MÉTALLURGIE, 3 ÈME ANNEE, OPTION MECANIQUE GENERALE

Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC.

Préliminaires

Objectifs Pédagogiques du Cours 🎯

Ce cours vise à faire passer l’élève d’une connaissance macroscopique des métaux à une compréhension de leur structure interne et des moyens de la modifier pour en optimiser les propriétés. L’objectif est de maîtriser les principes des traitements thermiques des aciers, de comprendre l’influence des éléments d’alliage et d’acquérir une connaissance fonctionnelle des principaux métaux et alliages non ferreux. Au terme de cette année, l’apprenant doit être capable de lire un diagramme d’équilibre, de justifier un cycle de traitement thermique et de choisir un matériau en connaissance de cause pour une application mécanique spécifique.

Approche Didactique et Méthodologique 🔥

L’enseignement s’articule autour du lien fondamental entre la « microstructure », les « traitements » et les « propriétés » d’un matériau. Le cours, bien que théorique, reste ancré dans la pratique par l’étude de cas concrets et l’observation de micrographies. Le diagramme Fer-Carbone est présenté comme un outil prédictif, une véritable carte routière pour le technicien des traitements thermiques. Chaque traitement est analysé en termes d’opérations (chauffage, refroidissement) et de résultats (dureté, résistance, usinabilité). La métallurgie des non-ferreux est abordée sous l’angle de leurs propriétés distinctives et de leurs applications industrielles.

Contexte Industriel et Applications 🔩

La pertinence du cours est constamment illustrée par des applications issues du contexte industriel congolais. La trempe et le revenu sont liés à la fabrication d’outils de coupe pour l’industrie du bois à Kisangani ou d’outils agricoles. Le choix des aciers spéciaux est rapporté aux exigences de l’industrie minière du Grand Katanga (résistance à l’usure pour les broyeurs, résistance à la corrosion). La métallurgie du cuivre est directement connectée à l’une des principales richesses du pays, tandis que l’étude des alliages d’aluminium répond aux besoins croissants des secteurs du transport et de la construction.

Partie I : Microstructure et Diagramme d’Équilibre des Aciers

Cette partie fondamentale plonge au cœur de la matière pour expliquer comment l’agencement des atomes de fer et de carbone dicte les propriétés des aciers. Elle introduit le diagramme Fer-Carbone, un outil essentiel pour comprendre et maîtriser les traitements thermiques.

Chapitre 1 : Les Transformations du Fer et de ses Alliages

Ce chapitre explore la nature cristalline du fer et la manière dont elle est modifiée par la température et l’ajout de carbone, donnant naissance à différents constituants microscopiques.

1.1. Les États Allotropiques du Fer Pur

L’allotropie du fer, c’est-à-dire sa capacité à changer de structure cristalline en fonction de la température (fer alpha, gamma, delta), est présentée comme le phénomène fondamental qui rend possibles les traitements thermiques de durcissement des aciers.

1.2. Mise en Évidence des Points de Transformation

Les méthodes expérimentales, notamment l’analyse dilatométrique (mesure des variations de longueur lors du chauffage), sont décrites pour montrer comment les points de transformation allotropique sont détectés en laboratoire, confirmant les bases théoriques.

1.3. Les Constituants Microscopiques des Aciers

Les principaux constituants observables au microscope dans les aciers à l’état recuit sont définis : la ferrite (fer quasi pur, tendre et ductile), la cémentite (carbure de fer, très dur et fragile) et la perlite (mélange lamellaire de ferrite et de cémentite).

1.4. L’Importance de la Vitesse de Refroidissement sur la Structure

L’influence capitale de la vitesse de refroidissement sur la nature de la microstructure finale est introduite. Il est expliqué qu’un refroidissement lent favorise la formation de structures d’équilibre (perlite), tandis qu’un refroidissement rapide conduit à des structures hors d’équilibre (martensite).

Chapitre 2 : Lecture et Interprétation du Diagramme Fer-Carbone

Ce chapitre est consacré à l’étude détaillée du diagramme d’équilibre Fer-Cémentite, en se concentrant sur la zone utile aux aciers (jusqu’à 2,11% de carbone).

