BTS 2014 Partie commune Exercice 1 : L`élément
Contents
1. de rayon w 1 2 3 2 Quelle affirmation du document 2 est elle illustr e par la valeur de Jaser A titre de comparaison le flux lumineux solaire re u au sommet de l atmosph re vaut 1340 W m 1 3 La trempe LASER 1 3 1 Phase de chauffage Le faisceau LASER incident est maintenant suppos de section carr e de c t L 500 um Sa densit de puissance J est constante sur toute la section du faisceau Un robot d place le faisceau la vitesse v et un point de la surface trait e est donc chauff pendant la dur e qt durant laquelle il se trouve sous le faisceau fiqure 4 On note 8 z t la temp rature en degr s Celsius C la profondeur z l instant t On prend z 0 la surface de la pi ce D but du chauffage Fin du chauffage i Figure 4 du point M t 0 du point M t 1 i FENTE On suppose que le transfert d nergie se fait uniquement selon l axe Oz 1 3 1 1 Le faisceau de longueur L 500 um balaie la pi ce avec la vitessev 12 5 mm s Calculer la dur e t pendant laquelle un point M est chauff 1 3 1 2 On prend Je 4 0 10 W cm Le rayonnement est r fl chi 82 Calculer J la densit de puissance absorb e par l acier 1 3 1 3 L nergie lumineuse absorb e sous forme de rayonnement en z 0 va se propager l int rieur du m tal Quel est le mode de transfert thermique mis en jeu 1 4 On consid re maintenant que J 7 2 10 W m Ce mode de transfert thermique peut2. rature devient ind pendante de l missivit et insensible la taille de la zone mesur e Bandes spectrales ISR 12 LO 0 8 um 1 05 pm IGAR 12 LO A1 1 52 um z 1 64 um Extrait du manuel d utilisation des pyrom tres IMPAC 1 1 La martensite Quelle particularit de la martensite est recherch e dans cette application 1 2 Le LASER 1 2 1 Quelles sont parmi les caract ristiques du LASER celles qui sont recherch es pour l application tudi e 1 2 2 On utilise un LASER au dioxyde de carbone mettant la longueur d onde 10 6 um 1 2 2 1 Rappeler les limites du domaine des longueurs d onde du spectre de la lumi re visible 1 2 2 2 A quel domaine spectral appartient la radiation mise par le LASER CO 1 2 2 3 Le faisceau lumineux du LASER est caract ris par un c ne de demi angle au sommet B et par un waist wo Le terme anglais waist d signe ici le col d tranglement de section circulaire de rayon wo Sens de propagation de a lumi re 2 Wo 180 2 Ty degr s et w sont en unit s SI 0 On a la relation f Dans notre cas w 0 50 mm Calculer B avec deux chiffres significatifs 1 2 2 4 Quelle caract ristique cit e dans le document 2 confirme t elle ce calcul de B 1 2 3 Le LASER met un rayonnement de puissance P 310 W 1 2 3 1 La densit de puissance Jaser est donn e par la relation Ji Z Calculer sa valeur au niveau du waist
3. Bielle s cable www ver i com Pour r ussir un tel exploit on r alise dans un premier temps ce qu on appelle industriellement une trempe LASER l endroit pr cis qu on souhaite casser Ce traitement thermique consiste en un chauffage superficiel de la pi ce par un faisceau LASER une temp rature sup rieure la pan temp rature d aust nitisation Ta sans Auto trempe atteindre la fusion Juste apr s le passage du LASER Couche Secteural le refroidissement tr s rapide de la zone temp rature de durcie trempe irradi e par conduction thermique dans la masse de la pi ce permet la Pi ce transformation martensitique de l acier Document 2 Les LASER Contrairement la lumi re du Soleil la lumi re LASER est monochromatique et tr s directionnelle on peut la guider sur de longues distances et obtenir des puissances ph nom nales D apr s www espace sciences org Document 3 Les pyrom tres Les pyrom tres ISR 12 LO et IGAR 12 LO sont des pyrom tres bichromatiques digitaux de haute pr cision avec fibre optique pour la mesure de temp rature sans contact entre 300 et 3300 C Les pyrom tres mesurent d apr s le principe bicolore principe de rapport selon lequel deux longueurs d ondes voisines sont utilis es pour la d termination de la temp rature Cette technique pr sente des avantages par rapport aux pyrom tres monochromatiques dans de nombreux domaines la mesure de temp
