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DOSSIER III

SCIENCES DES MATERIAUX

III.1 : Sujet

Premire section : Caractrisation mcaniques

Deuxime section : Caractrisation structurale

III.2 : Documents techniques

Document III.T.1 : Diagramme Fer-Cmentite

Document III.T.2 : Diagramme TRC de lacier 35CrMo4.

III.3 : Documents rponses

Document rponse III.R.1 :

Document rponse III.R.2 :

Document rponse III.R.3 :

Document rponse III.R.4 :

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DOSSIER III

SCIENCES DES MATERIAUX

III.1 : Sujet

Les vilebrequins sont gnralement en acier au carbone, ou en acier au nickel-chrome ou au

chrome-molybdne-vanadium pour les fortes sollicitations.

Ils sont obtenus par forgeage suite des oprations successives de matriage chaud.

L'bavurage et le tournage des portes sont effectus sur machine. Ils sont suivis d'une

rectification.

On se propose dans cette partie dtudier les processus de choix et dobtention du

vilebrequin(3) (Figure III. 1).

Figure III. 1

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Premire section : Caractrisation mcaniques

Partie A

Au cours du fonctionnement de la presse, le vilebrequin suprieur de repre (3) est soumis

un chargement cyclique qui provient de lopration demboutissage. Aprs lopration de

traitement thermique, un dfaut assimilable une fissure, sest form sur la surface

cylindrique du vilebrequin (Figure III.2). La profondeur initiale de cette fissure est

a0 = 0.3 mm et de facteur gomtrique = 1.2.

Figure III.2

Au moment de lopration demboutissage une contrainte de 300 MPa, sest dveloppe la

racine de fissure.

Lacier dont est fait ce vilebrequin a les caractristiques mcaniques suivantes :

Re,02= 835 MPa Rm = 1250 MPa

KIC= 125 MPa.m1/2

Seuil de propagation en fatigue KS = 10 MPa.m1/2

Q1.Expliquer lorigine de ce dfaut (fissure) dans ce vilebrequin.

Q2. Donner la mthode exprimentale de dtermination du facteur dintensit de contrainte

KIC.

Q3. Reprsenter lallure de la courbe de variation de la vitesse de fissuration en fonction de la

variation du facteur dintensit de contrainte, en expliquant les diffrentes zones qui la

constitue.

On considre que la valeur du rapport de contrainte (R = min/max) caractrisant le chargement en fatigue du vilebrequin au cours des oprations demboutissage est nulle (R = 0).

Q4. Est-ce que la fissure est susceptible de se propager ds la mise en service de la presse

pour la ralisation du 1er

embouti ? Justifiez quantitativement votre rponse.

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Q5. Quelle sera la profondeur critique ac de la fissure (en mm) qui entranera la rupture

brutale (apparemment fragile) du vilebrequin ?

La loi de Paris caractrisant le comportement de cet acier en fatigue-propagation est la

suivante : da/dN(m/cycle) = 8x10-11K2.5

Q6. Au bout de combien de cycles il aura rupture brutale du vilebrequin ?

Partie B

La presse est particulirement utilise pour la ralisation des Emboutis profonds. Ltude

consiste choisir parmi les nuances de tle proposes celle qui convient le mieux pour cette

opration.

Les deux nuances des tles sont :

X8Cr17 ltat recuit.

X6CrNi18-09 ltat hypertremp

Le document III.B.1 reprsente les courbes de traction de ces deux aciers.

Q7.Donner la signification de chaque terme de la dsignation normalise de ces deux aciers.

Q8.Expliquer le caractre alphagne ou gammagne de chaque lment daddition entrant

dans la composition de ces aciers.

On a dcoup des prouvettes de traction dans le sens long, et on a obtenu les courbes de

traction dcrites la figure ci-jointe

Q9.La dtermination du module dYoung partir dun essai de traction donne des rsultats

imprcis, proposer dautres mthodes qui permettent de le calculer.

Q10.Quelle est lnergie lastique libre par unit de volume de matriau linstant de sa

rupture, dans la section rduite, sachant que le module dYoung de ces deux aciers est E =

210000 MPa?

Q11.Comparer le comportement mcanique en traction de ces deux matriaux.

Q12.Pour mieux comprendre leur comportement mcanique, on souhaite tracer les courbes

de traction rationnelle correspondantes. Effectuer ce trac pour le domaine des dformations

uniformes.