2.1. Construction et Zones du Diagramme (Partie Acier)

La construction du diagramme est expliquée : les axes (température et pourcentage de carbone) et les lignes de transformation sont présentés. Les différentes zones du diagramme (austénite, ferrite, perlite, cémentite) sont identifiées et leur signification est explicitée.

2.2. L’Acier Eutectoïde : Transformation et Microstructure

Le point eutectoïde (à 0,77% de carbone) est étudié comme un cas particulier où l’austénite se transforme intégralement en perlite à une température constante. Cette composition sert de référence pour comprendre les autres aciers.

2.3. Les Aciers Hypo-eutectoïdes : Apparition de la Ferrite

Le refroidissement lent des aciers contenant moins de 0,77% de carbone est analysé. Le diagramme permet de prédire l’apparition de la ferrite pro-eutectoïde avant la transformation du reste de l’austénite en perlite, conduisant à une structure mixte ferrite-perlite.

2.4. Les Aciers Hyper-eutectoïdes : Apparition de la Cémentite

Le cas des aciers contenant plus de 0,77% de carbone est étudié. Le diagramme montre comment, lors d’un refroidissement lent, la cémentite pro-eutectoïde précipite aux joints de grains de l’austénite avant que celle-ci ne se transforme en perlite.

Partie II : Les Traitements Thermiques des Aciers

Cette partie est éminemment pratique. Elle décrit les principaux procédés qui, par des cycles de chauffage et de refroidissement contrôlés, permettent de modifier en profondeur la microstructure des aciers pour leur conférer les propriétés mécaniques désirées (dureté, ténacité, usinabilité).

Chapitre 3 : Principes et Technologies des Traitements Thermiques

Ce chapitre pose les bases communes à tous les traitements thermiques et décrit les équipements utilisés pour les mettre en œuvre.

3.1. Objectifs des Traitements Thermiques : Modifier les Propriétés

Une vue d’ensemble des objectifs est dressée : augmenter la dureté et la résistance à l’usure (trempe), ajuster le compromis dureté/ténacité (revenu), ou au contraire adoucir le métal pour faciliter son usinage (recuit).

3.2. Les Cycles Thermiques : Chauffage, Maintien et Refroidissement

Le concept de cycle thermique est défini comme la succession des trois étapes clés de tout traitement : la vitesse de montée en température, la durée et la température de maintien (austénitisation), et la loi de refroidissement qui est souvent le paramètre le plus critique.

3.3. Les Fours de Traitement Thermique

Les différentes technologies de fours industriels (fours à chambre, fours à pot, fours à passage) et leurs sources d’énergie (électriques, à gaz) sont présentées. L’importance du contrôle de l’atmosphère du four pour éviter l’oxydation est soulignée.

3.4. Le Contrôle et la Mesure des Températures (Pyrométrie)

La nécessité d’une mesure précise des températures est mise en avant. Les principes des thermocouples et des pyromètres optiques, instruments indispensables de l’atelier de traitement thermique, sont expliqués.

Chapitre 4 : La Trempe – Durcissement des Aciers

Ce chapitre détaille le plus spectaculaire des traitements thermiques, celui qui permet de conférer aux aciers une dureté élevée.

4.1. Principe de la Trempe : Formation de la Martensite

Le mécanisme de la trempe est expliqué : un refroidissement suffisamment rapide depuis la zone austénitique empêche la formation de la perlite et « piège » le carbone dans une structure hors d’équilibre très dure et fragile appelée martensite.

4.2. L’Austénitisation : Température et Temps de Maintien

L’importance de la première étape est soulignée. Le diagramme Fer-Carbone est utilisé pour déterminer la température de chauffage correcte (l’austénitisation) en fonction de la nuance de l’acier. Le rôle du temps de maintien pour assurer une homogénéisation complète est discuté.

4.3. Les Milieux de Trempe : Eau, Huile et Air

Les différents fluides de trempe sont présentés et classés selon leur sévérité (vitesse de refroidissement qu’ils permettent d’atteindre). Le choix du milieu (eau pour les aciers au carbone, huile ou air pour les aciers alliés) est discuté en lien avec les risques de tapures (fissures).

