique la qualité de cette tolérance c'est-à-dire la grandeur de l’intervalle de tolérance.

Il existe dix-huit (18) différentes qualités allant de 01-0-1-2-…-16 correspondantes à chacune des tolérances fondamentales qu’on note IT01-IT0-IT1-IT2-…-IT16 fonction de la dimension nominale. La position de cette tolérance par rapport à la ligne d’écart nul ou ligne zéro est symbolisée par une ou deux lettres qui vont de A à Z pour les alésages et de a à z pour les arbres ; autrement dit les lettres majuscule et minuscule sont respectivement attribuées au contenant et contenu ou femelle et male.

Exemple : Ø20 H 7 / g 6

Dimension nominale commune

~~S~~ ymbole de tolérance pour l’arbre

Symbole de tolérance pour l’alésage

NB : Dans un ajustement l’alésage est toujours précisé avant l’arbre

5. Position schématisée des tolérances dans le cas des ajustements

5.1. Système à alésage normal H (EI = 0)

Dans ce système on donnera à la dimension minimale de l’alésage la dimension nominale, et les jeux et serrages sont obtenus à l’aide de l’écart sur l’arbre et les tolérances.

Les alésages sont souvent fabriqués à l’aide d’outils normalisés (forets, alésoir) tandis que les arbres sont fabriqués sur des tours permettant de produire n’importe quel diamètre sur une Plage donnée.

Dans ce système dit normal on a :

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Figure N°3 : Système à alésage normal H

5.2. Système à arbre normal (es = 0)

Dans ce système on donnera à la dimension maximale de l’arbre la dimension nominale, et les jeux et serrages sont obtenus à l’aide de l’écart sur l’alésage et les tolérances.

Par exemple lorsqu’un arbre reçoit plusieurs composantes (alésages) avec des ajustements différents et que l’on veut conserver une même tolérance pour toute la portée de l’arbre Dans celui-ci on a :

✓ Une position de l’intervalle de tolérance (IT) de l’arbre fixe qui est h c'est-à-dire it = ei car es = 0 donc la dimension maximale est égale à la dimension nominale. ✓ Un choix de tolérance de l’alésage qui permet d’obtenir l’ajustement souhaité.

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Figure N°4 : Système à arbre normal h

Définition : Un ajustement est un assemblage dont les deux pièces contenant et contenu ou femelle et male ont la même cote théorique ou dimension nominale. Il est désigné par cette cote théorique suivi des symboles relatifs à chacune de deux pièces tout en commençant par l’alésage.

Un assemblage dépend :

Exemple : soit l’ajustement suivant : Ø20H7/h6

Pour l’alésage

0 Ø20h6 est : 20-13 Pour l’arbre

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exemple on a (20 + 0) mm pour l’alésage et (20 – 0,013) mm pour l’arbre.

✓ La tolérance de fabrication ou l’intervalle de tolérance est la différence entre deux écarts (supérieur – inférieur) d’une même pièce ici on a (21 – 0) µm pour l’alésage et (0 + 13) µm pour l’arbre.

6. Représentation des tolérances dans le système International ISO

Dans le système international ISO à valeur limite on définit :

6.1. Qualité

Plus la qualité augmente plus l’intervalle de tolérance augmente et donc on est moins précis, alors qu’il y a toujours un compromis entre la qualité et le cout de réalisation.

6.2. Position

Une tolérance d’usinage normalisée se représente par un symbole que l’on écrit après le nombre de la cote nominale et qui comprend une lettre (position) suivi d’un chiffre (qualité).

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III. Étude des ajustements

Définition:

Le terme générique ajustement est utilisé pour désigner le degré de jeu ou de serrage entre les deux entités géométriques conjuguées, et qui résulte de l’application sur les pièces d’un assemblage ( alésage et arbre ) d’une combinaison spécifique de tolérances et d’écarts fondamentaux . Les deux éléments ont une dimension nominale commune . Elles ont aussi une interaction fonctionnelle, c'est-à-dire qu'un élément guide, localise ou retient l'autre. Il y a donc contact partiel ou total et occasionnel ou permanent entre les pièces. D’une manière succincte un ajustement est un assemblage de deux pièces contenant et contenu ayant une même cote nominale.

Il existe trois types d’ajustements à savoir :

1. Ajustement avec jeu

Soit un ajustement de dimension nominale D. la cote réalisée de l’alésage reste toujours supérieure à celle de l’arbre. Les jeux sont positifs et les intervalles de tolérance de l’alésage et de l’arbre ne se chevauchent pas.

Remarque : ici dans ce type d’ajustement la cote minimale de l’alésage est toujours supérieure à la cote maximale de l’arbre, autrement dit l’écart inferieur de l’alésage est toujours supérieur à l’écart maximal de l’arbre donc les deux jeux sont positifs.

