Alliages d’Aluminium
L’aluminium de haute pureté est un matériau souple avec une résistance ultime d’environ 10 MPa, ce qui limite son utilisation dans les applications industrielles. L’aluminium de pureté commerciale (99-99,6%) devient plus dur et plus résistant en raison de la présence d’impuretés, en particulier de Si et de Fe. Mais lorsqu’ils sont alliés, les alliages d’aluminium peuvent être traités thermiquement, ce qui modifie considérablement leurs propriétés mécaniques.
Les alliages d’aluminium sont à base d’aluminium, dont les principaux éléments d’alliage sont Cu, Mn, Si, Mg, Mg+Si, Zn. Les compositions d’alliages d’aluminium sont enregistrées auprès de l’Aluminium Association. Les alliages d’aluminium sont répartis en 9 familles (Al1xxx à Al9xxx). Les différentes familles d’alliages et les principaux éléments d’alliage sont:
- 1xxx: aucun élément d’alliage
- 2xxx: Cuivre
- 3xxx: Manganèse
- 4xxx: Silicium
- 5xxx: Magnésium
- 6xxx: magnésium et silicium
- 7xxx: zinc, magnésium et cuivre
- 8xxx: autres éléments qui ne sont pas couverts par d’autres séries
Il existe également deux classifications principales, à savoir les alliages de fonderie et les alliages corroyés, qui sont tous deux subdivisés en catégories pouvant être traitées thermiquement et non traitées thermiquement. Les alliages d’aluminium contenant des éléments d’alliage à solubilité solide limitée à température ambiante et avec une forte dépendance à la température de la solubilité solide (par exemple Cu) peuvent être renforcés par un traitement thermique approprié (durcissement par précipitation). La résistance des alliages d’Al commerciaux traités thermiquement dépasse 550 MPa.
Les propriétés mécaniques des alliages d’aluminium dépendent fortement de leur composition de phase et de leur microstructure. Une résistance élevée peut être obtenue entre autres par l’introduction d’une fraction volumique élevée de particules fines de seconde phase réparties de manière homogène et par un affinement de la taille des grains. En général, les alliages d’aluminium se caractérisent par une masse volumique relativement faible (2,7 g/cm3 contre 7,9 g/cm3 pour l’acier), des conductivités électriques et thermiques élevées, et une résistance à la corrosion dans certains environnements courants, y compris l’atmosphère ambiante. La principale limitation de l’aluminium est sa faible température de fusion (660 °C), qui limite la température maximale à laquelle il peut être utilisé. Pour la production générale, les alliages des séries 5000 et 6000 offrent une résistance adéquate combinée à une bonne résistance à la corrosion, une ténacité élevée et une facilité de soudage.
L’aluminium et ses alliages sont largement utilisés dans les applications aérospatiales, automobiles, architecturales, lithographiques, d’emballage, électriques et électroniques. C’est le principal matériau de construction de l’ industrie aéronautique tout au long de son histoire. Environ 70% des cellules des avions civils commerciaux sont fabriquées à partir d’alliages d’aluminium, et sans aluminium, l’aviation civile ne serait pas économiquement viable. L’industrie automobile utilise désormais l’aluminium comme pièces moulées de moteur, roues, radiateurs et de plus en plus comme pièces de carrosserie. L’aluminium 6111 et l’alliage d’aluminium 2008 sont largement utilisés pour les panneaux extérieurs de carrosserie automobile. Les blocs-cylindres et les carters sont souvent coulés en alliages d’aluminium.