4.4. La Trempabilité : Influence de la Composition Chimique

La trempabilité est définie comme l’aptitude d’un acier à durcir en profondeur. Il est expliqué que l’ajout d’éléments d’alliage augmente la trempabilité, permettant de durcir des pièces de plus forte section ou d’utiliser des milieux de trempe moins sévères.

Chapitre 5 : Le Revenu – Réglage de la Dureté et de la Ténacité

Ce chapitre traite de l’opération de revenu, complément presque toujours indispensable de la trempe, qui vise à atténuer la fragilité de la structure martensitique.

5.1. Nécessité du Revenu après Trempe : Fragilité de la Martensite

La grande fragilité de l’acier à l’état « brut de trempe » est expliquée. Il est démontré que dans cet état, la pièce est inutilisable pour la plupart des applications mécaniques car elle casserait au moindre choc.

5.2. Principe et Objectifs du Revenu

Le revenu est défini comme un chauffage à basse température (< Ac1) après la trempe. Son objectif est de diminuer la dureté et la fragilité au profit d’un gain en ténacité (résistance au choc) et en ductilité.

5.3. Influence de la Température de Revenu sur les Propriétés

La relation entre la température de revenu et les propriétés finales est analysée. Il est montré que plus la température de revenu est élevée, plus la dureté diminue et plus la ténacité augmente, permettant ainsi d’ajuster finement le compromis de propriétés recherché.

5.4. Pratique du Revenu : Équipements et Contrôles

La mise en œuvre pratique du revenu est décrite, en utilisant des fours à circulation d’air pour une bonne homogénéité de la température. Le contrôle de la dureté (Rockwell, Vickers) est présenté comme le moyen de vérifier l’atteinte des objectifs du traitement.

Chapitre 6 : Le Recuit – Adoucissement et Régénération de la Structure

Ce chapitre explore les différents types de recuits, des traitements thermiques dont le but est généralement d’amener l’acier dans son état le plus doux et le plus stable.

6.1. Objectifs du Recuit : Améliorer l’Usinabilité et Supprimer les Tensions

Les principaux buts du recuit sont présentés : rendre l’acier plus facile à usiner, restaurer la ductilité d’une pièce après un travail à froid (écrouissage), homogénéiser la structure, ou éliminer les contraintes internes issues du soudage ou du moulage.

6.2. Le Recuit de Recristallisation (Régénération)

Ce traitement, appliqué à un métal écroui, est expliqué. Un chauffage au-dessus d’une certaine température permet la germination et la croissance de nouveaux grains non déformés, restaurant ainsi la ductilité du matériau.

6.3. Le Recuit d’Adoucissement (Globulisation)

Ce traitement à refroidissement très lent vise à transformer la cémentite lamellaire de la perlite en globules, ce qui place l’acier dans son état le plus doux et le plus apte à l’usinage, un enjeu important pour les ateliers de fabrication mécanique de Lubumbashi.

6.4. Le Recuit de Normalisation

La normalisation est présentée comme un traitement visant à affiner et à homogénéiser la structure de grain des aciers, notamment après un forgeage. Le refroidissement se fait à l’air calme, ce qui le différencie du recuit classique.

Partie III : Aciers Spéciaux et Traitements de Surface

Cette partie étend l’étude aux aciers dont les propriétés sont améliorées par l’ajout intentionnel d’éléments d’alliage. Elle aborde également les traitements qui modifient uniquement la surface des pièces pour leur conférer des propriétés spécifiques.

Chapitre 7 : Influence des Éléments d’Alliage

Ce chapitre analyse le rôle des principaux éléments chimiques ajoutés aux aciers pour en modifier la microstructure et les caractéristiques mécaniques ou physiques.

7.1. Rôle Fondamental des Éléments d’Addition dans les Aciers

Une vue d’ensemble des raisons pour lesquelles on allie les aciers est présentée : augmenter la résistance mécanique, améliorer la trempabilité, conférer une résistance à la corrosion ou à l’usure, ou maintenir des propriétés à haute température.

7.2. Éléments Gammagènes (Nickel, Manganèse)

Le rôle des éléments qui stabilisent la structure austénitique (gamma) est expliqué. Le nickel, par exemple, est un élément clé dans la formulation des aciers inoxydables austénitiques.

