Soutenance mémoire
Le choix dans l’utilisation des matériaux dépend de plusieurs critères dont les caractéristiques mécaniques (limite élastique, masse, dureté, résilience,…), les caractéristiques physico-chimiques (comportement à la corrosion, vieillissement,…), les caractéristiques de mise en œuvre (usinabilité, soudabilité, trempabilité,…), et les caractéristiques économiques (prix, disponibilité, expérience industrielle, compatibilité avec l’environnement,…). On distingue 4 grandes classes de matériaux solides très utilisés à une grande échelle industrielle, les matériaux métalliques, les polymères, les céramiques et les composites.
Tout progrès technologique important est souvent lié au développement de matériaux dotés de propriétés améliorées ou de nouveaux matériaux. L’aluminium et ses alliages occupent une place importante dans l’industrie automobile, l’aéronautique, l’agriculture, la médecine, le conditionnement alimentaire,…Du fait de leur mise en forme facile et de leur faible densité, l’aluminium et ses alliages en font des matériaux de choix pour ces applications.
L’addition d’un élément d’alliage à un métal pur a pour effet de renforcer le durcissement mécanique de celui-ci. Le durcissement observé dans un alliage dépend essentiellement de la nature du métal de base, de l’élément d’addition, du mode et des paramètres d’élaboration. De toutes les méthodes destinées à améliorer la résistance des métaux purs, celle qui est le plus utilisé est le durcissement par un oxyde métallique, pour un métal très ductile, tel que l’aluminium. Les traitements thermiques d’homogénéisation, de restauration, ou de recristallisation sont utilisés pour améliorer les caractéristiques microstructurales et physicochimiques générales des matériaux solides.
Les matériaux solides sont définis comme des solides utilisés à grande échelle industrielle pour la conception d’objets caractérisés par leurs fonctions et leurs propriétés physiques. Le choix d’un matériau pour une large utilisation industrielle dépend de plusieurs critères essentiels dont les principaux sont les caractéristiques :
1- mécaniques (masse, dureté, résilience..),
2- physico-chimiques (corrosion, vieillissement,..)
3- de mise en œuvre (usinabilité, soudabilité,…)
4- économiques (prix, disponibilité, environnement, recyclage,…) .
Les matériaux métalliques et leurs alliages
Matériaux ferreux
Comme leur nom l’indique, les matériaux ferreux contiennent du fer. C’est le cas de la fonte et des aciers.
Matériaux non ferreux
Il existe un grand nombre de matériaux dont l’élément principal n’est pas le fer, mais seulement quelques-uns sont employés dans des applications techniques. Les matériaux non ferreux ont les propriétés communes de ne pas être attirés par un aimant et de résister à la corrosion.
Les alliages métalliques
Description
Les matériaux métalliques sont des matériaux présentant à la fois une bonne résistance mécanique et une facilité de mise en forme. Ils sont de fait très utilisés à grande échelle industrielle. Cependant, les métaux purs sont des matériaux présentant à la fois des caractéristiques mécaniques relativement faibles et plus ou moins de facilité de mise en forme à chaud ou à froid, d’où la nécessité d’ajouter d’autres éléments leurs permettant d’améliorer leurs caractéristiques. L’addition volontaire à un métal pur de base d’un ou plusieurs éléments d’alliages peut modifier profondément les propriétés des métaux de base [1].
Formation des alliages
Les alliages métalliques sont obtenus par fusion de deux ou plusieurs éléments. Donc, pour réaliser un alliage il faut chauffer les deux métaux afin d’atteindre leur point de fusion, la chaleur entraine des défauts dans la matière dus à l’augmentation de l’excitation des atomes. Ces défauts permettent les substituions et les insertions des éléments alliés dans le métal de base. Les deux éléments sont en train de se mélanger. Selon que l’on ait des insertions ou des substitutions on distingue deux types de solutions solides. On parlera de solutions solides d’insertion quand les atomes alliés sont suffisamment petits pour s’intégrer dans les sites vacants. On aura des solutions solides de substitution lorsque les atomes alliés se substituent aux atomes constituant la maille du cristal. [1]. Les critères qui favorisent la formation de solution solide sont données par HumeRothery, appelées les 4 règles de Hume Rothery [2]. Hume-Rothery a établi que la microstructure d’un alliage dépend de la taille des atomes composants (règle de facteur de taille), et les structures cristallines (règle de structure) aussi bien que la concentration d’électron de valence (règle de valence) et les différences électrochimiques (règle d’électronégativité).
