Les alliages résistants à la corrosion sont utilisés pour les canalisations d’eau et de nombreuses applications chimiques et industrielles. Certains alliages non ferreux résistants à la corrosion présentent une résistance à la corrosion remarquable et peuvent donc être utilisés à de nombreuses fins spéciales.
Les alliages anticorrosion, comme leur nom l’indique, sont des alliages à résistance à la corrosion renforcée. Certains métaux et alliages ferreux et de nombreux non ferreux sont largement utilisés dans les environnements corrosifs. Dans tous les cas, cela dépend fortement de certains environnements et d’autres conditions. Les alliages résistants à la corrosion sont utilisés pour les canalisations d’eau et de nombreuses applications chimiques et industrielles. Dans le cas des alliages ferreux, on parle d’aciers inoxydables et dans une certaine mesure de fontes. Mais certains alliages non ferreux résistant à la corrosion présentent une résistance à la corrosion remarquable et peuvent donc être utilisés à de nombreuses fins spéciales. Il existe deux raisons principales pour lesquelles les matériaux non ferreux sont préférés aux aciers et aux aciers inoxydables pour bon nombre de ces applications. Par exemple, bon nombre desles métaux et alliages non ferreux possèdent une résistance à la corrosion beaucoup plus élevée que les aciers alliés et les nuances d’acier inoxydable disponibles. Deuxièmement, un rapport résistance/poids élevé ou une conductivité thermique et électrique élevée peut fournir un avantage distinct par rapport à un alliage ferreux.
Utilisations des alliages résistants à la corrosion – Application
Quatre métaux non ferreux couramment utilisés pour leurs propriétés de résistance à la corrosion bien documentées sont:
Hélice Nibral (bronze d’aluminium au nickel) Source: generalpropeller.com
Cuivre. Le cuivre ne réagit pas avec l’eau, mais il réagit lentement avec l’oxygène atmosphérique pour former une couche d’oxyde de cuivre brun-noir qui, contrairement à la rouille qui se forme sur le fer dans l’air humide, protège le métal sous-jacent d’une corrosion supplémentaire (passivation). Les alliages cuivre-nickel et le bronze d’aluminium présentent une résistance supérieure à la corrosion par l’eau salée. Par exemple, les cupronickels sont des alliages cuivre-nickel qui contiennent généralement de 60 à 90 % de cuivre et de nickel comme élément d’alliage principal. Les deux principaux alliages sont le 90/10 et le 70/30. D’autres éléments de renforcement, tels que le manganèse et le fer, peuvent également être contenus. Cupronickel sont une excellente résistance à la corrosion causée par l’eau de mer. Malgré sa forte teneur en cuivre, le cupronickel est de couleur argentée. L’ajout de nickel au cuivre améliore également la solidité et la résistance à la corrosion, mais une bonne ductilité est conservée. Les cupronickels peuvent être utilisés dans de nombreuses applications marines, comme pour les hélices et les arbres porte-hélices. Étant donné que les alliages de cupronickel ont une résistance inhérente au macroencrassement, une bonne résistance à la traction, une excellente ductilité lorsqu’ils sont recuits, une conductivité thermique élevée et des caractéristiques de dilatation, ils peuvent être utilisés pour les échangeurs de chaleur, tels que les condenseurs de turbine à vapeur, les refroidisseurs d’huile, les systèmes de refroidissement auxiliaires et les pré-hautes pressions. -les réchauffeurs des centrales nucléaires et à combustibles fossiles. Un autre matériau résistant à la corrosion très courant est un bronze d’aluminium, qui présente une excellente résistance à la corrosion, en particulier dans l’eau de mer et les environnements similaires, où les alliages surpassent souvent de nombreux aciers inoxydables. Leur excellente résistance à la corrosion résulte de l’aluminium dans les alliages, qui réagit avec l’oxygène atmosphérique pour former une couche superficielle mince et dure d’alumine (oxyde d’aluminium) qui agit comme une barrière à la corrosion de l’alliage riche en cuivre. On les trouve sous forme forgée et moulée. Les bronzes d’aluminium sont généralement de couleur dorée. Les bronzes d’aluminium sont utilisés dans les applications d’eau de mer qui comprennent:
Services généraux liés à l’eau de mer
Roulements
Raccords de tuyauterie
Pompes et composants de vannes
Échangeurs de chaleur
Nickel. Le nickel est un métal brillant blanc argenté avec une légère teinte dorée. Le nickel est l’un des éléments d’alliage les plus courants. Environ 65 % de la production de nickel est utilisée dans les aciers inoxydables. Étant donné que le nickel ne forme aucun composé de carbure dans l’acier, il reste en solution dans la ferrite, renforçant et durcissant ainsi la phase de ferrite. Les aciers au nickel sont facilement traités thermiquement car le nickel réduit la vitesse de refroidissement critique. Alliages à base de nickel(par exemple les alliages Fe-Cr-Ni(Mo)) présentent une excellente ductilité et ténacité, même à des niveaux de résistance élevés et ces propriétés sont conservées jusqu’à de basses températures. Le nickel et ses alliages sont très résistants à la corrosion dans de nombreux environnements, notamment ceux qui sont basiques (alcalins). Le nickel réduit également la dilatation thermique pour une meilleure stabilité dimensionnelle. Le nickel est l’élément de base des superalliages. Ces métaux ont une excellente résistance à la déformation par fluage thermique et conservent leur rigidité, leur résistance, leur ténacité et leur stabilité dimensionnelle à des températures beaucoup plus élevées que les autres matériaux de structure aérospatiaux. Par exemple, Inconel est une marque déposée de Special Metals pour une famille de superalliages austénitiques à base de nickel-chrome. L’Inconel 718 est un superalliage à base de nickel qui possède des propriétés de haute résistance et une résistance aux températures élevées. Il démontre également une protection remarquable contre la corrosion et l’oxydation. Ils ont été initialement développés pour être utilisés dans les turbocompresseurs de moteurs à pistons d’avions. Aujourd’hui, l’application la plus courante concerne les composants de turbines d’avions, qui doivent résister à une exposition à des environnements fortement oxydants et à des températures élevées pendant des périodes de temps raisonnables.