7.3. Éléments Alphagènes et Carburigènes (Chrome, Molybdène, Vanadium)

Le rôle des éléments qui stabilisent la structure ferritique (alpha) et/ou qui ont une forte affinité avec le carbone pour former des carbures très durs (chrome, tungstène, vanadium) est détaillé. Ces éléments sont la base des aciers à outils.

7.4. Effet sur la Température de Trempe et la Trempabilité

L’influence des éléments d’alliage sur le diagramme d’équilibre est montrée. Il est expliqué comment ces ajouts modifient les températures de transformation et, de manière générale, augmentent la trempabilité de l’acier.

Chapitre 8 : Les Grandes Familles d’Aciers Spéciaux

Ce chapitre présente de manière descriptive les principales catégories d’aciers alliés et leurs domaines d’application.

8.1. Les Aciers de Construction Alliés (au Cr-Mo, Ni-Cr)

Ces aciers, destinés à la fabrication de pièces mécaniques soumises à de fortes contraintes (arbres, bielles, engrenages), sont présentés. Leur haute résistance et leur bonne trempabilité sont mises en avant.

8.2. Les Aciers à Outils (Aciers rapides au Tungstène)

Les aciers utilisés pour la fabrication d’outils de coupe (forets, fraises) sont décrits. Leur caractéristique principale, la conservation d’une grande dureté à haute température (dureté à chaud), est expliquée par la présence de carbures très stables.

8.3. Les Aciers Inoxydables (au Chrome-Nickel)

Le principe de l’inoxydabilité par la formation d’une couche passive d’oxyde de chrome est expliqué. Les grandes familles (martensitiques, ferritiques, austénitiques) et leurs applications sont passées en revue.

8.4. Applications Industrielles et Désignation Normalisée

Des exemples d’utilisation de ces aciers dans l’industrie congolaise sont donnés (lames de scierie, pièces d’usure de concasseurs). Un aperçu de leur système de désignation normalisée est également fourni.

Chapitre 9 : Les Traitements Thermochimiques de Surface

Ce chapitre, enrichi par rapport au programme de base, aborde les traitements qui durcissent uniquement la couche superficielle des pièces, leur conférant une grande résistance à l’usure tout en conservant un cœur tenace.

9.1. Principe : Modifier la Composition Chimique de la Surface

Le principe de ces traitements est expliqué : on chauffe la pièce dans une atmosphère contrôlée pour diffuser des éléments (carbone, azote) dans sa surface, modifiant ainsi sa composition et ses propriétés locales.

9.2. La Cémentation : Enrichissement en Carbone

La cémentation, appliquée aux aciers à bas carbone, est décrite. L’enrichissement superficiel en carbone permet, après une trempe ultérieure, d’obtenir une surface très dure et un cœur qui reste ductile et tenace.

9.3. La Nitruration : Enrichissement en Azote

La nitruration est présentée comme un procédé qui permet d’obtenir des duretés de surface encore plus élevées, sans nécessiter de trempe après le traitement, ce qui limite les déformations.

9.4. Applications : Durcissement Superficiel des Pièces (Pignons, Arbres)

Les applications de ces traitements sont illustrées sur des pièces typiques comme les pignons de boîte de vitesses ou les arbres à cames, qui exigent à la fois une résistance à l’usure extrême en surface et une bonne résistance à la fatigue en profondeur.

Partie IV : Métallurgie des Métaux et Alliages Non Ferreux

Cette dernière partie ouvre le champ d’étude aux autres familles de matériaux métalliques, dont les propriétés spécifiques (légèreté, conductivité, résistance à la corrosion) les rendent indispensables dans de nombreuses applications.

Chapitre 10 : La Métallurgie du Cuivre et de ses Alliages

Ce chapitre est consacré au cuivre, une des ressources minières majeures de la RDC, et à ses principaux alliages.

10.1. Le Cuivre en RDC : Minerais et Procédés d’Extraction (Katanga)

Un aperçu des grands procédés d’extraction du cuivre à partir des minerais oxydés et sulfurés de la ceinture cuprifère du Katanga est donné, en se basant sur les principes de la métallurgie extractive.