Exemple : Soit l’ajustement suivant : Ø40H7/g6

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Ø40 est la cote commune à toutes les deux pièces (alésage et arbre), après avoir fait recours aux tableaux des extraits de tolérances on obtient :

Alors on fait le calcul des jeux afin de déterminer la nature de l’ajustement puis la représentation graphique.

Alésage :

Pour les deux pièces autrement dit pour l’ajustement on a :

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J max = D max − d min = Dnom + ES − ( d nom + ei ) = ES − ei = 25 − ( − 25) = 50  m J min = D min − d max = Dnom + EI − ( d nom + es ) = EI − es = 0 − ( − 9) = 9  m J moy = J max 2 + J min = ( ES 2 + EI ) − ( es 2 + ei ) = 502 + 9 = 245,  m ITA = ES − EI ; ITa = es − ei ITjeu = ITA + ITa = ( ES − EI ) + ( es − ei ) = 25 + 16 = 41  m

Représentation graphique d’un ajustement avec jeu 2. Ajustement avec serrage

Le serrage peut être considéré comme un jeu négatif. La cote maximale de l’alésage est toujours inferieure à la cote minimale de l’arbre.

Remarque : Dans ce type d’ajustement les cotes minimale et maximale de l’alésage sont toujours inférieures à celles de l’arbre c'est-à-dire les écarts de l’alésage sont inférieurs à ceux de l’arbre, d’où les deux jeux sont négatifs ils sont dits serrages.

Exemple : Soit l’ajustement suivant : Ø40H7/p6

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Ø40 est la cote commune à toutes les deux pièces (alésage et arbre), après avoir fait recours aux tableaux des extraits de tolérances on obtient :

Alors on fait le calcul des jeux afin de déterminer la nature de l’ajustement puis la représentation graphique de l’ajustement.

Alésage :

Arbre :

d max = d nom + es = 40 + 0,042 = 40,042 mm d min = d nom + ei = 40 + ,0026 = 4,0026 mm  es + ei  d moy = d max + d min = d nom + es + d nom + ei = d nom +  2  0,042 + 0,026 d moy = 40 + = 40,034 mm 2 ITa = es − ei = 42 − 26 = 16  m Pour les deux pièces autrement dit pour l’ajustement on a : Smin = J max = D max − d min = Dnom + ES − ( d nom + ei ) = ES − ei = 25 − 26 = − 1  m Smax = J min = D min − d max = Dnom + EI − ( d nom + es ) = EI − es = 0 − 42 = − 42  m J moy = J max 2 + J min = ( ES 2 + EI ) − ( es 2 + ei ) = − 1 − 2 42 = − 215,  m ITA = ES − EI ; ITa = es − ei ITjeu = ITA + ITa = ( ES − EI ) + ( es − ei ) = 25 + 16 = 41  m

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Représentation graphique d’un ajustement avec serrage

3. Ajustement incertain

L’ajustement incertain aboutit à jeu ou à un serrage. Les intervalles de tolérance se chevauchent.

Remarque : Ce type d’ajustement donne des jeux qui ont de signe contraire, soit le jeu maximal est négatif et le jeu minimal est positif ou le cas contraire. Il est intéressant dans ce cas de voir la prédominance de serrage ou du jeu afin d’obtenir un ajustement avec jeu ou un ajustement avec serrage.

Exemple : Considérons l’ajustement suivant : Ø40H7/n6

Ø40 est la cote commune à toutes les deux pièces (alésage et arbre), après avoir fait recourt aux tableaux des extraits de tolérances des arbres et des alésages on a :

Alors on fait le calcul des jeux afin de déterminer la nature de l’ajustement puis la représentation graphique de l’ajustement.

Alésage :

D max = D nom + ES = 40 + 0,025 = 40,025 mm D min = D nom + EI = 40 + 0 = 40 mm

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Pour les deux pièces autrement dit pour l’ajustement on a :

Alors on fait le calcul des jeux afin de déterminer la nature de l’ajustement puis la représentation graphique.

On remarque que cet ajustement a une prédominance serrage, vue aussi la position de l’arbre on est très proche d’un serrage que d’un jeu.

Représentation graphique d’un ajustement incertain

4. Caractéristiques des ajustements

On distingue trois principales caractéristiques d’un ajustement qui sont :

✓ Qualité ;

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4.1. Qualité

Elle est la précision indiquée par un nombre de (1 à 16) auquel correspond la tolérance en

fonction de la dimension nominale, autrement dit elle est le compromis entre la production et le cout.

Qu alités usue lles in dica tive s des prin cip aux proc édés d’u sina ge
IT (qualités) 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
Oxycoupage
Sciage
Rabotage
Perçage
Fraisage
Perçage + alésoir
Alésage
Brochage
Tournage
Rectification
Rodage
Superfinition

Usinage de la qualité : Moyenne Précise Très précise

4.2. Zone de tolérance

Cette zone sert à fixer la position de la tolérance par rapport à la cote nominale ou la ligne de zéro et détermine la grandeur du jeu ou de serrage d’un ajustement considéré. Elle n’intéresse que les arbres car la tolérance des alésages normaux est obligatoirement située au-dessus de la tangente à la cote nominale ou bien on peut dire qu’elle ne s’intéresse qu’aux alésages car la tolérance des arbres normaux est obligatoirement située en dessous de la tangente à la cote nominale.