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 avec 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. 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. Par exemple, le grade 2 de titane 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
Aluminium. En général, les alliages d’aluminium se caractérisent par une densité 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. . Sa résistance à la corrosion dépend fortement de certains alliages. Par exemple, le duralumin est dû à la présence de cuivre sensible à la corrosion, tandis que l’ alliage 6061 reste résistant à la corrosion même lorsque la surface est abrasée. À des températures plus élevées et dans des environnements agressifs, les alliages d’aluminium ont une faible résistance à la corrosion et ils souffrent également de fissuration par corrosion sous contrainte.
Références :
Science des matériaux:
Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993. US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993. William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578. 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. Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3. 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. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.
Voir ci-dessus: Alliages résistants à la corrosion
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Le matériau le plus avancé du point de vue de la résistance et de la dureté est le titane. 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.
Les alliages anticorrosion, comme leur nom l’indique, sont des alliages à résistance à la corrosion renforcée. Certains métaux et alliages ferreux et de nombreux non ferreux sont largement utilisés dans les environnements corrosifs. Dans tous les cas, cela dépend fortement de certains environnements et d’autres conditions. Les alliages résistants à la corrosion sont utilisés pour les canalisations d’eau et de nombreuses applications chimiques et industrielles. Dans le cas des alliages ferreux, on parle d’aciers inoxydables et dans une certaine mesure de fontes. Mais certains alliages non ferreux résistant à la corrosion présentent une résistance à la corrosion remarquable et peuvent donc être utilisés à de nombreuses fins spéciales. Il existe deux raisons principales pour lesquelles les matériaux non ferreux sont préférés aux aciers et aux aciers inoxydables pour bon nombre de ces applications. Par exemple, bon nombre des les métaux et alliages non ferreux possèdent une résistance à la corrosion beaucoup plus élevée que les aciers alliés et les nuances d’acier inoxydable disponibles. Deuxièmement, un rapport résistance/poids élevé ou une conductivité thermique et électrique élevée peut fournir un avantage distinct par rapport à un alliage ferreux.
Résistance des alliages résistants à la corrosion
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 du bronze d’aluminium – UNS C95400 est d’environ 550 MPa.
Résistance à la traction ultime du superalliage – Inconel 718 dépend du processus de traitement thermique, mais il est d’environ 1200 MPa.
La résistance à la traction ultime du titane commercialement pur – Grade 2 est d’environ 340 MPa.
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’acier inoxydable – type 304 est de 515 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 du bronze d’aluminium – UNS C95400 est d’environ 250 MPa.
Limite d’élasticité du superalliage – Inconel 718 dépend du processus de traitement thermique, mais il est d’environ 1030 MPa.
La limite d’élasticité du titane commercialement pur – Grade 2 est d’environ 300 MPa.
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’acier inoxydable – type 304 est de 205 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 du bronze d’aluminium – UNS C95400 est d’environ 110 GPa.
Le module de Young du superalliage – Inconel 718 est de 200 GPa.
Le module de Young du titane commercialement pur – Grade 2 est d’environ 105 GPa.
Le module de Young de l’alliage d’aluminium 6061 est d’environ 69 GPa.
Le module de Young de l’ acier inoxydable – type 304 et 304L est de 193 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 résistants à la corrosion
La dureté Brinell du bronze d’aluminium – UNS C95400 est d’environ 170 MPa.
La dureté Brinell du superalliage – Inconel 718 dépend du processus de traitement thermique, mais elle est d’environ 330 MPa.
La dureté Rockwell du titane commercialement pur – Grade 2 est d’environ 80 HRB.
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’acier inoxydable de type 304 est d’environ 201 MPa.
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.
Références :
Science des matériaux:
Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993. US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993. William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578. 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. Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3. 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. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.
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La densité des alliages résistant à la corrosion varie considérablement. La densité d’un alliage d’aluminium typique est de 2,7 g/cm3 (alliage 6061). Mais pour atteindre une remarquable résistance à la corrosion, le titane est le matériau de choix.
Les alliages anticorrosion, comme leur nom l’indique, sont des alliages à résistance à la corrosion renforcée. Certains métaux et alliages ferreux et de nombreux non ferreux sont largement utilisés dans les environnements corrosifs. Dans tous les cas, cela dépend fortement de certains environnements et d’autres conditions. Les alliages résistants à la corrosion sont utilisés pour les canalisations d’eau et de nombreuses applications chimiques et industrielles. Dans le cas des alliages ferreux, on parle d’aciers inoxydables et dans une certaine mesure de fontes. Mais certains alliages non ferreux résistant à la corrosion présentent une résistance à la corrosion remarquable et peuvent donc être utilisés à de nombreuses fins spéciales. Il existe deux raisons principales pour lesquelles les matériaux non ferreux sont préférés aux aciers et aux aciers inoxydables pour bon nombre de ces applications. Par exemple, bon nombre desles métaux et alliages non ferreux possèdent une résistance à la corrosion beaucoup plus élevée que les aciers alliés et les nuances d’acier inoxydable disponibles. Deuxièmement, un rapport résistance/poids élevé ou une conductivité thermique et électrique élevée peut fournir un avantage distinct par rapport à un alliage ferreux.