Mise en forme des alliages métalliques
Moulage ou fonderie
Moulage dans des moules en sable, en acier ou plus récemment moulage par injection sous pression ; on constate souvent à l’issu du refroidissement une orientation privilégiée des cristaux .
Forgeage
Le lingot métallique est déformé en exerçant sur le métal chaud des forces de pression à l’aide d’une presse ; cela permet une homogénéisation du lingot.
Laminage
Cette opération peut intervenir à chaud ou à froid ; elle consiste à déformer plastiquement le métal à l’aide de cylindres pour obtenir des tôles plates ou ondulées. Le métal est fortement écroui et souvent présente une texture à la suite de cette transformation.
Emboutissage
Cette opération transforme une tôle plane en une pièce de forme variée et produite en grand quantité ; l’emboutissage peut être effectué à chaud ou à froid.
Frittage
Cette opération a pour but d’obtenir à partir de poudres un solide plus ou moins dense sans passer par l’état liquide. Elle consiste à soumettre à un traitement thermique les particules, en général comprimées au préalable à température ambiante. Le frittage est une technique très utilisée pour la préparation de composés à point de fusion très élevé comme les oxydes réfractaires. Le frittage peut être effectué à partir de particules d’une seule espèce ou d’espèces différentes; l’une des espèces au moins est maintenue à l’état solide.
Propriétés matériaux métalliques
Propriétés générales
Les matériaux métalliques présentent des propriétés par rapport aux autres matériaux telles que : la rigidité, la conduction de l’électricité, la conduction de la chaleur, la réflexion de la lumière, le pouvoir de recyclabilité, la cristallinité de la structure.
Recyclage des matériaux métalliques
Les matériaux sont facilement recyclables il suffit de les refondre, et cela peut se faire indéfiniment sans qu’il y ait d’altération généralisée dans les propriétés mécaniques. Le principal problème est celui du tri et qui peut être résolu par une conception astucieuse de procédés de tri permettant l’élimination des impuretés.
Impact environnemental
Leur impact environnemental peut être considéré comme modéré du fait de leur recyclabilité, bien que leur élaboration primaire nécessite une grande quantité d’énergie dans les différentes opérations d’extraction des minerais et de réduction et génère des rejets polluants.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I Recherche Bibliographique
I-1. Introduction
I-2. Description générale des matériaux
I-2.1. Classement des matériaux solides
I-2.2. Les matériaux métalliques et leurs alliages
I-2.2.1. Matériaux ferreux
I-2.2.2. Matériaux non ferreux
I-2.3. Les alliages métalliques
I-2.3.1. Description
I-2.3.2. Formation des alliages
I-2.3.3. Mise en forme des alliages métalliques
I-2.3.3.1 Moulage ou fonderie
I-2.3.3.2. Forgeage
I-2.3.3.3. Laminage
I-2.3.3.4. Emboutissage
I-2.3.3.5. Frittage
I-3. Propriétés matériaux métalliques
I-3.1. Propriétés générales
I-3.2. Recyclage des matériaux métalliques
I-3.3. Impact environnemental
I-4. Les traitements thermiques
I-4.1. Description
I-4.2. Le cycle thermique des traitements thermiques
I-4.3. Objectifs d’un traitement thermique
I-4.3.1. Principes de traitements thermiques
I-4.3.2. Réalisation d’un traitement thermique
I-4.4. Les principales opérations
I-4.4.1. La trempe
I-4.4.2. Le revenu
I-4.4.3. Le recuit
I-5. La solidification
I-5.1. Généralités
I-5.2. Procédés de solidification
I-5.3. Méthodes générales de solidification