Alliages de Titane
Le titane pur est plus résistant que les aciers ordinaires à faible teneur en carbone, mais 45 % plus léger. Il est également deux fois plus résistant que les alliages d’aluminium faibles, mais seulement 60 % plus lourd. Les deux propriétés les plus utiles du métal sont la résistance à la corrosion et le rapport résistance/densité, le plus élevé de tous les éléments métalliques. La résistance à la corrosion des alliages de titane à des températures normales est exceptionnellement élevée. La résistance à la corrosion du titane repose sur la formation d’une couche d’oxyde stable et protectrice. Bien que le titane « commercialement pur » ait des propriétés mécaniques acceptables et ait été utilisé pour les implants orthopédiques et dentaires, pour la plupart des applications, le titane est allié à de petites quantités d’aluminium et de vanadium, généralement 6 % et 4 % respectivement, en poids. Ce mélange a une solubilité solide qui varie considérablement avec la température, ce qui lui permet de subir un renforcement par précipitation.
Les alliages de titane sont des métaux qui contiennent un mélange de titane et d’autres éléments chimiques. Ces alliages ont une résistance à la traction et une ténacité très élevées (même à des températures extrêmes). Ils sont légers, ont une résistance à la corrosion extraordinaire et la capacité de résister à des températures extrêmes.
2e année
Le titane de grade 2 commercialement pur est très similaire au grade 1, mais il a une résistance plus élevée que le grade 1 et d’excellentes propriétés de formage à froid. Il offre d’excellentes propriétés de soudage et une excellente résistance à l’oxydation et à la corrosion. Cette qualité de titane est la qualité la plus courante de l’industrie du titane commercialement pur. C’est le premier choix pour de nombreux domaines d’applications:
- Aérospatial,
- Automobile,
- Traitement chimique et fabrication de chlorate,
- Dessalement
- La production d’énergie
Classe 5 – Ti-6Al-4V
Le grade 5 est l’alliage le plus couramment utilisé et il s’agit d’un alliage alpha + bêta. L’alliage de grade 5 représente 50 % de l’utilisation totale de titane dans le monde. Il a une composition chimique de 6% d’aluminium, 4% de vanadium, 0,25% (maximum) de fer, 0,2% (maximum) d’oxygène et le reste de titane. Généralement, le Ti-6Al-4V est utilisé dans des applications jusqu’à 400 degrés Celsius. Il a une densité d’environ 4420 kg/m3. Il est nettement plus résistant que le titane commercialement pur (grades 1 à 4) en raison de sa possibilité d’être traité thermiquement. Cette nuance est une excellente combinaison de résistance, de résistance à la corrosion, de soudure et de fabricabilité. C’est le premier choix pour de nombreux domaines d’applications:
- Turbines d’avion
- Composants du moteur
- Composants structuraux d’aéronefs
- Attaches aérospatiales
- Pièces automatiques performantes
- Applications marines
Application des alliages de titane – Utilisations
Les deux propriétés les plus utiles du métal sont la résistance à la corrosion et le rapport résistance/densité, le plus élevé de tous les éléments métalliques. La résistance à la corrosion des alliages de titane à des températures normales est exceptionnellement élevée. Ces propriétés déterminent l’application du titane et de ses alliages. La première application de production de titane remonte à 1952, pour les nacelles et les pare-feu de l’avion de ligne Douglas DC-7. Une résistance spécifique élevée, une bonne résistance à la fatigue et une bonne durée de vie au fluage, ainsi qu’une bonne ténacité à la rupture sont des caractéristiques qui font du titane un métal privilégié pour les applications aérospatiales. Les applications aérospatiales, y compris l’utilisation dans les composants structurels (cellule) et les moteurs à réaction, représentent toujours la plus grande part de l’utilisation des alliages de titane. Sur le avion supersonique SR-71, le titane a été utilisé pour 85% de la structure. Du fait de sa très grande inertie, le titane trouve de nombreuses applications biomédicales, qui reposent sur son inertie dans le corps humain, c’est-à-dire sa résistance à la corrosion par les fluides corporels.
Propriétés des alliages d’aluminium par rapport aux alliages de titane
Les propriétés des matériaux sont des propriétés intensives, c’est-à-dire qu’elles sont indépendantes de la quantité de masse et peuvent varier d’un endroit à l’autre du système à tout moment. La base de la science des matériaux consiste à étudier la structure des matériaux et à les relier à leurs propriétés (mécaniques, électriques, etc.). Une fois qu’un scientifique des matériaux connaît cette corrélation structure-propriété, il peut ensuite étudier les performances relatives d’un matériau dans une application donnée. Les principaux déterminants de la structure d’un matériau et donc de ses propriétés sont ses éléments chimiques constitutifs et la manière dont il a été transformé en sa forme finale.