Densité des alliages résistants à la corrosion
La densité du bronze d’aluminium typique est de 7,45 g/cm3 (UNS C95400) .
La densité du superalliage typique est de 8,22 g/cm3 (Inconel 718).
La densité d’ un alliage de titane typique est de 4,51 g/cm3 (Grade 2).
La densité d’ un alliage d’aluminium typique est de 2,7 g/cm3 (Alliage 6061) .
La densité de l’acier inoxydable typique est de 8,0 g/cm3(Acier 304).
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.
Références :
Science des matériaux:
Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993. US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993. William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578. 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. Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3. 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. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.
Voir ci-dessus: Alliages résistants à la corrosion
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Les métaux et alliages réfractaires sont bien connus pour leur extraordinaire résistance à la chaleur et à l’usure. La condition essentielle pour résister aux températures élevées est un point de fusion élevé et des propriétés mécaniques stables (par exemple une dureté élevée) même à des températures élevées.
Les métaux et alliages réfractaires sont bien connus pour leur extraordinaire résistance à la chaleur et à l’usure La condition essentielle pour résister aux températures élevées est un point de fusion élevé et des propriétés mécaniques stables (par exemple une dureté élevée) même à des températures élevées.
Les métaux réfractaires les plus courants comprennent cinq éléments : le niobium et le molybdène de la cinquième période et le tantale, le tungstène et le rhénium de la sixième période. Ils partagent tous certaines propriétés, notamment un point de fusion supérieur à 2 000 °C et une dureté élevée à température ambiante.
Une mauvaise fabricabilité à basse température et une oxydabilité extrême à haute température sont les principaux inconvénients de la plupart des métaux réfractaires. L’application de ces métaux nécessite une atmosphère ou un revêtement protecteur.
La résistance des métaux réfractaires à haute température, associée à leur dureté, les rend idéaux pour les outils de coupe et de perçage. Les alliages à base de métaux réfractaires sont utilisés dans pratiquement toutes les grandes industries, y compris l’électronique, l’aérospatiale, l’automobile, la chimie, l’exploitation minière, la technologie nucléaire et la transformation des métaux. Aujourd’hui, l’utilisation ne se limite pas aux filaments de lampe, aux grilles de tubes électroniques et aux éléments chauffants.
Le tungstène est un métal extrêmement dense et il a le point de fusion le plus élevé de tous les métaux, à 3 410 °C. De plus, le tungstène est un excellent agent d’alliage. Le tungstène est principalement utilisé dans les outils de coupe en métal au carbure cémenté et dans les matériaux résistants à l’usure. Produit des carbures stables et affine la taille des grains afin d’augmenter la dureté, en particulier à des températures élevées. Le tungstène est largement utilisé dans les aciers à outils rapides et a été proposé comme substitut du molybdène dans les aciers ferritiques à activation réduite pour les applications nucléaires. L’ajout d’environ 10 % de tungstène et de molybdène au total maximise efficacement la dureté et la ténacité des aciers rapides et maintient ces propriétés aux températures élevées générées lors de la coupe des métaux.
Le molybdène augmente la trempabilité et la résistance, en particulier à des températures élevées en raison du point de fusion élevé du molybdène. Le molybdène est unique dans la mesure où il augmente les résistances à la traction et au fluage à haute température de l’acier. Elle retarde beaucoup plus la transformation de l’austénite en perlite que la transformation de l’austénite en bainite ; ainsi, la bainite peut être produite par refroidissement continu d’aciers contenant du molybdène. L’alliage à base de molybdène le plus courant est l’alliage titane-zirconium-molybdène TZM, composé de 0,5 % de titane et de 0,08 % de zirconium (le reste étant le molybdène). Il est généralement fabriqué par la métallurgie des poudres ou des procédés de coulée à l’arc. L’alliage présente une résistance au fluage et une résistance à haute température plus élevées, ce qui permet des températures de service supérieures à 1060 °C pour le matériau.
Références :
Science des matériaux:
Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993. US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993. William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578. 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. Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3. 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. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.
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Propriétés thermiques des alliages résistants à la corrosion. Le point de fusion le plus élevé des alliages résistants à la corrosion est le titane commercialement pur – Grade 2, qui se situe autour de 1660°C. La conductivité thermique la plus élevée a un alliage d’aluminium 6061, qui est de 150 W/(mK).
Les alliages anticorrosion, comme leur nom l’indique, sont des alliages à résistance à la corrosion renforcée. Certains métaux et alliages ferreux et de nombreux non ferreux sont largement utilisés dans les environnements corrosifs. Dans tous les cas, cela dépend fortement de certains environnements et d’autres conditions. Les alliages résistants à la corrosion sont utilisés pour les canalisations d’eau et de nombreuses applications chimiques et industrielles. Dans le cas des alliages ferreux, on parle d’aciers inoxydables et dans une certaine mesure de fontes. Mais certains alliages non ferreux résistant à la corrosion présentent une résistance à la corrosion remarquable et peuvent donc être utilisés à de nombreuses fins spéciales. Il existe deux raisons principales pour lesquelles les matériaux non ferreux sont préférés aux aciers et aux aciers inoxydables pour bon nombre de ces applications. Par exemple, bon nombre des les métaux et alliages non ferreux possèdent une résistance à la corrosion beaucoup plus élevée que les aciers alliés et les nuances d’acier inoxydable disponibles. Deuxièmement, un rapport résistance/poids élevé ou une conductivité thermique et électrique élevée peut fournir un avantage distinct par rapport à un alliage ferreux.
