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Les alliages Cu-Al (côté riche en cuivre)
Le cuivre est un métal de couleur rouge brun pouvant être obtenu presque pur (99,99%). Il est très malléable, ductile et facile à mettre en forme par déformation plastique, sa densité est 8,9. A l’état recuit, les propriétés mécaniques sont médiocres, mais on peut les améliorer par écrouissage. Sa résistance à la corrosion est excellente dans bon nombre de milieux ; cette propriété permet de nombreuses applications, que ce soit avec le cuivre pur ou avec ses alliages. La structure électronique de l’atome de cuivre, avec un seul électron de valence, fait de ce métal un très bon conducteur électrique et thermique, ce qui détermine une bonne moitié de ses applications industrielles : fils, câbles, ressorts conducteurs, connecteurs, etc., pour les industries électromécanique et électronique, échangeurs thermiques, radiateurs d’automobiles, moules de coulée, etc. Les alliages à base de cuivre sont très applicables dans divers domaines quelque soit le type d’alliage ; binaire, ternaire, quaternaire, …etc. grâce à leurs propriétés telles que :
• Excellentes conductivité thermique et électrique
• Malléable et très ductile
• Bonne résistance à la corrosion
Le cuivre et ses alliages sont plus nobles que la plupart des autres métaux vis-à-vis de l’eau. Donc, beaucoup d’alliages de cuivre sont encore plus résistants à la corrosion que le cuivre lui-même, cela étant dû soit à l’addition d’éléments eux-mêmes résistants à la corrosion comme le nickel et l’étain, soit à l’addition d’éléments comme l’aluminium qui participent à la formation du film protecteur [4, 5].
D’après les propriétés de chaque élément pur, leurs alliages produits ont des propriétés meilleures que l’état pur (tableaux I.2, I.3 et I.4).
Transformation de phase
Définition des transformations de phases
Une phase est constitutive d’un système. Elle se distingue physiquement par son état : gaz, liquide ou solide. Elle est homogène à l’échelle macroscopique pour une composition constante. Enfin, une phase peut être séparée du reste du système, ce qui revient à dire que les grandeurs extensives varient de manière continue à l’intérieur de la phase, tandis que des discontinuités seront présentes aux limites de phase. Une phase est une substance homogène ayant les mêmes propriétés partout. En sciences des matériaux, nous considérons une définition plus vaste : une phase est un milieu dont les propriétés varient de manière continue et lente. Les propriétés du milieu peuvent varier d’un bout à l’autre, tant que localement on a une impression d’homogénéité. Dans ces conditions, si les critères de stabilité de l’équilibre thermique sont satisfaits, la phase reste stable et homogène, et possède des propriétés propres à cet état.
On appelle transformation de phase (ou transition de phase) la formation (disparition), au sein d’un système, d’au moins une phase et la disparition (formation) d’au moins une autre phase. Donc, c’est un changement de phase possible d’un état initial vers un état final qui est commandé par différents facteurs.
Ces transformations peuvent être provoquées soit par les variations des paramètres intensifs (T, P) que l’on impose au système, soit à partir des grandeurs extensives (S, V), par échange avec le milieu extérieur.
Aspect thermodynamique
Le fait que l’état final d’une transformation soit un état d’équilibre, permet l’utilisation des approches thermodynamiques pour décrire la configuration de ces états. Quand un système passe de l’état initial à l’état final, il traverse une suite continue de configurations intermédiaires. Dans l’approche du quasi-équilibre, l’un de ces états intermédiaires est supposé être l’état de transition, c’est un état proche de l’équilibre et il lui correspond donc des valeurs uniques des fonctions thermodynamiques. Le problème cinétique, qui est tout à fait en dehors du champ de la thermodynamique classique, se réduit à une analyse de l’équilibre entre les atomes dans leur configuration initiale et dans l’état de transition [7].
Une transition de phase se produit lorsqu’une phase devient instable dans des conditions thermodynamiques données, décrites à l’aide de variables intensives. Il faut donc décrire les conditions thermodynamiques qui président à une transition de phase si l’on veut la prévoir [8].
Le changement de phase peut être considéré comme le passage d’un arrangement d’atomes d’enthalpie libre G1 (état initial) à un autre arrangement d’enthalpie libre Gf (peut être un état stable où métastable) inférieur à G1 est « la transformation ».