10.2. Le Raffinage Électrolytique du Cuivre

Le principe du raffinage électrolytique, qui permet d’atteindre la très haute pureté requise pour les applications électriques, est expliqué. La récupération de métaux précieux (cobalt, etc.) est mentionnée.

10.3. Les Laitons (Alliages Cuivre-Zinc) : Propriétés et Utilisations

Les laitons sont présentés comme des alliages faciles à usiner et à mettre en forme, utilisés pour la robinetterie, la visserie et les douilles de cartouches.

10.4. Les Bronzes (Alliages Cuivre-Étain) : Propriétés et Utilisations

Les bronzes sont décrits pour leurs excellentes qualités de frottement et leur bonne résistance à la corrosion, ce qui en fait des matériaux de choix pour les coussinets, les bagues et les hélices de navires opérant sur le fleuve Congo.

Chapitre 11 : La Métallurgie de l’Aluminium et de ses Alliages

Ce chapitre étudie l’aluminium, le métal léger par excellence, dont les applications sont en constante expansion.

11.1. Principe d’Élaboration de l’Aluminium par Électrolyse

Le procédé Hall-Héroult d’extraction de l’aluminium à partir de l’alumine par électrolyse en sel fondu est décrit, en soulignant la très grande consommation d’énergie électrique qu’il requiert.

11.2. Propriétés de l’Aluminium : Légèreté et Conductivité

Les propriétés remarquables de l’aluminium sont mises en avant : sa faible masse volumique, son excellente conductivité électrique et thermique, et sa bonne résistance à la corrosion atmosphérique.

11.3. Les Alliages d’Aluminium de Fonderie (Alpax)

Les alliages destinés au moulage, comme les alliages aluminium-silicium (Alpax), sont présentés pour leur excellente coulabilité, permettant de réaliser des pièces complexes comme les carters de moteur.

11.4. Les Alliages d’Aluminium de Corroyage (Duralumin)

Les alliages destinés à être transformés par laminage ou forgeage, comme les « duralumins » (famille Al-Cu), sont décrits pour leur haute résistance mécanique après traitement thermique, les destinant à des applications structurales.

Chapitre 12 : Autres Métaux et Alliages d’Usage Courant

Ce dernier chapitre offre un aperçu de quelques autres métaux et alliages importants pour le technicien mécanicien.

12.1. La Métallurgie de l’Étain et ses Applications (Soudure)

L’étain, autre ressource minière notable du pays (Maniema, Kivu), est présenté. Ses principales applications dans les alliages de brasage tendre (soudure à l’étain) et dans le fer-blanc sont décrites.

12.2. La Métallurgie du Zinc (Galvanisation) et du Plomb

Le zinc est étudié principalement pour son rôle dans la protection de l’acier contre la corrosion par galvanisation. Les applications du plomb, basées sur sa densité et sa résistance chimique, sont également mentionnées.

12.3. Les Alliages Antifriction (Régules) pour Paliers Lisses

Les alliages à base d’étain ou de plomb (régules ou métaux blancs) sont décrits comme des matériaux spécifiques pour la fabrication des coussinets de paliers lisses, grâce à leur faible coefficient de frottement et leur capacité à enrober les impuretés.

12.4. Notions sur le Titane et les Superalliages

Une brève ouverture est faite sur les matériaux de haute technologie comme le titane (léger et résistant à la corrosion) et les superalliages à base de nickel, utilisés dans les parties chaudes des turbines pour leur résistance mécanique exceptionnelle à haute température.

Annexes

Les annexes fournissent des outils synthétiques pour la consultation rapide d’informations techniques et la consolidation des connaissances.

Diagramme Fer-Carbone Simplifié 📉

Un diagramme Fer-Carbone simplifié et commenté est fourni, mettant en évidence les zones et les points de transformation les plus importants pour le technicien.

Guide des Traitements Thermiques 🔥

Un tableau récapitulatif présente pour chaque traitement thermique (trempe, revenu, recuit) ses objectifs, ses paramètres clés (température, milieu de refroidissement) et les modifications de propriétés induites.

Tableau de Désignation des Matériaux 📋

Cette annexe propose un tableau de correspondance entre les désignations normalisées (ISO, AFNOR) et les applications courantes pour les principaux aciers et alliages non ferreux étudiés.