Propriétés thermiques des alliages résistants à la corrosion
Les propriétés thermiques des matériaux font référence à la réponse des matériaux aux changements de leur thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/ »>température et à l’application de chaleur. Lorsqu’un solide absorbe de thermodynamics/what-is-energy-physics/ »>l’énergie sous forme de chaleur, sa température augmente et ses dimensions augmentent. Mais différents matériaux réagissent différemment à l’application de chaleur.
Point de fusion des alliages résistants à la corrosion
Le point de fusion du bronze d’aluminium – UNS C95400 est d’environ 1030 °C.
Le point de fusion du superalliage – l’acier Inconel 718 est d’environ 1400 °C.
Le point de fusion du titane commercialement pur – Grade 2 est d’environ 1660 °C.
Le point de fusion de l’alliage d’aluminium 6061 est d’environ 600 °C.
Le point de fusion de l’acier inoxydable – l’acier de type 304 est d’environ 1450 °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 résistants à la corrosion
La conductivité thermique du bronze d’aluminium – UNS C95400 est de 59 W/(mK).
La conductivité thermique du superalliage – Inconel 718 est de 6,5 W/(mK).
La conductivité thermique du titane commercialement pur – Grade 2 est de 16 W/(mK).
La conductivité thermique de l’alliage d’aluminium 6061 est de 150 W/(mK).
La conductivité thermique de l’acier inoxydable – type 304 est de 20 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.
Références :
Science des matériaux:
Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993. US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993. William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578. 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. Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3. 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. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.
Voir ci-dessus: Alliages résistants à la corrosion
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Le pourcentage de carbone détermine le type d’alliage ferreux : fer, acier ou fonte. L’acier est l’un des alliages ferreux les plus utiles et les plus courants dans l’utilisation moderne. La fonte a un point de fusion plus bas (entre environ 1150°C et 1300°C) que l’acier traditionnel.
Source: wikipedia.org Läpple, Volker – Traitement thermique des bases de l’acier. Licence: CC BY-SA 4.0
Comme on peut le voir sur la figure, le pourcentage de carbone présent et la température définissent la phase de l’alliage fer-carbone et donc ses caractéristiques physiques et ses propriétés mécaniques. Le pourcentage de carbone détermine le type d’alliage ferreux : fer, acier au carbone ou fonte.
Acier Carbone
Les aciers au carbone sont des alliages fer-carbone qui peuvent contenir des concentrations appréciables d’autres éléments d’alliage. Les aciers au carbone simples sont des alliages fer-carbone dans lesquels les propriétés sont principalement dérivées de la présence de carbone. Certains éléments accessoires comme le manganèse, le silicium, le soufre et le phosphore sont présents en faible quantité en raison du mode de fabrication des aciers et non pour en modifier les propriétés mécaniques. L’ajout d’une petite quantité de carbone non métallique au fer échange sa grande ductilité contre une plus grande résistance. En raison de sa très haute résistance, mais toujours d’une ténacité substantielle, et de sa capacité à être fortement altérée par un traitement thermique, l’acier est l’un des alliages ferreux les plus utiles et les plus courants dans l’utilisation moderne. Il existe des milliers d’alliages qui ont des compositions et/ou des traitements thermiques différents. Les propriétés mécaniques sont sensibles à la teneur en carbone, qui est normalement inférieure à 1,0 % en poids. Selon la classification AISI, l’acier au carbone est divisé en quatre classes en fonction de la teneur en carbone:
Aciers bas carbone. L’acier à faible teneur en carbone, également connu sous le nom d’acier doux, est désormais la forme d’acier la plus courante car son prix est relativement bas alors qu’il offre des propriétés matérielles acceptables pour de nombreuses applications. L’acier à faible teneur en carbone contient environ 0,05 à 0,25 % de carbone, ce qui le rend malléable et ductile. L’acier doux a une résistance à la traction relativement faible, mais il est bon marché et facile à former; la dureté de surface peut être augmentée par carburation.
Aciers moyennement carbonés. L’acier à moyenne teneur en carbone a une teneur en carbone d’environ 0,3 à 0,6 %. Équilibre la ductilité et la résistance et a une bonne résistance à l’usure. Cette nuance d’acier est principalement utilisée dans la production de composants de machines, d’arbres, d’essieux, d’engrenages, de vilebrequins, d’accouplements et de pièces forgées et pourrait également être utilisée dans les rails et les roues de chemin de fer.
Aciers à haute teneur en carbone. L’acier à haute teneur en carbone a une teneur en carbone d’environ 0,60 à 1,00 %. La dureté est plus élevée que les autres nuances mais la ductilité diminue. Les aciers à haute teneur en carbone pourraient être utilisés pour les ressorts, les câbles, les marteaux, les tournevis et les clés.
Acier à très haute teneur en carbone. L’acier à très haute teneur en carbone a une teneur en carbone d’environ 1,25 à 2,0 %. Aciers pouvant être trempés à grande dureté. Cette nuance d’acier pourrait être utilisée pour les produits en acier dur, tels que les ressorts de camion, les outils de coupe de métal et d’autres usages spéciaux tels que les couteaux, les essieux ou les poinçons (à usage non industriel). La plupart des aciers contenant plus de 2,5 % de carbone sont fabriqués à l’aide de la métallurgie des poudres.