4. de l aluminium Exprimer le r sultat en kg m en conservant 3 chiffres significatifs On donne une densit de l aluminium de 2 7 Les deux valeurs sont elles coh rentes 1 3 Propri t s chimiques de l aluminium Donn es 25 C Produit de solubilit de AI OH K 10 Produit ionique de l eau Ke 10 L addition d hydroxyde de sodium soude dans une solution contenant des ions Al aq conduit la formation d un gel hydroxyde correspondant l esp ce pr cipit e AI OH s 1 3 a 1 3 b 1 3 c 1 3 d 1 3 e Ecrire l quation chimique de cette r action de pr cipitation Donner l expression du produit de solubilit Ks de AI OH 3 On consid re une solution de concentration AI C 1 0 10 mol L D terminer la concentration en ions hydroxyde OH au d but de la pr cipitation de l hydroxyde d aluminium AI OH s En d duire le pH de d but de pr cipitation L esp ce AI OH peut r agir avec les ions hydroxyde afin de former le complexe Al OH soluble Que pouvez vous en d duire des propri t s acido basiques de l esp ce AI OH Le gel d hydroxyde AI OH se d shydrate en vieillissant pour conduire de l alumine not e Al 0 Donner l quation chimique de cette transformation naturelle Exercice 2 Utilisation de l aluminium en m tallurgie L aluminium pur a peu d utilisations Par contre il sert de base de nombreux alliages Le diagramme isobare
5. l objectif et celui de l oculaire Pr ciser la signification des indications port es par l objectif et par l oculaire Quelle grandeur caract ristique du microscope peut on d terminer partir de ces deux valeurs La calculer 3 4 Le pouvoir s parateur du microscope not c est donn par la 0 6 n sinu longueur d onde du rayonnement utilis relation n indice de r fraction du milieu n 1 0 pour l air u angle d ouverture de l instrument 3 3 a Que repr sente le pouvoir s parateur d un microscope 3 4 b Calculer le pouvoir s parateur dans l air sachant que 0 55 um et u 13 3 4 c Pour observer davantage de d tails est il pr f rable de choisir un rayonnement de plus grande ou de plus faible longueur d onde Justifier Diagramme binaire Aluminium Silicium t C 1410 578 O 0 12 0 20 1 XSi exercice 2 Question 2 4 0 C BTS 2014 Partie sp cifique Document 1 Auparavant les bielles taient fabriqu es en deux morceaux qui taient ensuite assembl s et viss s le contact n tait pas parfait et les vis fatiguaient rapidement en flexion pour finalement casser i Lieu de la Une solution ing nieuse a t imagin e La bielle est fabriqu e en un seul bloc puis elle est cass e nettement en deux morceaux selon une rupture fragile Les deux morceaux seront parfaitement ajust s lors du vissage autour du vilebrequin Figure 1
6. BTS 2014 Partie commune Exercice 1 L l ment aluminium Les trois parties de cet exercice sont ind pendantes 1 1 Etude de l l ment Aluminium Donn es Num ro atomique 13 Nombre de masse 27 1 1 a 1 1 b 1 1 c 1 1 d Donner la repr sentation de l l ment aluminium sous la forme 4X Donner la composition du noyau d un atome d aluminium en justifiant votre r ponse en fonction des donn es La configuration lectronique fondamentale d un atome d aluminium est 1s 2s 2p 3s 3p Donner la position ligne et colonne de l l ment aluminium dans la classification p riodique des l ments Quelle est la configuration lectronique de l ion Al Que pensez vous de la stabilit de cet ion Justifier 1 2 Structure cristalline de l aluminium Donn es Masse molaire atomique M AI 27 0 g mol Nombre d Avogadro N 6 02 x 10 mol 1 2 a 1 2 b 1 2 c 1 2 d 1 2 e 1 2 f L aluminium cristallise dans un r seau cubique faces centr es Repr senter le sch ma de la maille l mentaire de ce r seau Quelle est la coordinence d un atome dans cette structure cristalline D terminer la valeur de N nombre d atomes par maille D montrer que la masse volumique p d un m tal est donn e par la MN Na relation p V rifier que l unit p est bien celle d une masse volumique Sachant que l ar te de la maille est a 0 404 nm calculer la masse volumique
7. K c co CO S en J mol K 5 7 197 6 213 6 2 4 1 Calculer la valeur de A S 2 4 2 On donne A H 170 5 kJ mol En d duire la valeur de A G pour la temp rature de traitement T 1148 K 2 4 3 Montrer que K 0 037 la temp rature de traitement On prendra R 8 314 J K mol 2 4 4 Exprimer K en fonction de P 62 Peo ac 2 2 4 5 En d duire 2 amp 2 Pco2 Les pressions sont donn es en bar et on rappelle que a 0 3 2 4 6 Cette valeur est elle en accord avec celle d termin e graphiquement sur l annexe la 2 PCo Pco2 temp rature de 875 C repr sentant en fonction de la temp rature et du potentiel carbone 109 Le 10 nan nn y 2 a 1 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 Temp rature C