La différence d’enthalpie GF-GI doit être négative pour qu’une transformation ait lieu, cette différence constitue l’énergie motriceG ; et dépend de l’écart de température par rapport à la température d’équilibre TE entre phase mère et produit. G=GF–GI<0
Pour qu’un atome puisse participer à la transformation il faut qu’il acquiert un complément d’énergie libre GA appelée énergie libre d’activation ou barrièreG* qui peut être fournie par activation thermique. GA=G*–G
Aspect cinétique
Les transformations de phases étant gouvernées par des mécanismes de germination et croissance, leur étude et leur modélisation nécessite de prendre en compte ces mécanismes et les paramètres dont ils dépendent composition chimique du matériau, histoire thermique subie par le matériau, contraintes et déformations imposées au matériau. En phase solide, après la croissance, des précipités peuvent continuer d’évoluer par coalescence. Il existe un mode de précipitation particulier : la décomposition solide.
Germination
La germination dans les solides est un processus relativement difficile et très lent par lequel une nouvelle phase commence à se former au sein d’une phase mère. La répartition des sites de formation de germes conduit à distinguer la germination hétérogène ou « localisée » qui s’effectue sur des sites particulières (défauts ; interfaces ; …), et la germination homogène ou « générale » qui s’effectue de façon parfaitement aléatoire dans la phase mère au gré des fluctuations. En pratique ceci ne se produit qu’exceptionnellement puisque la germination démarre presque toujours sur des hétérogénéités de la phase mère qui abaissent l’enthalpie libre de formation des germes en réduisant, soit l’énergie superficielle , soit l’énergie de déformation , soit encore le deux. Ces hétérogénéités peuvent être des impuretés, des inclusions, des dislocations, des surfaces ou des joints de grains.
Dans un métal isotrope, lors qu’un précipité germe sur un joint de grain il prend une forme lenticulaire sous l’effet des tensions interfaciales et intergranulaires.
Croissance
En effet, la transformation commence avec l’apparition d’un certain nombre de très petites particules de la nouvelle phase que vont croître jusqu’à ce que la transformation soit complète.
Coalescence
Croissance de la dimension moyenne des précipités ou des phases et diminution simultanée de leur nombre lors d’un maintien prolongé à une température suffisante.
Décomposition spinodale
La décomposition spinodale dans les solides implique que la nouvelle phase se forme par un processus continu ; elle doit posséder la même structure cristallographique que la phase mère .Elle n’en diffère que par sa composition. Les deux phases sont cohérentes et il est nécessaire de tenir compte, dans l’expression de l’énergie libre G, de l’énergie élastique. En utilisant cette nouvelle fonction d’énergie libre on obtient une courbe spinodale, dite « cohérente » qui se place à l’intérieur de la spinodale chimique pour laquelle les tensions ont été négligées.
Transformation de phase
La transformation de phase peut se produire sous forme homogène ou hétérogène
. Transformation homogène : se produit par des processus continus mettant en jeu simultanément et tout au cours de la transformation, l’ensemble des atomes. A titre exemple ; la décomposition spinodale (caractérisée par une très faible énergie d’interface entre les deux phases).
. Transformation hétérogène : se produit par des processus discontinus et localisés et concerne un nombre limités d’atomes. Dans les transformations hétérogènes, il existe à la fois des domaines transformés et des domaines non transformés. A titre exemple, toutes les transformations par germination et croissance.
Les changements de phases dans les métaux sont toujours des transformations hétérogènes, en raison notamment du rôle important des interfaces, distorsions et défauts.
La précipitation en phase solide a lieu au sein d’un alliage et se fait également lors d’un refroidissement lent (une trempe peut empêcher la précipitation). Par exemple dans les alliages Al-Cu, la sursaturation en élément d’alliage provoque une mise en ordre des atomes qui viennent former les zones de « Guinier-Preston ».
Précipitation
A partir d’une solution solide sursaturée portée à une température donnée, on peut observer l’apparition d’une nouvelle phase stable, lorsque la température est assez voisine de la température de mise en solution (précipitation continue), ou la précipitation de phases intermédiaires métastables si la réaction se produit à basse température (précipitation discontinue). Ces phénomènes de précipitation s’accompagnent de variations des propriétés physiques et mécaniques. On peut distinguer deux types de précipitation :
Précipitation continue
Pendant la précipitation continue la réaction peut être générale (théoriquement homogène) s’il existe une répartition uniforme des précipités dans le volume de la phase mère. D’une part la précipitation continue, conduit au moins dans un premier temps à l’obtention d’un certain nombre de précipités isolés qui grossissent par le drainage des atomes de soluté, et d’autre part, ces précipités n’ont pas tous, dans des conditions thermiques données, la même probabilité d’apparition.