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Position schématisée des tolérances des alésages et des arbres

4.3. Palier de diamètre

Pour une précision déterminée, la tolérance grandie en fonction de la cote nominale, cependant sans cette dernière lui être proportionnelle. Afin de simplifier l’établissement des tables de tolérance on a regroupé dans chaque palier des diamètres voisins (proches). Le système à alésages normaux reconnait treize (13) paliers de diamètres pour les cotes allant de un à cinq cent (1 à 500) non inclus, alors il existe une tolérance pour chaque palier des diamètres. Par exemple le diamètre 150 contenu dans le palier de diamètre 120 à 180 comporte pour la qualité 9 un intervalle de tolérance de 100 micromètres.

En fabrication mécanique les intervalles de tolérance compris entre IT5 et IT13 sont les couramment utilisés.

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5. Choix des tolérances d’ajustement

Le choix des ajustements est une étape importante dans la conception des machines. Les performances et la qualité en dépendent.

Méthode générale :

a. On détermine les jeux ou les serrages limites compatibles avec un fonctionnement correct (éviter tout excès de précision inutile voir diagramme ci-après).

b. On se limite à maintenir le système à alésage normal puis en variant l’arbre afin d’obtenir les différents types d’ajustements. Tous les choix (jeux et serrages) sont regroupés dans le tableau ci-après.

c. On choisit dans les normes et de préférence les cas les plus couramment utilisés qui sont aussi regroupés dans le même tableau.

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Extrait des tolérances des Alésages

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Extrait des tolérances des arbres

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Exemple :

✓ Dans le tableau ci-dessus on a l’ajustement H8/f7 fait partie des pièces mobiles assurant un bon graissage et permettant un bon guidage tournant. C’est un des cas les plus utilisés à connaitre, par contre H7/f6 fait partie des pièces mobiles assurant un bon graissage et permettant un bon guidage tournant mais c’est un des cas les plus utilisés tout court. ✓ Dans le même tableau l’ajustement H7/p6 est un cas plus utilisé à connaitre pour transmission des efforts, l’assemblage nécessite une presse lourde, cependant H7/r6 est un cas plus utilisé pour transmission des efforts, l’assemblage nécessite une presse lourde mais pas à connaitre.

6. Normalisation des tolérances

La norme NE-02-101 présente des formules mathématiques et donne l’intervalle de tolérance en fonction du diamètre nominal et d’un indice de qualité k.

L’indice de qualité k est lié aux qualités, pour les qualités allant de 5 à 11 que nous regroupons dans le tableau ci-dessous.

Qualités 5 6 7 8 9 10 11
Indices k 7 10 16 25 40 64 100

Exemple : Calculons l’intervalle de tolérance pour une cote théorique de 125, sachant que la qualité 8 est souhaitée et la valeur de l’indice associé à cette qualité est égale à 25. IT ( m ) = (,045  3 D + ,0001  D )  k AN : IT ( m ) = (,045  3 125 + ,0001  125)  25 = 59,375 Alors que la norme NFE-02-101 indique dans le tableau une valeur de 63 µm de l’intervalle de tolérance pour le diamètre 125 qui appartenant au palier de diamètre 120 exclus à 180 inclus et non 59,375 µm.

Cette différence provient que le diamètre 125 mm qui appartient au palier de diamètre 120 exclus à 180 inclus est très proche à la borne inférieure du palier, c'est-à-dire des valeurs exclues. Par convention on fait recours à la formule suivante pour calculer l’intervalle de tolérance d’un palier dans lequel figure le diamètre.

D = D 1  D 2 où D 1  DD 2

Alors dans cet exemple on trouve une nouvelle valeur qui est : D = 120  180 = 146,969 mm

En reprenant le calcul précédant et en remplaçant le diamètre 125 par le diamètre 146,969 on

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trouve une valeur de 63 µm pour l’intervalle de tolérance.

Remarque : Au-delà de diamètre 500 mm la formule précédente des intervalles de tolérance

n’est plus applicable, on fait recourt à la formule suivante :

IT (  m ) = (1,2 + ,0004  D )  k

7. Application

Soit les ajustements suivants :

  1. 60H7/p6

  2. 80H7/n6

  3. 50H7/g6

  4. a. Calculer les dimensions de ces ajustements.

  5. b. Calculer les intervalles de tolérances.

  6. c. Calculer les jeux

  7. d. Donner est la nature de chacun d’eux

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IV. Matériaux utilisés en construction mécanique

1. Introduction

Les matériaux sont à la source de la technologie et du monde industriel. La réussite technique et le succès commercial d’un produit fabriqué dépendent en grande partie des matériaux choisis. Pour ce faire la fabrication mécanique a pour but de confectionner (fabriquer, préparer) maintenir en état tout mécanisme courant. La fabrication du mécanisme consiste à transformer des matériaux reçus dans une forme de produit brut. Les pièces une fois réalisées réunies et assemblées entre elles pour constituer le mécanisme prévu.