Fers moulés
La fonte grise a également une excellente capacité d’amortissement, qui est donnée par le graphite car il absorbe l’énergie et la convertit en chaleur. Une grande capacité d’amortissement est souhaitable pour les matériaux utilisés dans les structures où des vibrations indésirables sont induites pendant le fonctionnement, telles que les bases de machines-outils ou les vilebrequins.
Dans l’ingénierie des matériaux, les fontes sont une classe d’alliages ferreux avec une teneur en carbone supérieure à 2,14 % en poids. En règle générale, les fontes contiennent de 2,14 % en poids à 4,0 % en poids de carbone et de 0,5 % en poids à 3 % en poids de silicium. Les alliages de fer à faible teneur en carbone sont connus sous le nom d’ acier. La différence est que les fontes peuvent profiter de la solidification eutectique dans le système binaire fer-carbone. Le terme eutectique est grec pour «fusion facile ou bien», et le point eutectique représente la composition sur le diagramme de phase où la température de fusion la plus basse est atteinte. Pour le système fer-carbone, le point eutectique se produit à une composition de 4,26 % en poids C et à une température de 1148 °C.
La fonte a donc un point de fusion plus bas (entre environ 1150 °C et 1300 °C) que l’acier traditionnel, ce qui la rend plus facile à couler que les aciers standards. En raison de sa grande fluidité lorsqu’il est fondu, le fer liquide remplit facilement des moules complexes et peut former des formes complexes. La plupart des applications nécessitent très peu de finition, de sorte que les fontes sont utilisées pour une grande variété de petites pièces ainsi que de grandes. C’est un matériau idéal pour le moulage au sable dans des formes complexes telles que les collecteurs d’échappement sans nécessiter d’usinage supplémentaire approfondi. De plus, certaines fontes sont très cassantes et la coulée est la technique de fabrication la plus pratique. Fers moulés sont devenus un matériau d’ingénierie avec une large gamme d’applications et sont utilisés dans les tuyaux, les machines et les pièces de l’industrie automobile, telles que les culasses, les blocs-cylindres et les carters de boîtes de vitesses. Il résiste aux dommages causés par l’oxydation.
Types de Fontes
Les fontes comprennent également une grande famille de fers différents, selon la façon dont la phase riche en carbone se forme lors de la solidification. La microstructure des fontes peut être contrôlée pour fournir des produits qui ont une excellente ductilité, une bonne usinabilité, un excellent amortissement des vibrations, une excellente résistance à l’usure et une bonne conductivité thermique. Avec un alliage approprié, la résistance à la corrosion des fontes peut égaler celle des aciers inoxydables et des alliages à base de nickel dans de nombreux services. Pour la plupart des fontes, le carbone existe sous forme de graphite, et la microstructure et le comportement mécanique dépendent de la composition et du traitement thermique. Les types de fonte les plus courants sont :
Fonte grise. La fonte grise est le type de fonte le plus ancien et le plus courant. La fonte grise se caractérise par sa microstructure graphitique, qui fait que les ruptures du matériau ont un aspect gris. Cela est dû à la présence de graphite dans sa composition. Dans la fonte grise, le graphite se présente sous forme de flocons, prenant une géométrie tridimensionnelle.
Fonte blanche. Les fontes blanches sont dures, cassantes et inusinables, tandis que les fontes grises à graphite plus tendre sont raisonnablement solides et usinables. Une surface de rupture de cet alliage a un aspect blanc et est donc appelée fonte blanche.
Fonte malléable. La fonte malléable est une fonte blanche qui a été recuite. Grâce à un traitement thermique de recuit, la structure fragile de la première coulée est transformée en une forme malléable. Par conséquent, sa composition est très similaire à celle de la fonte blanche, avec des quantités légèrement supérieures de carbone et de silicium.
Fonte ductile. La fonte ductile, également connue sous le nom de fonte nodulaire, est très similaire à la fonte grise dans sa composition, mais lors de la solidification, le graphite se nuclée sous forme de particules sphériques (nodules) dans la fonte ductile, plutôt que sous forme de flocons. La fonte ductile est plus solide et plus résistante aux chocs que la fonte grise. En effet, la fonte ductile a des caractéristiques mécaniques proches de celles de l’acier, tout en conservant une grande fluidité à la fusion et un point de fusion plus bas.
Propriétés de l’acier au carbone par rapport à la fonte
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 spécialiste 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 de l’acier au carbone par rapport à la fonte
La densité de l’ acier typique est de 8,05 g/cm3.
La densité de la fonte typique est de 7,03 g/cm3.
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 de l’acier au carbone par rapport à la fonte
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 de l’acier au carbone par rapport à la fonte
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’acier à faible teneur en carbone se situe entre 400 et 550 MPa.
La résistance à la traction ultime de l’acier à très haute teneur en carbone est de 1100 MPa.
La résistance à la traction ultime de la fonte grise (ASTM A48 classe 40) est de 295 MPa.
La résistance à la traction ultime de la fonte blanche martensitique (ASTM A532 Classe 1 Type A) est de 350 MPa.
Résistance à la traction ultime de la fonte malléable – ASTM A220 est de 580 MPa.
La résistance à la traction ultime de la fonte ductile – ASTM A536 – 60-40-18 est de 414 Mpa (>60 ksi).
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’acier à faible teneur en carbone est de 250 MPa.
La limite d’élasticité de l’acier à très haute teneur en carbone est de 800 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’acier à faible teneur en carbone est de 200 GPa.
Le module de Young de la fonte grise (ASTM A48 Classe 40) est de 124 GPa.
Le module de Young de la fonte blanche martensitique (ASTM A532 Classe 1 Type A) est de 175 GPa.