Densité des alliages d’aluminium par rapport aux alliages de titane
La densité d’ un alliage d’aluminium typique est de 2,7 g/cm3 (alliage 6061) .
La densité d’ un alliage de titane typique est de 4,43 g/cm3 (Ti-6Al-4V)
La densité est définie comme la masse par unité de volume. C’est une propriété intensive, qui est mathématiquement définie comme la masse divisée par le volume:
ρ = m / V
En d’autres termes, la densité (ρ) d’une substance est la masse totale (m) de cette substance divisée par le volume total (V) occupé par cette substance. L’unité SI standard est le kilogramme par mètre cube (kg/m3). L’unité anglaise standard est la masse de livres par pied cube (lbm/ft3).
Puisque la densité (ρ) d’une substance est la masse totale (m) de cette substance divisée par le volume total (V) occupé par cette substance, il est évident que la densité d’une substance dépend fortement de sa masse atomique et aussi de la densité de numéro atomique (N; atomes/cm3):
- Poids atomique. La masse atomique est portée par le noyau atomique, qui n’occupe qu’environ 10-12 du volume total de l’atome ou moins, mais il contient toute la charge positive et au moins 99,95 % de la masse totale de l’atome. Il est donc déterminé par le nombre de masse (nombre de protons et de neutrons).
- Densité de nombre atomique. La densité de numéro atomique (N; atomes/cm3), qui est associée aux rayons atomiques, est le nombre d’atomes d’un type donné par unité de volume (V; cm3) du matériau. La densité de numéro atomique (N; atomes/cm3) d’un matériau pur ayant un poids atomique ou moléculaire (M; grammes/mol) et la densité du matériau (⍴; gramme/cm3) est facilement calculée à partir de l’équation suivante en utilisant le nombre d’Avogadro (NA = 6,022×1023 atomes ou molécules par mole):
- Structure en cristal. La densité de la substance cristalline est significativement affectée par sa structure cristalline. La structure FCC, avec son parent hexagonal (hcp), a le facteur de tassement le plus efficace (74%). Les métaux contenant des structures FCC comprennent l’austénite, l’aluminium, le cuivre, le plomb, l’argent, l’or, le nickel, le platine et le thorium.
Propriétés mécaniques des alliages d’aluminium par rapport aux alliages de titane
Les matériaux sont fréquemment choisis pour diverses applications car ils présentent des combinaisons souhaitables de caractéristiques mécaniques. Pour les applications structurelles, les propriétés des matériaux sont cruciales et les ingénieurs doivent en tenir compte.
Résistance des alliages d’aluminium par rapport aux alliages de titane
En mécanique des matériaux, la résistance d’un matériau est sa capacité à supporter une charge appliquée sans rupture ni déformation plastique. La résistance des matériaux considère essentiellement la relation entre les charges externes appliquées à un matériau et la déformation ou la modification des dimensions du matériau qui en résulte. La résistance d’un matériau est sa capacité à supporter cette charge appliquée sans défaillance ni déformation plastique.
Résistance à la traction ultime
La résistance à la traction ultime de l’alliage d’aluminium 6061 dépend fortement de l’état du matériau, mais pour l’état T6, elle est d’environ 290 MPa.
La résistance à la traction ultime de l’alliage d’aluminium 2024 dépend fortement de l’état du matériau, mais elle est d’environ 450 MPa.
La résistance à la traction ultime de l’alliage de titane Ti-6Al-4V – Grade 5 est d’environ 1170 MPa.
La résistance à la traction ultime du titane commercialement pur – Grade 2 est d’environ 340 MPa.