Précipitation discontinue
La Précipitation discontinue se produit pendant la transformation, le cristal est divisé en deux catégories de région, les unes où la transformation est complète, les autres où la solution solide sursaturée reste inchangée.
La précipitation discontinue à été observée pour la première fois dans le système Ag-Cu [9], et on lui a donné le nom de « précipitation biphasée » à cause d’un dédoublement des anneaux de diffractions, ce dédoublement est dû à deux valeurs distinctes du paramètre cristallin, l’une caractérisant la matrice non transformée (avec la concentration initiale de la solution solide sursaturée), l’autre, la matrice appauvrie (correspondant à l’équilibre thermodynamique). Ainsi, la précipitation discontinue est dite « localisée », si la répartition de produits n’est pas uniforme avec une préférence marquée pour certains sites, tels que les joints de grains ou les dislocations.
Solidification des alliages
En général les composés chimiques qui cristallisent à partir des solutions se déposent sous forme de cristaux limités par des faces planes plus ou moins parfaits; ce mode de cristallisation est en relation directe avec leur structure cristalline, il est bien connu que certains cristaux cubiques forment de très beaux polyèdres octaédriques.
Dans des conditions de cristallisations normales les métaux et leurs alliages présentent exceptionnellement ce mode de cristallisation. Dans ce mode, la croissance d’un germe qui a pris naissance dans un liquide mère, se développe exclusivement selon certaines directions qui correspondent à des directions privilégiées du réseau cristallin. Dans des conditions normales, les métaux et leurs alliages cristallisent sous forme dendritique par contre certains composés définis intermétalliques se déposent sous forme de cristaux limité par des interfaces planes.
L’interface:
L’interface est la frontière géométrique délimitant l’extension d’une quantité de matériau. Elle sépare deux matériaux denses ; solide/solide, solide/liquide ou liquide/liquide. Elle est caractérisée par un changement brusque des propriétés physiques et chimiques en fonction des coordonnées spatiales. L’interface entre deux phases cristallines peut être :
. Incohérente
. Semi – cohérente
. Cohérente
Diagramme d’équilibre du système binaire Cu-Al
D’après le diagramme de phase à l’équilibre du système binaire Cu-Al [6] figure I. 6), huit phases différentes peuvent exister à une température inférieure à 300°C [20].
La limite de solubilité de l’aluminium dans le cuivre est relativement grande, le domaine d’existence du cuivre, noté(Cu), est large et couvre des teneurs en éléments aluminium (Al) comprises entre 0 et 20% en masse avec une précision voisine de 0,1% en masse.
Dans le domaine de 20 à 30% en masse d’aluminium, les réactions d’équilibre entre phases solides sont complexes et encore mal connues, où on note de nombreuses phases métastables. Cette région a fait l’objet de très nombreuses interprétations contradictoires. On a suggéré par exemple une transition continue entre2 et. La phase subit à 850°C une transformation de nature inconnue. Au delà de 30% en masse d’aluminium, le diagramme est bien établi et le liquidus précis à 2°C.
La partie riche en aluminium est caractérisée par un point eutectique Al-CuAl2 dont les coordonnées sont: 548°C, 33,2% en masse de cuivre. Au point eutectique, le liquide est en équilibre avec une solution solide contenant 5,7% en masse de cuivre et le composé CuAl2 (phase qui ne contient pas la composition correspondant à ce composé).
(CuAl2) possède un domaine de composition compris entre 52,5 et 53,7% en masse de cuivre à la température de l’eutectique. La phase se forme par solidification plutôt que par réaction péritectique (étant donné l’échelle, cela n’apparaît pas sur le diagramme où l’on pourrait croire que le sommet du domaine est confondu avec l’extrémité du palier situé à 591°C). Le domaine de la phase appelée aussi Al2Cu ne contient pas la composition correspondant à ce composé. Les réactions de précipitation sont les suivantes: Solution sursaturée en cuivre → plaquettes cohérentes « Guinier-Preston », zone parallèle à {011}Al → plaquettes cohérentes » parallèle à {001}Al, → plaquettes semi-cohérentes’ parallèle à {001}Al, → précipité non cohérent.