8. d quilibre liquide solide des m langes Aluminium Silicium AI Si o xs repr sente la fraction atomique en silicium est reproduit en annexe 2 On n glige dans cette tude la miscibilit des deux solides 2 1 2 2 2 3 2 4 Comment nomme t on la courbe a Pr ciser la nature des phases en pr sence dans les domaines I Il IH et IV Comment appelle t on un m lange Al Si 12 en atome de Si Quelle est la propri t d un tel m lange Tracer sur l annexe 2 l allure de la courbe de refroidissement d un m lange de fraction atomique gale 20 en Si pour une temp rature allant de 800 200 C Vous indiquerez clairement pour chaque partie du graphe les phases en pr sence Vous rep rerez sur le diagramme binaire les points particuliers en correspondance avec la courbe d analyse thermique Exercice 3 Etude par microscopie optique d un d p t d aluminium Pour le contr le de la qualit du d p t d un alliage binaire aluminium silicium r alis dans l atelier de l usine on dispose pour d un microscope optique dont l objectif et l oculaire sont assimil s des lentilles minces convergentes L objectif de ce microscope porte l indication suivante x 35 L oculaire de ce microscope porte l indication x 12 3 1 3 2 3 3 Donner la relation liant la distance focale f et la vergence C d une lentille mince convergente Vous pr ciserez les unit s de chacune des grandeurs Donner le r le de
9. ec o 5 7 10 W m K On rappelle que T K 6 C 273 1 5 1 1 En supposant que le m tal rayonne comme un corps noir lorsque la temp rature de la pi ce est proche de la temp rature de fusion 8 1527 C calculer J 1 5 1 2 Comparer Jay la valeur de Jo et conclure 1 5 2 Refroidissement par convection La densit de flux chang e par convection dans l air est donn e par la relation de Newton Jeon h x 0 0 o h 15 W m C pour une plaque port e la temp rature 0 refroidissant dans l air la temp rature 6 20 C 1 5 2 1 Calculer J en prenant 6 1527 C 1 5 2 2 Comparer Jeonv la valeur de J et conclure 1 6 La r gulation de temp rature de la trempe LASER Une r gulation de la puissance du chauffage LASER par mesure pyrom trique de la temp rature peut tre utilis e On d sire que la pi ce trait e ne soit pas chauff e une temp rature sup rieure 1500 C en surface 1 6 1 La longueur d onde pour laquelle le rayonnement thermique du corps noir est le plus i gt 2898 intense est donn e par la loi de Wien Amax uM Pour une source la temp rature T K Calculer Amax en um Exercice 2 Contr le d une atmosph re de traitement thermique Pour des usages tr s intenses la bielle s cable est forg e dans l acier de d signation 35NiCrMol 6 Apr s forgeage elle subit un cycle de traitements thermiques avant la trempe LASER Ce traitement a p
10. our objectif d am liorer ses qualit s m caniques internes Cet acier est aust nitis la temp rature de 875 C On souhaite maintenir un potentiel carbone d environ 0 4 Document 4 Proc d Variocarb Le Variocarb direct est un proc d qui permet moindre co t une trempe et un revenu d aciers sans d carburation Au lieu d utiliser du gaz endothermique fabriqu dans des g n rateurs sp ciaux ou partir d azote et de m thanol liquide le traitement thermique est r alis sous azote Le Variocarb direct permet d apporter directement dans le four un m lange contr l azote hydrocarbure propane emp chant de mani re efficace la d carburation de l acier Le dioxyde de carbone et l eau r agissent avec le propane selon les quations suivantes 3CO2 C Hs gt 6 CO 4H 3 H20 CzHs gt 3 CO 7 H2 Le proc d est pilot par une sonde oxyg ne D apr s Messer Gases for life www messer Fr 2 1 D finir le potentiel carbone de l atmosph re du four 2 2 Pourquoi les teneurs en dioxyde de carbone et en eau doivent elles tre tr s faibles 2 3 Quel est le r le du propane 2 4 Lors de l installation le fabricant mesure les pressions partielles de monoxyde de carbone CO et de dioxyde de carbone CO par absorption infrarouge Le potentiel carbone cible correspond une activit du carbone en insertion a 0 3 L quilibre consid r est 2 CO CO C de constante K 298
11. tre P 2Jo dsn mod lis par la relation 6 z t Oo k yDt xF u avec u ZDE F u est une fonction dont le graphe est donn en annexe 1 K est une constante D est la diffusivit thermique Donn es K 35 W C m D 1 0 10 ms t 40 ms Temp rature d aust nitisation 6 880 C 1 4 1 Quelle est la dimension de la variable u Justifier 1 4 2 La pi ce est initialement la temp rature 6 20 C Montrer que dans ce cas O z t Oo 2 6 10 x F u 1 4 3 La temp rature d aust nitisation Oa est atteinte la date t T Calculer F u partir de la relation 1 D terminer graphiquement u annexe 1 rendre avec la copie En d duire la profondeur z 1 4 5 La profondeur z calcul e est une estimation de la profondeur trait e La profondeur r elle trait e sera inf rieure cette valeur Pourquoi 1 5 Phase de refroidissement toutes les donn es de la partie 1 4 restent valables La phase de refroidissement doit tre tr s rapide elle se fait dans la masse de la pi ce par conduction On d sire v rifier que le refroidissement par les deux autres modes de transfert thermique est n gligeable On rappelle que la densit de flux absorb e par la pi ce lors du chauffage est J 7 2 10 W m 1 5 1 Refroidissement par rayonnement La densit de flux rayonn e par unit de surface port e la temp rature T K est donn e par la loi de Stefan J x T pour un corps noir av
Download Pdf Manuals
Related Search