Le choix dépend autant du prix que des qualités propres du matériau et du procédé de fabrication retenu pour la réalisation. La sélection est le plus souvent effectuée en équipe client

et concepteur étant associés aux techniciens de fabrications.

Le choix d’un matériau dépend de plusieurs critères ou caractéristiques qui sont :

Ces critères n’appartiennent pas au mécanicien mais il doit prendre des précautions nécessaires lors de sa transformation.

2. Classification des matériaux

On peut regrouper en famille les matériaux et dans une même famille il est nécessaire de repartir en groupe :

savoir les ferreux et les non ferreux.

Elles sont également en trois classes qui sont :

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2.1.1. Métaux ferreux

2.1.1.1. Aciers

Définition : Les aciers sont des alliages de fer et de carbone éventuellement avec des éléments d’addition dont le pourcentage en carbone est inférieur à 2%. Ce pourcentage va de 0,05 à 1.8% environ.

Obtention des aciers

On peut obtenir des aciers à partir de la fonte de première fusion, celle-ci est conduite dans le mélangeur et subie des transformations qui conduisent à l’élaboration des différents aciers qu’on essayera de classer de la manière suivante :

Les aciers non alliés d’usage général S et les aciers de construction mécanique E sont les plus utilisés caractérisés par leur faible teneur en carbone. Il existe dans des qualités diverses et variées, la plupart sont disponibles sous la forme laminée marchande (profilés, barre, tôle ...) aux dimensions normalisées.

Désignation :

La lettre (S ou E) suivie de la limite élastique à la traction Re en méga pascal ou en Newton par millimètre carrée (MPa ou N/mm2 ) éventuellement quelques indications complémentaires.

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S 355 N
S : acier d’usage général N : normalisé

P : acier pour appareil à pression Limite élastique en MPa

Ils divisent en deux catégories à savoir : les faiblement alliés et les fortement alliés.

o Les aciers faiblement alliés :

Aucun élément d’addition n’atteint la teneur de 5% en masse ; ils sont choisis chaque fois qu’une haute résistance est exigée

Désignation :

Elle est fonction de la composition de pourcentage de carbone multiplié par 100 suivi des

symboles chimiques des principaux éléments d’addition classés en ordre décroissant.

35 Ni Cr Mo 16 …
% de carbone multiplie par 100 Teneurs en % des éléments
Principaux éléments d’addition d’addition

NB : certains éléments sont multipliés par 4 ; 10 ; 100 et 1000 qu’on regroupe dans le tableau ci-dessous.

X4 X 10 X100 X1000
Chrome(Cr) Aluminium(Al) Tantale (Ta) Azote (N) Bore (B)
Cobalt (Co) Cuivre (Cu) Titane (Ti) Phosphore (P)
Nickel (NI) Béryllium(Be) Vanadium(V) Souffre (S)
Silicium (Si) Molybdène (Mo) Zirconium (Zr)
Tungstène (W) Niobium (Nb)
Manganèse (Mn) Plomb (Pb)

o Les aciers fortement alliés :

Pour ces aciers au moins un élément d’addition dépasse la teneur de 5% en masse, ils sont destinés à des usages particuliers (en oxydation dans un milieu humide).

Désignation :

La lettre X (dans certains documents on utilise la lettre Z) symbolisant la famille suivie des

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mêmes indications que pour les aciers faiblement alliés ; la seule différence qui apparait est au niveau du multiplicateur pour le pourcentage des éléments d’addition.

X 35 Ni Cr Mo 16 14

Lettre symbolisant la categori ~~e~~

% de carbone multiplie par 100 Teneurs en % des éléments Principaux éléments d’addition d’addition

2.1.12. Fontes

Les fontes sont des alliages ferreux, leur grande coulabilité permet d’obtenir des pièces de fonderie aux formes complexes. A cause du pourcentage élevé en carbone entre 2 et 4,5%, les fontes sont en général fragiles, peu ductiles (inadaptées aux déformations à froid) difficilement soudables.

On distingue deux grandes catégories des fontes : les fontes de la première fusion et les fontes de la deuxième fusion.

Propriété : bonne coulabilité, bonne usinabilité et grande résistance en compression.

Propriété : ductilité, usinabilité, résilience.

Application : vilebrequin, arbre de transmission…

Désignation :

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EN GJ S 400 18
Prefixe Allongement pourcent
Fonte R ésistance à la rupture par traction
S : sphéroïdal en MPa ou en N/mm 2
L : lamelle

N : sans graphite

MB : malléable à cœur noir

MW : malléable à cœur blanc

2.1.2. Métaux non ferreux

2.1.2.1. Aluminium et ses alliages

Fabriqué industriellement depuis 1886, l’aluminium est obtenu à partir des minerais de

bauxite et de cryolithe, ce sont les plus utilisés après les aciers et les fontes.