I-5.3.1. Paramètres de solidification
I-6. Durcissement des matériaux
I-6.1. Types de durcissement
I-6.1.1. Durcissement par écrouissage et par soluté
I-6.1.2. Durcissement structural par précipitation
I-6.1.3. Durcissement par trempe
I-6.1.4. Durcissement de solution solide
I-6.1.4.1. Généralités sur les solutions solides
I-6.1.4.2. Types de solutions solides
I-6.1.4.2.1. Description
I-6.1.4.2.2. Les Solutions Solides Primaires
I-6.1.4.2.3. Les Solutions Solides d’Insertion (ou Interstitielles)
I-6.1.4.2.4. Mécanismes de durcissement de solution solide
I-6.1.5. Effet de taille de grain
I-7. L’aluminium et ses alliages
I-7.1. L’aluminium pur
I-7.1.1. Généralités sur l’aluminium pur
I-7.1.2. Caractéristiques de l’aluminium
I-7.1.2.1. Légèreté
I-7.1.2.2. Conductivité électrique et thermique
I-7.1.2.3. Tenue à la corrosion
I-7.1.2.4. Aptitude aux traitements de surface
I-7.1.2.5. Recyclage
I-7.2. Les alliages d’aluminium
I-7.2.1. Nomenclature
I-7.2.2. Classification des alliages d’aluminium
I-7.2.2.1. Catégories des alliages d’aluminium
I-7.2.2.2. Distinction des caractéristiques des alliages d’aluminium
I-7.2.2.3. Autres caractéristiques des alliages d’aluminium
I-8. Etude de l’alumine
I-8.1. Description de l’alumine
I-8.2. Intérêt industriel
I-8.3. Caractéristiques spécifiques de l’alumine
I-8.3.1. Propriétés générales de l’alumine
I-8.3.2. Les différents états cristallographies de l’alumine
I-8.3.3. Transformation des alumines métastables
I-9. Conclusion
Chapitre II Elaboration par fusion HF des alliages Al-Al2O3
II-1. Introduction
II-2. Les bases du chauffage par induction électromagnétique
II-2.1. Principe de base
II-2.1.1. Induction électromagnétique
II-2.2.2. L’effet Joule
II-2.3. Caractéristiques de chauffage HF
II-3. Elaboration des alliages Al-Al2O3 par fusion HF
II-3.1. Préparation des cibles
II-3.1.1. Matériaux étudiés
II-3.1.2. La pesée des poudres
II-3.1.3. Compactage de poudres
II-3.2. Processus d’élaboration des alliages Al-Al2O3
II-3.2.1. Description de l’élaboration par fusion HF
II-3.2.2. Etapes d’élaboration
II-4. Procédures métallographiques
II-4.1. Description des méthodes métallographiques
II-4.2. Découpe des échantillons
II-4.3. Polissage mécanique
II-4.4. Traitement chimique
II-4.5. Enrobage dans la résine
II-4.6. Photos des alliages suivant les opérations de préparation
II-5. Conclusion
Chapitre III Caractérisations microstructurales des alliages (HF) Al-Al2O3
III-1. Introduction
III.2. Généralités sur le principe de diffraction des rayons X
III-3. Investigations de la microstructure des alliages Al-Al2O3
III-3.1. Caractéristiques du procédé DRX
III-3.1.1. Description du procédé DRX
III-3.1.2. Principe De fonctionnement
III.3.2. Microstructure des alliages de fusion HF Al-(α-Al2O3) à l’état brut
III.3.2.1. Recherche des phases
III.3.3. Identification des microstructures des alliages Al-(α-Al2O3)
III.3.3.1. Indexation des spectres diffractogrammes DRX
III.3.3.2.Discussion des résultats de diffraction des rayons X
III.3.4. Observations optiques
III.3.4.1. Généralités sur les observations optiques
III.3.4.2. Résultats des observations optiques
III.3.4.3. Interprétation des résultats de microscope optique
III-3.5. Morphologie des alliages HF Al-Al2O3
III-3.5.1. Généralités
III-3.5.1.1. Microscopie Electronique à Balayage (MEB)
III-3.5.1.2. Spectroscopie à énergie dispersive de rayons X (EDAX)
III-3.5.2. Analyse par MEB/EDAX
III.3.6.Paramètres cristallins de l’aluminium
III-4. Conclusion
Conclusion générale