Q13.Pour chacun de ces matriaux quelle valeur maximale de limite dlasticit peut-on

obtenir par crouissage tout en conservant une capacit dallongement uniforme

conventionnel de 10% ?

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Q14.En considrant que les courbes rationnelles de traction peuvent tre dcrites partir dun

modle du types =K.n entre 8% et la striction. Dterminer pour chaque acier les

coefficients dcrouissage correspondants

Q15.Quelles sont les effets de la consolidation sur les caractristiques mcaniques. Illustrer

par des applications industrielles.

Q16. Donner lexpression du coefficient dcrouissage moyen.

Q17. Le coefficient danisotropie des deux tles a galement t mesur. Ils sont assez

voisins. Peut- on sattendre des proprits demboutissages semblables ou diffrentes.

(Commenter votre rponse.) ? Quelle est donc la tle la plus approprie pour des oprations

demboutissage ?

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Deuxime section : Caractrisation structurale

Le matriau du vilebrequin 16NiCr6, est acier de cmentation, il na pas donn une grande

satisfaction. Lentreprise a dcid de le changer par lacier 4135 (35CrMo4) utilis entre autre pour

des pices exigeant une bonne tnacit et qui se comporte mieux au forgeage et au traitement

thermique dans la masse.

Partie A

Dans cette partie lacier 4135 est chauff jusqu une temprature T = 850 C, maintenu cette

temprature pendant 30 mn puis refroidi au four. La structure mtallurgique ainsi obtenue est une

structure dquilibre pouvant tre tudie partir du diagramme dquilibre Fer-Carbone. Le

document III.B.1 reprsente le diagramme Fer-Cmentite.

Q18. A quelle famille appartient-il cet acier ?

Q19. Dterminer les proportions des phases existantes la temprature ambiante.

Q20.Effectuer une reprsentation schmatique de ce que serait la microstructure de cet acier la

temprature ambiante.

Q21. Calculer la fraction massique de la phase pro-eutectode ainsi forme.

Le fer passe dune structure cristalline cubique centre (fer ) une structure cubique faces centres

(fer ) lorsquil est chauff au-dessus de 910C. Sachant que pour ces deux structures, le motif de la

maille cristalline est compos dun seul atome de fer, et disposant des donnes suivantes :

Rayon atomique du fer 0.124 nm Nombre dAvogadro 6.022 x 1023 mol-1

Masse molaire du fer 55.85 g/mol

Q22. quelle(s) temprature(s) le fer pur subit-il une transformation allotropique au chauffage ?

Prcisez le changement de phase qui se produit au cours de la transformation allotropique.

Q23.Lors dun chauffage, le passage de la phase la phase ( ) saccompagne-t-il dune

augmentation ou dune diminution de la masse volumique du fer ? Justifiez quantitativement votre

rponse.

Partie B

Le traitement thermique seffectue directement aprs forgeage partir de ltat microstructural (temprature et taille de grain) tel quil est aprs lopration dbavurage. Pour cet acier (35CrMo4), on cherche obtenir une microstructure bainitique. Lobtention de cette microstructure impose la gestion dune vitesse de refroidissement contrle en vue de respecter les caractristiques suivantes :

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800 MPa Rm 1200 MPa

640 MPa Re 960 MPa ;

A 12 %

On donne le diagramme TRC de lacier 35CrMo4 (document III.B.2) dtermines aprs mise en

solution 850.

Q24. Prciser sur les chelles des variables, la signification des dsignations suivantes (Ac1, AC3,

Ms, A, F, C, M) et chaque ligne du diagramme.

Q25. Dterminer la vitesse critique de trempe et celle du recuit.

Q26. Indiquer les transformations subies par cet acier pour les lois de refroidissements repres 1,2, 3

et 4 sur le digramme TRC, et dcrire les structures micrographiques correspondantes obtenues aprs

refroidissement.

Q27. Quelle loi de refroidissement est-il intressant de raliser pour la fabrication de pices soumises

des contraintes priodiques ? La taille des pices est-elle un facteur important prendre en compte

et pourquoi ?

Q28.Quel traitement thermique prconisez-vous aprs quait t ralis le traitement retenu la

question prcdente, en vue de respecter les exigences du cahier de charge ?

Q29.Cet acier est-il justiciable dun traitement de cmentation par le carbone ?dune carbonitruration

(enrichissement en carbone et azote) ?

III.2 : Documents techniques

Document III.B.1 : Diagramme Fer-Cmentite

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Document III.B.2 : diagramme TRC de lacier 35CrMo4.

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