La résistance à la traction ultime est le maximum sur la courbe technique de contrainte-déformation. Cela correspond à la contrainte maximale qui peut être soutenu par une structure en tension. La résistance à la traction ultime est souvent abrégée en « résistance à la traction » ou même en « l’ultime ». Si cette contrainte est appliquée et maintenue, une fracture en résultera. Souvent, cette valeur est nettement supérieure à la limite d’élasticité (jusqu’à 50 à 60 % de plus que le rendement pour certains types de métaux). Lorsqu’un matériau ductile atteint sa résistance ultime, il subit une striction où la section transversale se réduit localement. La courbe contrainte-déformation ne contient pas de contrainte supérieure à la résistance ultime. Même si les déformations peuvent continuer à augmenter, la contrainte diminue généralement après que la résistance ultime a été atteinte. C’est une propriété intensive; sa valeur ne dépend donc pas de la taille de l’éprouvette. Cependant, cela dépend d’autres facteurs, tels que la préparation de l’échantillon, température de l’environnement et du matériau d’essai. Les résistances ultimes à la traction varient de 50 MPa pour un aluminium jusqu’à 3000 MPa pour les aciers à très haute résistance.
Limite d’élasticité
La limite d’élasticité de l’alliage d’aluminium 6061 dépend fortement de l’état du matériau, mais pour l’état T6, elle est d’environ 240 MPa.
La limite d’élasticité de l’alliage d’aluminium 2024 dépend fortement de l’état du matériau, mais elle est d’environ 300 MPa.
La limite d’élasticité de l’alliage de titane Ti-6Al-4V – Grade 5 est d’environ 1100 MPa.
La limite d’élasticité du titane commercialement pur – Grade 2 est d’environ 300 MPa.
La limite d’ élasticité est le point sur une courbe contrainte-déformation qui indique la limite du comportement élastique et le début du comportement plastique. Limite d’élasticité ou la limite d’élasticité est la propriété du matériau définie comme la contrainte à laquelle un matériau commence à se déformer plastiquement, tandis que la limite d’élasticité est le point où la déformation non linéaire (élastique + plastique) commence. Avant la limite d’élasticité, le matériau se déforme élastiquement et reprend sa forme d’origine lorsque la contrainte appliquée est supprimée. Une fois la limite d’élasticité dépassée, une partie de la déformation sera permanente et irréversible. Certains aciers et autres matériaux présentent un comportement appelé phénomène de limite d’élasticité. Les limites d’élasticité varient de 35 MPa pour un aluminium à faible résistance à plus de 1400 MPa pour les aciers à très haute résistance.
Module de Young
Le module de Young de l’alliage d’aluminium 6061 est d’environ 69 GPa.
Le module de Young de l’alliage d’aluminium 2024 est d’environ 76 GPa.
Le module de Young de l’ alliage de titane Ti-6Al-4V – Grade 5 est d’environ 114 GPa.
Le module de Young du titane commercialement pur – Grade 2 est d’environ 105 GPa.
Le module de Young est le module d’élasticité pour les contraintes de traction et de compression dans le régime d’élasticité linéaire d’une déformation uniaxiale et est généralement évalué par des essais de traction. Jusqu’à une contrainte limite, une caisse pourra retrouver ses dimensions au retrait de la charge. Les contraintes appliquées font que les atomes d’un cristal se déplacent de leur position d’équilibre. Tous les atomes sont déplacés de la même quantité et conservent toujours leur géométrie relative. Lorsque les contraintes sont supprimées, tous les atomes reviennent à leur position d’origine et aucune déformation permanente ne se produit. Selon la loi de Hooke, la contrainte est proportionnelle à la déformation (dans la région élastique), et la pente est le module de Young. Le module de Young est égal à la contrainte longitudinale divisée par la déformation.
Dureté des alliages d’aluminium par rapport aux alliages de titane
La dureté Brinell de l’alliage d’aluminium 6061 dépend fortement de l’état du matériau, mais pour l’état T6, elle est d’environ 95 MPa.
