Physique des matériaux. Concours technicien Reims 2015

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Structures cristallographiques. 
1. Quelles sont les trois principales structures cristallines présentes dans les matériaux métalliques ? Cubique à faces centrées, cubique centré, hexagonale compact,
2. Dessiner la maille cubique centrée.


3. Calculer la compacité de cette maille.
La
compacité C, comprise entre 0 et 1, mesure le taux d'occupation de l'espace par les atomes ou les ions assimilés à des sphères. C= volume occupé / volume de la maille.
volume occupé : 2*(4/3pR3) ; volume de la maille : a3 ; et R/a = racine carrée (3) /4= 0,433
C= 8/3
p (R/a)3=8/3*3,14*0,4333 = 0,68 , structure peu compacte.
4. Donner la définition d'un alliage.
C'est la combinaison d'un élément métallique avec un ou plusieurs autres éléments chimiques.
5. Donner 5 alliages différents en précisant les éléments présents par alliage.
Acier : fer, carbone ; acier inoxydable : fer, carbone, nickel, chrome ; bronze : cuivre et étain ; laiton : cuivre et zinc ; duralumin : aluminium,  cuivre, magnésium, manganèse.
6. Quelles sont les différentes phases présentes à l'état solide ?
Zone solide a, solution solide de B dans A ( A majoritaire).
Zone solide ß solution solide de A dans B (  B majoritaire).
Zone solide a +ß où les deux solutions solides sont présentes.
Diagramme de phase.
7. Diagramme de phases de l'alliage aluminium silicium. Compléter les différents domaines et indiquer la courbe solidus et liquidus.

Quelle est la transformation présente dans cet alliage et donner son équation à l'équilibre en précisant la température et les compositions chimiques.
Le liquide se transforme en eutectique solide ( 12,6 % en silicium ) ; T = 577°C.
A 580°C et à 6 % de Si, dans quel domaine se situe l'alliage et déterminer les compositions chimiques des phases présentes ainsi que leur fractions massiques.
Domaine a + L.

mliquide / msolide =
BE / AB =6,6 / 4 ~1,6.
A 6 % de silicium, l'alliage est  hypo-eutectique.




8. Diagramme de phases de l'alliage fer carbone à l'état métastable.

Quelles sont les variétés allotropiques du fer en fonction des plages de températures en précisant les structures cristallines ?
Fer a, au dessous de 912°C, réseau cristallin cubique centré
Entre 912 et 1394 °C se trouve la forme stable g avec un réseau cubique à faces centrées.
Au dessus de 1394°C et jusqu'au point de fusion, Fe d, réseau cubique centré.
Donner la définition de la ferrite a, de la perlite et de la cémentite.
Ferrite a : solution solide d'insertion de carbone daans le fer a, à structure cubique centrée.
Perlite : agrégat eutectoïde à structure en lamelles alternées de ferrite et de cémentite.
Cémentite : 6,67 % en masse de carbone, état métastable. Elle se présente sous forme de lamelles ou de globules dans la perlite. Très dure et très fragile.
A 20°C et à 0,45 % de carbone en masse il s'agit d'un acier hypoeutectoïde contenant moins de 0,8 % de carbone.
Quelle est la structure métallurgique à 20°C pour un alliage fer / carbone à 0,45 % de carbone en masse après un refroidissement lent dans le four à partir du domaine austénitique ?
La structure finale des aciers hypoeutectoïdiques à 20°C est Ferrite proeutectoïde + perlite.
A 20°C et à 0,77 % de carbone en masse, il s'agit  d'un acier eutectoïde à structure de perlite.











Traitement thermique.

9. Proposer un traitement hermique  du 35NiCrMo16 pour obtenir une résistance maximale.
On chauffe la pièce à une température supérieure à la ligne de transformation fer a --> fer g ( austénisation).
La température doit être uniforme dans toute la pièce : on doit obtenir l'homogénéisation complète de l'austénite.
La durée du maintien à cette température est compris entre 15 et 30 min.
Puis on lui fait subir un refroidissement rapide pour obtenir une dureté maximale.
10. Par quel essai détermine-t-on la propriété de trempabilité d'un acier ?
Essai Jominy.
11. A partir de la courbe de dilatométrie, définir et déterminer les points de transformation.
Les points d'inflexion des courbes dilatométriques déterminent le début et la fin des transformations de phases.

A (~770°C), début de la transformation ferrite a en austénite ( fer g).
B( ~850°C), fin de la transformation précédente.
C( ~790°C) , début de la transformation de l'austénite en martensite.
D( ~670°C), fin de la transformation précédente.
12. Courbe rationnelle de traction d'une éprouvette de cuivre par écroui.




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