Principales caractéristiques

Utilisation : dans le domaine d’aéronautique à cause de sa faible densité…

Désignation :

ENAW 1 0 50 A
Préfixe lettre éventuelle
Chiffre indiquant la famille Teneur en aluminium
de l’alliage
Aluminium pur

(Indice de pureté de 0 à 9)

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1- Aluminium pur (teneur > 99%) 5- Al + Mn
2- Al + Cu 6- Al + Si + Mn
3- Al + Mg 7-Al + Zn
4- Al + Si 8- Al + autres

2.1.2.2. Cuivre et ses alliages

Les alliages de cuivre sont très nombreux (plus de 200 alliages).

Les principales familles sont les laitons (Cu + Zn), les bronzes (Cu + Sn), les cupronickels (Cu + Ni) et les cupro-aluminiums (Cu + Al).

Les principales caractéristiques :

Désignation :

Cu Zn 27 Ni 18
Symbole chimique
Principaux éléments
d’addition
Teneu r en % des éléments d’addition

Domaine d’application :

2.2. Polymères ou matières plastiques

Les matières plastiques sont produites essentiellement à partir du pétrole, l’un des symboles du xxe siècle et sont aussi présentes partout. Les polymères sont élaborés par synthèse chimique à partir des molécules de base appelées monomères. Ces derniers sont construits autour des atomes de carbone (C), d’hydrogène (H), d’oxygène (O), d’azote (N) etc. mais leur constituant de base est la résine à laquelle on associe des adjuvants et des additifs.

Du fait de leur faible densité (0,9 à 2,2) bénéficient de très nombreux atouts (bonne isolation, bon rapport volume/prix…) mais parfois inflammables.

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On distingue les homopolymères, répétition d’une unique structure moléculaire et les copolymères, répétition de plusieurs structures différentes.

2.2.1. Thermoplastiques

C’est la famille la plus utilisée. Les thermoplastiques représentent près de 80% des applications des matières plastiques. Ils se ramollissent et se déforment sous l’action de la chaleur.

Ils sont constitués de chaînes ramifiées, ont un point de fusion et comportent deux classes : Les amorphes , sans ordre moléculaire, et les cristallins. Le changement d’état solide-liquide ou pâteux peut se faire plusieurs fois avec une perte de caractéristiques à chaque cycle.

Domaine d’application :

Ils sont utilisés dans le transport, la mécanique, le textile…

Ils sont insensibles à l’humidité, aux parasite mais leur coefficient de dilatation est élevé (fluage élevée).

Exemple : les ABS, le Polypropylène (pp)...

2.2.2. Thermodurcissables

Ils ne se ramollissent pas et ne se déforment pas sous l’action de la chaleur, une fois crées il n’est plus possible de les redémolir par chauffage.

Les thermodurcissables présentent une bonne tenue aux températures élevées (T > 200°), aux attaques chimiques et une meilleure résistance au fluage. Leurs macromolécules orientées dans l’espace suivant les trois directions. Il n’y a pas de point de fusion. La mise en œuvre est moins pratique, ils ne représentent que 20% des plastiques.

2.2.3. Élastomères ou caoutchoucs

Ils sont obtenus par synthèse chimique et possèdent des propriétés comparables à celles des thermoplastiques. Le premier caoutchouc naturel est le néoprène (apparu en 1930 c’est un thermoplastique une famille de caoutchouc à base de polychloroprène de formule CH2=CHCCl=CH2). Ils sont caractérisés par une grande élasticité l’allongement pourcent peut aller jusqu’à 1000%.

Domaine d’application : rependu dans le pneumatique, revêtements, joint d’étanchéité divers…

2.3. Céramiques

Les céramiques ne sont ni métalliques, ni organiques, à la température ambiante elles sont solides. Les objets en céramique sont réalisés par solidification à haute température d'une pâte humide plastique (verres minéraux), ou par frittage d'une poudre sèche préalablement comprimée, sans passer par une phase liquide. Elles sont très dures, très rigides, résistent à la chaleur, à l’usure, aux agents chimiques et à la corrosion mais sont fragiles.

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On peut distinguer trois catégories de céramique :

✓ La céramique domestique, principalement la poterie, l'une des plus anciennes formes de céramique, antérieure au travail des métaux, qui utilise les terres argileuses comme matériau de base ;

✓ La céramique technique, particulièrement développée au XXe siècle, et qui utilise des

matériaux à base d'oxydes, de carbures (outil de coupe)...

✓ La céramique d'art, qui délaisse la fonction utilitaire pour se centrer sur la valeur décorative ou esthétique.