Le module de Young de la fonte malléable – ASTM A220 est de 172 GPa.
Le module de Young de la fonte ductile – ASTM A536 – 60-40-18 est de 170 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 de l’acier au carbone par rapport à la fonte
La dureté Brinell de l’acier à faible teneur en carbone est d’environ 120 MPa.
La dureté Brinell de l’acier à haute teneur en carbone est d’environ 200 MPa.
La dureté Brinell de la fonte grise (ASTM A48 classe 40) est d’environ 235 MPa.
La dureté Brinell de la fonte grise de la fonte blanche martensitique (ASTM A532 Classe 1 Type A) est d’environ 600 MPa.
La dureté Brinell de la fonte malléable – ASTM A220 est d’environ 250 MPa.
La dureté Brinell de la fonte ductile – ASTM A536 – 60-40-18 est d’environ 150 – 180 MPa.
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 de l’acier au carbone par rapport à la fonte
Les propriétés thermiques des matériaux font référence à la réponse des matériaux aux changements de leur thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/ »>température et à l’application de chaleur. Lorsqu’un solide absorbe de thermodynamics/what-is-energy-physics/ »>l’énergie sous forme de chaleur, sa température augmente et ses dimensions augmentent. Mais différents matériaux réagissent différemment à l’application de chaleur.
Point de fusion de l’acier au carbone par rapport à la fonte
Le point de fusion de l’acier à faible teneur en carbone est d’environ 1450 °C.
Le point de fusion de la fonte grise – Acier ASTM A48 est d’environ 1260 °C.
Le point de fusion de la fonte blanche martensitique (ASTM A532 Classe 1 Type A) est d’environ 1260 °C.
Le point de fusion de la fonte malléable – ASTM A220 est d’environ 1260 °C.
Le point de fusion de la fonte ductile – Acier ASTM A536 – 60-40-18 est d’environ 1150 °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 de l’acier au carbone par rapport à la fonte
La conductivité thermique de l’ acier typique est de 20 W/(mK).
La conductivité thermique de la fonte grise – ASTM A48 est de 53 W/(mK).
La conductivité thermique de la fonte blanche martensitique (ASTM A532 Classe 1 Type A) est de 15 à 30 W/(mK).
La conductivité thermique de la fonte malléable est d’environ 40 W/(mK).
La conductivité thermique de la fonte ductile est de 36 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.
Références :
Science des matériaux:
Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993. US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993. William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578. 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. Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3. 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. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.
Voir ci-dessus: Alliages
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Les métaux et alliages à bas point de fusion s’opposent en quelque sorte aux métaux réfractaires. Certains alliages à bas point de fusion peuvent être utilisés comme soudure, ils sont donc connus sous le nom d’alliages fusibles.
Les métaux et alliages à bas point de fusion s’opposent en quelque sorte aux métaux réfractaires. Certains alliages à bas point de fusion peuvent être utilisés comme soudure, ils sont donc connus sous le nom d’alliages fusibles. Un alliage fusible est un alliage métallique susceptible d’être facilement fondu, c’est-à-dire facilement fusible, à des températures relativement basses.
Brasure – Étain – Plomb Alliage eutectique
Le brasage est une technique d’assemblage de métaux à l’aide d’un alliage de métal d’apport dont la température de fusion est inférieure à environ 425 °C (800 °F). En raison de cette température plus basse et des différents alliages utilisés comme charges, la réaction métallurgique entre la charge et la pièce à usiner est minime, ce qui entraîne un joint plus faible. Dans l’assemblage électronique, l’alliage eutectique avec 63% d’étain et 37% de plomb (ou 60/40, qui est presque identique en point de fusion) a été l’alliage de choix. Cet alliage eutectique a un point de fusion inférieur à celui de l’étain ou du plomb.
L’étain est un constituant important des soudures car il mouille et adhère à de nombreux métaux de base courants à des températures considérablement inférieures à leurs points de fusion. De petites quantités de divers métaux, notamment l’antimoine et l’argent, sont ajoutées aux soudures étain-plomb pour augmenter leur résistance. La soudure 60-40 fournit des joints solides et fiables dans une variété de conditions environnementales. Il existe également des soudures à haute teneur en étain, qui sont utilisées pour assembler des pièces d’appareils électriques car leur conductivité électrique est supérieure à celle des soudures à haute teneur en plomb. Ces soudures sont également utilisées là où le plomb peut présenter un danger, par exemple au contact de l’eau potable ou des aliments.
Alliages de Plomb
Le plomb est un métal lourd plus dense que la plupart des matériaux courants. Le plomb est mou et malléable, et a un point de fusion relativement bas. Le plomb est largement utilisé comme écran gamma. Le principal avantage du blindage en plomb réside dans sa compacité en raison de sa densité plus élevée. Il a une résistance élevée à la corrosion, une malléabilité, des propriétés électriques inhabituelles et la capacité de former des alliages utiles. Les utilisations représentatives comprennent : un agent de protection contre les rayons X et le rayonnement gamma ; grilles moulées sous pression pour batteries; revêtements qui préparent les surfaces pour le brasage. D’autre part, le plomb est extrêmement toxique et pose certains risques environnementaux.
Le plomb forme une large gamme d’alliages à bas point de fusion et s’allie facilement avec l’étain dans toutes les proportions, formant les soudures étain-plomb largement utilisées dans l’industrie. Dans l’industrie nucléaire, le plomb et les alliages plomb-bismuth peuvent être utilisés comme caloporteur de réacteur.