La dureté Brinell de l’alliage d’aluminium 2024 dépend fortement de l’état du matériau, mais elle est d’environ 110 MPa.
La dureté Rockwell de l’alliage de titane Ti-6Al-4V – Grade 5 est d’environ 41 HRC.
La dureté Rockwell du titane commercialement pur – Grade 2 est d’environ 80 HRB.
Le test de dureté Rockwell est l’un des tests de dureté par indentation les plus courants, qui a été développé pour les tests de dureté. Contrairement au test Brinell, le testeur Rockwell mesure la profondeur de pénétration d’un pénétrateur sous une charge importante (charge majeure) par rapport à la pénétration faite par une précharge (charge mineure). La charge mineure établit la position zéro. La charge majeure est appliquée, puis retirée tout en maintenant la charge mineure. La différence entre la profondeur de pénétration avant et après l’application de la charge principale est utilisée pour calculer le nombre de dureté Rockwell. C’est-à-dire que la profondeur de pénétration et la dureté sont inversement proportionnelles. Le principal avantage de la dureté Rockwell est sa capacité à afficher directement les valeurs de dureté. Le résultat est un nombre sans dimension noté HRA, HRB, HRC, etc., où la dernière lettre est l’échelle Rockwell respective.
Le test Rockwell C est réalisé avec un pénétrateur Brale (cône diamant 120°) et une charge majeure de 150kg.
Propriétés thermiques des alliages d’aluminium par rapport aux alliages de titane
Les propriétés thermiques des matériaux font référence à la réponse des matériaux aux changements de température et à l’application de chaleur. Lorsqu’un solide absorbe de l’énergie sous forme de chaleur, sa température augmente et ses dimensions augmentent. Mais différents matériaux réagissent différemment à l’application de chaleur.
La capacité calorifique, la dilatation thermique et la conductivité thermique sont des propriétés qui sont souvent critiques dans l’utilisation pratique des solides.
Point de fusion des alliages d’aluminium par rapport aux alliages de titane
Le point de fusion de l’alliage d’aluminium 6061 est d’environ 600 °C.
Le point de fusion de l’alliage d’aluminium 2024 est d’environ 570 °C.
Le point de fusion de l’alliage de titane Ti-6Al-4V – Grade 5 est d’environ 1660 °C.
Le point de fusion du titane commercialement pur – Grade 2 est d’environ 1660 °C.
En général, la fusion est un changement de phase d’une substance de la phase solide à la phase liquide. Le point de fusion d’une substance est la température à laquelle ce changement de phase se produit. Le point de fusion définit également une condition dans laquelle le solide et le liquide peuvent exister en équilibre.
Conductivité thermique des alliages d’aluminium par rapport aux alliages de titane
La conductivité thermique de l’alliage d’aluminium 6061 est de 150 W/(mK).
La conductivité thermique de l’alliage d’aluminium 2024 est de 140 W/(mK).
La conductivité thermique de l’alliage de titane Ti-6Al-4V – Grade 5 est de 6,7 W/(mK).
La conductivité thermique du titane commercialement pur – Grade 2 est de 16 W/(mK).
Les caractéristiques de transfert de chaleur d’un matériau solide sont mesurées par une propriété appelée la conductivité thermique, k (ou λ), mesurée en W/mK. C’est une mesure de la capacité d’une substance à transférer de la chaleur à travers un matériau par conduction. Notez que la loi de Fourier s’applique à toute matière, quel que soit son état (solide, liquide ou gazeux), par conséquent, elle est également définie pour les liquides et les gaz.
La conductivité thermique de la plupart des liquides et des solides varie avec la température. Pour les vapeurs, cela dépend aussi de la pression. En général:
La plupart des matériaux sont presque homogènes, nous pouvons donc généralement écrire k = k (T). Des définitions similaires sont associées aux conductivités thermiques dans les directions y et z (ky, kz), mais pour un matériau isotrope, la conductivité thermique est indépendante de la direction de transfert, kx = ky = kz = k.
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En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
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González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
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Voir ci-dessus:
Alliages
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