2.4. Matériaux composites

Ils sont composés d’un matériau de base (matrice ou liant) renforcé par des fibres, ou agrégats, d’un autre matériau. En renfort, on utilise :

Éléments d’addition Symbole métallique Symbole chimique
Aluminium A Al
Bore B B
Cobalt K Co
Chrome C Cr
Cuivre U Cu
Manganèse M Mn
Molybdène D Mo
Niobium Nb Nb
Nickel N Ni
Plomb Pb Pb
Silicium S SI
Soufre F S
Titane Ti Ti
Tungstène W W
Vanadium V V

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V. Essais des matériaux.

1. But des essais

Les organes qui constituent les machines, les constructions civiles, les ouvrages d’art doivent résister aux efforts auxquels ils sont soumis sans risque de rupture, de détérioration ou d’usure prématurée. Les dimensions des pièces ne peuvent être déterminées que si l’on connait avec précision les propriétés des matériaux employés.

Les différentes propriétés d’un matériau sont définies par des nombres appelés caractéristiques. Les essais ont pour but de déterminer ces caractéristiques des matériaux sous ses différents efforts afin d’éviter les risques des ruptures des détériorations ou d’usure prématurée.

2. Classifications des essais

Les essais sont extrêmement nombreux comprennent :

2.1. Essais statiques

Dans tous ces essais, les éprouvettes sont soumises à des efforts croissants partant d’un point zéro jusqu’à un maximum correspondant à la rupture d’une manière progressive et lente. Ils comprennent les essais de traction, de compression, de flexion, de torsion et de cisaillement.

2.2. Essais dynamiques

Ils ont pour effet de placer l’éprouvette à essayer dans des circonstances analogues ou plus défavorable que celles subies par les organes d’une machine lors de son emploi. Ils constituent les essais de choc, de résilience, de fatigue.

2.3. Essais complémentaires

Ce sont les essais de dureté (ils ont une importance considérable dans la pratique) et les essais d’usure.

2.4. Essais de travail

Ces essais correspondent aux diverses applications industrielles et diffèrent suivant la forme et la destination des métaux à contrôler. Ce sont des essais de pliages à froid et à chaud, d’emboutissage, d’aplatissement.

2.5. Essais chimiques

Ils ont pour but de déterminer exactement la composition qualitative et de quantitative des produits employés ou élaborés.

3. Étude des principaux essais

On n’étudiera que les essais fondamentaux qui définissent les caractéristiques essentielles des matériaux et plus particulièrement les métaux :

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3.1. Essai de traction

3.1.1. Définition

Une barre est sollicitée à la traction simple lorsque la résultante des efforts auxquels elle est soumise tend à allonger et qu’elle est dirigée suivant son axe. On a deux comportements à savoir : Comportements élastique et plastique.

✓ Comportement élastique : Il correspond à de petits déplacements réversibles des atomes autour de leur position d’équilibre dans le réseau cristallin. Sous l’action d’une force, les atomes s’écartent. Pour les matériaux métalliques et les polymères non étirés et non renforcés, les caractéristiques d’élasticité sont indépendantes de la direction et le comportement élastique est linéaire.

Ce n’est pas le cas pour les composites ou certains polymères pour lesquels le module d’Young varie avec l’amplitude de la déformation.

✓ Comportement plastique : Lorsque la limite d’élasticité est dépassée, les atomes du réseau cristallin ont changé de place sous l’action d’un effort de cisaillement.

La prise en compte des défauts du cristal, notamment des dislocations, est indispensable pour comprendre le comportement plastique.

3.1.2. Éprouvettes

✓ Pour les métaux en barre l’éprouvette est réalisée au tour, les éprouvettes de forme en générale cylindrique, sont soigneusement polies et calibrées (rectifiées pour les aciers). Le corps C de section constante S est terminée par deux têtes A et B raccordées au corps par des congés de rayon r . au milieu du corps, sur 1 ou 2 cm de longueur, on diminue le diamètre de 0,1 mm pour localiser la rupture. Sur le corps, en D et E, on marque deux légers coups de pointeau dont la distance L définit la longueur initiale de l’éprouvette.

Fig.1 Éprouvette cylindrique pour essai de traction

Les dimensions dépendent des pièces qui les ont fournies ainsi que de la puissance de la machine de traction. Toute fois pour que les résultats puissent être comparables, les

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dimensions principales (distance L en millimètre et section S en millimètre carré) doivent satisfaire à la relation de similitude suivante : L = 66,67  S ✓ Pour les métaux en feuille (tôles, barres plates, ou profilés jusqu’à 3 mm d’épaisseur), les éprouvettes sont plates à section rectangulaire. Elles peuvent être découpées à la scie, à la cisaille, ou au chalumeau, à condition que les cotes d’ébauche soient supérieures de 20 mm aux cotes définitives. Ces cotes finales sont ensuite atteintes à l’étau limeur, à la raboteuse ou à la fraiseuse. L’épaisseur des éprouvettes est celle des barres sur lesquelles elles ont été prélevées. La largeur varie de 20 à 30 mm suivant l’épaisseur. La longueur L est déterminée par la relation de la similitude précédente.