La solubilité à l’état solide de cuivre dans l’aluminium est connue à 0,1% (en masse) près, entre 400°C et 548°C.
Il y aurait des phases ordonnées (à courte distance) dans les solutions solides d’aluminium dans le cuivre jusqu’à 25 at. d’aluminium.
(Cu) : C.F.C. solution solide
(Cu3Al) : C.C. phase haute température fuse au maximum de la ligne solidus à environ 1045°C, aussi appelée phase de Hume-Rothery, avec une concentration électronique de 1,5. Une trempe à partir de cette phase permet d’obtenir la phase β métastable à basse température. Un refroidissement ultérieur donne lieu à une transformation de phase martensitique (voir figure I. 7)
: C.F.C. s’étend de 76,5 à 78%at. Cu est stable dès 363°C.
: Phase de haute température, de faible extension, se forme par réaction péritectique à environ 1035°C, a une structure voisine de2.
1 : phase haute température se forme par réaction péritectique à environ 1025°C, a une structure voisine de2.
2 (Cu9Al4): s’étendent de 62,5 et 69%at.Cu (stable dès 873°C), se forme par transformation péritectique (type laiton).
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 : Description de la centrale thermique
1. Présentation de la centrale thermique d’Annaba
2. Processus de production d’énergie électrique
Phase 1 : génération de vapeur
Phase 2 : La turbine
Phase 3 : L’alternateur
Phase 4 : Le poste d’eau
3. Cycle thermique de la centrale
Principe de fonctionnement
Description des principaux équipement de la centrale
4. La turbine
Définition de la turbine
Rôle de la turbine
Caractéristique
Principe de fonctionnement
Description
5. L’alternateur
6. Surveillance du groupe turboalternateur
Chapitre 2 : Etude de la fiabilité du turboalternateur
Introduction
1. Définition de la fiabilité
2. Indicateur de fiabilité λ et MTBF
3. La loi de Weibull
4. Calcul de la fiabilité du turboalternateur à partir du modèle Weibull
Conclusion
Chapitre 3 : Analyse vibratoire
Introduction
1. Définition
2. Natures des vibrations
3. Les paramètres caractéristiques
4. Mesure des vibrations
Capteur de vibration
4.2 Collecteur de donnée portable
4.3 Logiciel de traitement
4.4 Point de mesure
5. Mis en œuvre
5.1 Définition des alarmes
5.2 Outil de surveillance
5.3 Outils de diagnostic
6. Reconnaissance des principales anomalies
Conclusion
Chapitre 4 : Analyse des huiles
Introduction
1. Lubrifiants et additifs
1.1 Les lubrifiants
1.2 Les additifs
2. Caractéristiques des huiles
2.1 La viscosité
2.1.1 Viscosité dynamique
2.1.2 Viscosité cinématique
2.1.3 Variation de la viscosité avec la température
2.1.4 Indice de viscosité
2.1.5 Variation de la viscosité avec la pression
3. La dégradation et la contamination
3.1 Dégradation des lubrifiants
3.2 Contamination des lubrifiants
4. Méthodes d’analyses et maintenance préventive
4.1. Analyse de lubrifiant
4.2. Analyse des particules d’usure
4.3. La ferrographie
4. Coût, échantillonnage, et interprétation des résultats
Conclusion
Chapitre 5 : Expérimentation
Introduction
1. Applications de l’analyse vibratoire
1.1 Instrumentation
1.2 Présentation de l’appareil
1.3 Point de mesure
2. Analyse et traitement
Courbe de tendance en analyse vibratoire
Application des courbes de tendances du niveau vibratoire sur le turboalternateur
3. Analyse d’huiles utilisées
Surveillance du circuit de lubrification
Instrument utilisé
Application des analyses d’huile
Analyse de la température d’huile utilisée
Outil statistiques
Conclusion
Conclusion générale
Annexe 1 : Fiche des mesures de vibration
Annexe 2 : Fiche technique des huile TORBA
Annexe 3 : Tableau – distribution de Weibull
Annexe 4 : Tableau des Valeurs critiques pour le test de Kolmogorov smirno
Bibliographie
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