Plomb et eutectique Plomb-Bismuth
Le plomb, l’eutectique plomb-bismuth et d’autres métaux ont également été proposés et parfois utilisés. Le réacteur rapide refroidi au plomb est une conception de réacteur nucléaire qui présente un spectre de neutrons rapides et un liquide de refroidissement eutectique au plomb fondu ou au plomb-bismuth . L’eutectique plomb-bismuth ou LBE est un alliage eutectique de plomb (44,5 %) et de bismuth (55,5 %). Le plomb fondu ou l’eutectique plomb-bismuth peut être utilisé comme fluide de refroidissement principal car le plomb et le bismuth ont une faible absorption des neutrons et des points de fusion relativement bas.
Les points de fusion et d’ébullition du plomb et du mélange eutectique plomb-bismuth sont:
Plomb
point de fusion – 327,5 °C
point d’ébullition – 1749 °C
Plomb-Bismuth – mélange eutectique
point de fusion – 123,5 °C
point d’ébullition – 1670 °C
Alliages de Zinc
Le zinc est un métal fragile et a un point de fusion relativement bas de 419 °C (787 °F), résiste à la corrosion, est ductile et malléable et est très soluble dans le cuivre. Le zinc et les alliages de zinc sont utilisés sous forme de revêtements, de pièces moulées, de tôles laminées, de fils tréfilés, de pièces forgées et d’extrusions. D’autres utilisations du zinc sont comme constituant majeur dans les alliages nickel-argent de laiton, le métal de machine à écrire, la soudure tendre et aluminium et le bronze commercial.
Les alliages de zinc avec de petites quantités de cuivre, d’aluminium et de magnésium sont utiles dans le moulage sous pression ainsi que dans le moulage par centrifugation, en particulier dans les industries de l’automobile, de l’électricité et de la quincaillerie. Les alliages de zinc ont des points de fusion bas, nécessitent un apport de chaleur relativement faible, ne nécessitent pas de fondant ou d’atmosphères protectrices. En raison de leur grande fluidité, les alliages de zinc peuvent être coulés dans des parois beaucoup plus minces que les autres alliages de moulage sous pression, et ils peuvent être coulés sous pression avec des tolérances dimensionnelles plus strictes. Ces alliages de zinc sont commercialisés sous le nom de Zamak. Le nom zamak est un acronyme des noms allemands des métaux dont sont composés les alliages : Zink (zinc), Aluminium, Magnésium et Kupfer (cuivre). Le bas point de fusion associé à la faible viscosité de l’alliage rend possible la production de formes petites et complexes.
Références :
Science des matériaux:
Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993. US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993. William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578. 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. Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3. 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. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.
Voir ci-dessus: Alliages
Nous espérons que cet article, Métaux à bas point de fusion – Alliages fusibles, vous aidera. Si oui, donnez-nous un like dans la barre latérale. L’objectif principal de ce site Web est d’aider le public à apprendre des informations intéressantes et importantes sur les matériaux et leurs propriétés.
L’acier doux a une résistance à la traction relativement faible, mais il est bon marché et facile à former. L’acier à carbone moyen équilibre la ductilité et la résistance et a une bonne résistance à l’usure. Pour l’acier à haute teneur en carbone, la dureté est supérieure à celle des autres nuances, mais la ductilité diminue.
Aciers
Les aciers sont des alliages fer-carbone qui peuvent contenir des concentrations appréciables d’autres éléments d’alliage. L’ajout d’une petite quantité de carbone non métallique au fer échange sa grande ductilité contre une plus grande ductilité. En raison de sa très haute résistance, mais toujours d’une ténacité substantielle, et sa capacité à être fortement altérée par le traitement thermique, l’acier est l’un des alliages ferreux les plus utiles et les plus courants dans l’utilisation moderne. Il existe des milliers d’alliages qui ont des compositions et/ou des traitements thermiques différents. Les propriétés mécaniques sont sensibles à la teneur en carbone, qui est normalement inférieure à 1,0 % en poids. Selon la classification AISI, l’acier au carbone est divisé en quatre classes basées sur la teneur en carbone.
Types d’aciers – Classification basée sur la composition
Les applications typiques de l’acier à faible teneur en carbone comprennent les composants de carrosserie automobile, les formes structurelles (par exemple, les poutres en I, les profilés en U et les cornières) et les tôles utilisées dans les pipelines et les bâtiments.
Aciers bas carbone. L’acier à faible teneur en carbone, également connu sous le nom d’acier doux, est désormais la forme d’acier la plus courante car son prix est relativement bas alors qu’il offre des propriétés matérielles acceptables pour de nombreuses applications. L’acier à faible teneur en carbone contient environ 0,05 à 0,25 % de carbone, ce qui le rend malléable et ductile. L’acier doux a une résistance à la traction relativement faible, mais il est bon marché et facile à former; la dureté de surface peut être augmentée par carburation. Les applications typiques incluent les composants de carrosserie automobile, les formes structurelles (par exemple, les poutres en I, les profilés en U et les cornières) et les tôles utilisées dans les pipelines, les bâtiments. Par exemple, l’acier A36 est un acier de construction courant aux États-Unis. Les tôles d’acier à faible teneur en carbone utilisées pour les applications de carrosserie automobile, par exemple, sont soumises à une variété d’opérations de formage, y compris l’emboutissage profond. Les microstructures sont constituées de ferrite et de perlite. En conséquence, ces alliages sont relativement mous et faibles mais ont une ductilité et une ténacité exceptionnelles. De plus, ils sont usinables, soudables et, de tous les aciers, sont les moins chers à produire. La densité de ce métal est de 7861,093 kg/m³ (0,284 lb/in³) et la résistance à la traction est au maximum de 500 MPa (72500 psi).