Fig.2 Éprouvette plate pour essai de traction

3.1.3. Diagramme de l’essai de traction

Presque toutes les machines de traction permettent l’enregistrement graphique de l’allongement de l’éprouvette en fonction de la charge. En abscisses sont portés les allongements exprimés en millimètres et en ordonnées sont les charges exprimées en newtons.

Fig.3 Diagramme d’essai de traction

✓ La partie OA correspond à une période de déformation où les allongements sont proportionnels aux charges c'est-à-dire si l’effort devient 2,3,…, n fois plus grand

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l’allongement devient également 2,3,…, n fois plus grand. C’est la période de déformation élastique.

Si les forces cessent l’éprouvette reprend sa longueur initiale.

✓ Le point B marque la fin de la proportionnalité entre les efforts et les allongements, c’est

également la fin de l’élasticité .

✓ La partie de courbe BCD correspond à une période des grands allongements qui croissent plus vite que les charges. C’est la déformation permanente. Si l’effort cesse l’éprouvette ne reprend plus sa longueur initiale.

✓ A partir du point C l’allongement augmente malgré une diminution de la charge. La rupture se produit après un étranglement de l’éprouvette.

D’une manière brève on peut classer de la manière suivante :

3.1.4. Caractéristiques mécaniques

Limite conventionnelle d’élasticité Re = 0,2%. On considère généralement un allongement relatif conventionnel ε0 = 0,2% c'est-à-dire quand OA n’est pas rectiligne, on doit utiliser la limite conventionnelle d’élasticité qui correspond à un allongement plastique de 0,2%.

Fig.4 Diagramme de mise en évidence de Re 0,2

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Le module d’élasticité E qui s’exprime en newtons par millimètres carrés est donné par la relation suivante :

La striction de l’éprouvette Z% est obtenue par la relation ci-dessous :

Où S0 est la section initiale de l’éprouvette et Su est la section minimale de l’éprouvette après rupture.

3.2. Essais de dureté

Définition : La dureté est la faculté de résistance qu’offre un corps à sa pénétration par un autre corps. La caractéristique de dureté est mesurée directement sur les barres ou sur les pièces terminées sans passées par l’intermédiaire d’une éprouvette

Principe : Que ce soit pour une dureté Brinell, Rockwell ou Vickers, l’essai consiste à appliquer sur une pièce à mesurer, un pénétrateur (dont la forme varie selon le type de l’essai) sous une charge F (variable).

Historique : Johan August BRINELL (1849–1925), ingénieur métallurgiste suédois,

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travaillait sur la transformation des aciers en fonction de la température. Il avait besoin d’un test rapide non destructif pour déterminer la dureté des différents aciers testés. Il met au point son test de dureté Brinell basé sur une indentation, pour alliages métalliques peu durs. Principe : Sur une bille en acier trempé de 10 mm de diamètre placée sur la pièce, on exerce le poids d’une masse de 3000 kg (soit P = 3000 daN) passant par le centre de la bille et normal à la surface à la pièce. La bille pénètre d’autant plus que la dureté de métal à essayer est petite. La durée d’application de l’effort est environ 15 secondes.

Fig.5 principe de l’essai de dureté de Brinell

F
HB =
S
 D D − D 2 − d 2
( )
S = 
2
2  F
HB =
 D D − D 2 − d 2
( )

3.2.2. Essai de dureté Vickers

Historique : SMITH et SANDLAND , ingénieurs chez VICKERS Ltd GB ont besoin de tester des matériaux trop durs pour le test Brinell. En 1925, ils conçoivent une pyramide diamant. Cette pyramide de diamant à base carrée a un angle au sommet de 136°.

Principe : On utilise une pointe de diamant ayant la forme d’une pyramide à base carrée dont l’angle au sommet vaut 136°. La force de pénétration Pest comprise entre 50 et 1250 N (50-100-200-300-500-800-1200-1250 N). Au moyen d’une lunette spéciale, on mesure, sur la pièce, la diagonale d (mm) où d1 = d2 = d de la base carrée de l’empreinte pyramidale.

La surface de l’empreinte a pour expression:

La dureté Vickers s’exprime par le rapport de la force et de la surface est :

Fig.6 : principe de l’essai de dureté de

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3.2.3. Essai de dureté Rockwell

Historique: Stanley ROCKWELL travaille comme métallurgiste dans une usine de roulements à billes. Il vérifie les traitements thermiques par des tests de dureté. L’essai Brinell donne une indentation (découpure en forme de dent) trop grosse. L’essai Vickers est trop long. En 1922, Rockwell conçoit un nouveau système avec différents pénétrateurs, adapte aux métaux et aux plastiques avec une large gamme de matériaux testés.

Principe : Le pénétrateur est soit :

L’effort exercé varie avec la dureté du métal essayé. Il ne dépasse pas 1500 N. Pré-charge F0 faible de 10 daN = niveau de référence Surcharge F1 de 60 à 150 daN

Charge F2 = F0 à nouveau de 10 daN.

Fig.7 Principe de l’essai de dureté Rockwell b et Rockwell c

3.3. Essais au choc

3.3.1. Généralités

On dit qu’un corps est fragile lorsqu’il se rompt sous l’action de chocs ou d’efforts brusques. Un choc est caractérisé par l’énergie qu’il met en jeu ; donc les essais au choc ont pour but de déterminer le travail nécessaire pour rompre une éprouvette de section connue. L’aptitude que possède un métal à résister au choc s’appelle la résilience que l’on désigne par la lettre K.

3.3.2. Essai de résilience

3.3.2.1. Définition

La résilience d’un métal est déterminée en brisant en une seule fois l’éprouvette de métal à essayer en mesurant l’énergie nécessaire à la rupture. Si S est la section de l’éprouvette

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exprimée en centimètre carré et W est l’énergie nécessaire à la rupture exprimée en joule, la résilience K est définie comme le rapport de l’énergie par la section. Donc K représente en d’autre terme l’énergie en joule à dépenser par centimètre carré de la surface à rompre.

3.3.2.2. Éprouvette

L’éprouvette est un barreau à section carrée 10x10 mm2 et de longueur L = 55 mm. Elle est entaillé dans sa partie centrale, il existe deux types d’entailles ; l'entaille en V (angle de 45° et de profondeur 2mm) mais la plus utilisée est l’entaille en U de profondeur 5mm et de rayon en fond d'entaille de 1mm.

Fig.8 Éprouvette entaillé par essai de choc

3.4. Machines d’essais

3.4.1. Mouton ordinaire

Il est constitué par une masse de 12 kg pouvant tomber d’une hauteur variable. Cette masse comporte une partie saillante, terminée par un arrondi.

Avec ce mouton, il est impossible de déterminer la hauteur de la chute pour laquelle le travail, mesuré par PH , correspond exactement à l’énergie nécessaire pour provoquer la rupture de l’éprouvette. On se contente de préciser les conditions de l’essai. Par exemple, il sera spécifié que l’éprouvette de 40 x 40, en fonte ne doit pas casser lorsqu’on fait tomber successivement le mouton de 0,25 m, 0,30 m, 0,35m, 0,40 m. ce mouton est uniquement utilisé pour l’essai des fontes.

Fig.9 Schéma du mouton ordinaire

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3.4.2. Mouton de Frémont

Même principe que le mouton ordinaire mais complété par un système de ressort destiné à enregistrer l’énergie en excès après rupture par l’intermédiaire d’une tige se déplaçant devant une réglette graduée.

L’énergie disponible au moment de choc est : W = PH

L’énergie résiduelle par surface de l’éprouvette après le choc est indiquée par la tige solidaire

du ressort sur la réglette graduée. K = W − Wr

Exemple : si le mouton de masse 12,5 kg tombe d’une hauteur de 2 m et si, l’énergie résiduelle mesurée sur la réglette est de 60 J on a alors :

K = W − Wr = 250 − 60 = 190 = 95 J / cm 2
S 2 2

Fig.10 Schéma du mouton de Frémont

3.4.3. Mouton pendulaire de Charpy

Le pendule est constitué par une masse M en acier forgé qui peut osciller autour d’un axe O . la masse pendulaire a la forme d’un disque présentant une entaille biseauté ou couteau. L’éprouvette se place sur le bâti en T , de façon que le plan d’oscillation coïncide avec le plan axial de l’entaille. Le pendule est remonté puis lâché. Il passe entre les jambes du bâti, brise l’éprouvette et remonte jusqu’en G ’. Au moment où le couteau entre en contact avec l’éprouvette, l’énergie disponible est égale à : W = PH .

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Une partie de cette énergie par la rupture de l’éprouvette ; l’énergie en excès, qui permet au pendule de remonté jusqu’en G ’ a pour valeur PH' .

Le travail nécessaire pour briser l’éprouvette est donc :

Si S est la section de l’éprouvette en cm2 , la résilience est :

Fig.11 Schéma du mouton pendulaire de Charpy

3.5. Essai de fluage

La déformation continue des objets, avec le temps, sous l’action d’efforts appliqués constants est appelée fluage. Le phénomène de fluage est observé dans le système travaillant pendant de longues durées voire une décennie ou deux décennies et plus (10, 20 ans…) ou dans des machines travaillant sous températures élevées (chaudières, turbines, moteurs d’avion…). L’essai de fluage est un essai de traction, à chaud ou non, de longue durée. La rupture se produit sous des contraintes bien inférieures aux limites usuelles du matériau.

Certains matériaux tels que les matières plastiques présentent du fluage à température ambiante. Pour les métaux le fluage est surtout sensible à des températures comprises entre 35 et 70% de leur température de fusion. Le fluage a plus d’effet sur les céramiques que sur les métaux.

Enseig. M. ABDALLAH BAN-NAH Mahamat