Aciers moyennement carbonés. L’acier à moyenne teneur en carbone a une teneur en carbone d’environ 0,3 à 0,6 %. Ces alliages peuvent être traités thermiquement par austénitisation, trempe puis revenu pour améliorer leurs propriétés mécaniques. Ils sont le plus souvent utilisés à l’état trempé, ayant des microstructures de martensite trempée. L’acier à carbone moyen équilibre la ductilité et la résistance et a une bonne résistance à l’usure. Cette nuance d’acier est principalement utilisée dans la production de composants de machines, d’arbres, d’essieux, d’engrenages, de vilebrequins, d’accouplements et de pièces forgées, peut également être utilisée dans les rails et les roues de chemin de fer et d’autres pièces de machines et composants structurels à haute résistance nécessitant une combinaison de haute résistance, résistance à l’usure et ténacité. Par exemple, un L’acier 1040 est un acier ordinaire au carbone contenant 0,40 % en poids de C. Les utilisations typiques de ce type d’acier comprennent les boulons de machine, de charrue et de carrosserie, les fils de ligature, les goujons de culasse et les pièces usinées, les boulons en U, les tiges de renforcement du béton, les pièces forgées.
Aciers à haute teneur en carbone. L’acier à haute teneur en carbone a une teneur en carbone d’environ 0,60 à 1,00 %. La dureté est plus élevée que les autres nuances mais la ductilité diminue. Ils sont presque toujours utilisés dans un état trempé et revenu et, en tant que tels, sont particulièrement résistants à l’usure et capables de maintenir un tranchant tranchant. Par conséquent, les aciers à haute teneur en carbone pourraient être utilisés pour les ressorts, les câbles, les marteaux, les tournevis, les clés et les couteaux. La série 10xx (par exemple l’acier 1095) est le choix le plus populaire pour l’acier au carbone utilisé dans les couteaux ainsi que les katanas. Acier au carbone AISI 1095 est cassant et a une dureté et une résistance élevées. L’acier 1095, lorsqu’il est utilisé dans les couteaux, a un bon tranchant et est très facile à affûter. Cependant, les propriétés de ce type d’acier lui donnent une tendance à rouiller facilement s’il n’est pas huilé et délibérément entretenu.
Aciers à très haute teneur en carbone. L’acier à très haute teneur en carbone a une teneur en carbone d’environ 1,25 à 2,0 %. Aciers pouvant être trempés à grande dureté. Cette nuance d’acier pourrait être utilisée pour les produits en acier dur, tels que les ressorts de camion, les outils de coupe de métal et d’autres usages spéciaux tels que les couteaux, les essieux ou les poinçons (à usage non industriel). La plupart des aciers contenant plus de 2,5 % de carbone sont fabriqués à l’aide de la métallurgie des poudres.
Propriétés de l’acier doux par rapport à l’acier moyen ou à haute teneur en carbone
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 spécialiste 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 de l’acier doux vs moyen vs acier à haute teneur en carbone
La densité de l’ acier typique est de 8,05 g/cm3.
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/cm 3 ) 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 de l’acier doux vs moyen vs acier à haute teneur en carbone
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 de l’acier doux par rapport à l’acier moyen ou à haute teneur en carbone
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’acier à faible teneur en carbone se situe entre 400 et 550 MPa.
La résistance à la traction ultime de l’acier à très haute teneur en carbone est de 1100 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’acier à faible teneur en carbone est de 250 MPa.
La limite d’élasticité de l’acier à très haute teneur en carbone est de 800 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’acier à faible teneur en carbone est de 200 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 de l’acier doux vs moyen vs acier à haute teneur en carbone
La dureté Brinell de l’acier à faible teneur en carbone est d’environ 120 MPa.
La dureté Brinell de l’acier à haute teneur en carbone est d’environ 200 MPa.
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 de l’acier doux par rapport à l’acier moyen ou à haute teneur en carbone
Les propriétés thermiques des matériaux font référence à la réponse des matériaux aux changements de leur thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/ »>température et à l’application de chaleur. Lorsqu’un solide absorbe de thermodynamics/what-is-energy-physics/ »>l’énergie sous forme de chaleur, sa température augmente et ses dimensions augmentent. Mais différents matériaux réagissent différemment à l’application de chaleur.
Point de fusion de l’acier doux vs moyen vs acier à haute teneur en carbone
Le point de fusion de l’acier à faible teneur en carbone est d’environ 1450 °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 de l’acier doux vs moyen vs acier à haute teneur en carbone
La conductivité thermique de l’ acier typique est de 20 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.
Références :
Science des matériaux:
Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993. US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993. William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578. 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. Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3. 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. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.
Voir ci-dessus: Alliages
Nous espérons que cet article, Acier doux vs acier moyen vs acier à haute teneur en carbone – Comparaison – Avantages et inconvénients, vous aidera. Si oui, donnez-nous un like dans la barre latérale. L’objectif principal de ce site Web est d’aider le public à apprendre des informations intéressantes et importantes sur les matériaux et leurs propriétés.
su_quote ]L’acier est un alliage de fer et de carbone, mais le terme acier allié ne fait généralement référence qu’aux aciers contenant d’autres éléments, tels que le vanadium, le molybdène ou le cobalt, en quantités suffisantes pour modifier les propriétés de l’acier de base. En général, l’acier allié est un acier qui est allié avec une variété d’éléments dans des quantités totales comprises entre 1,0 % et 50 % en poids pour améliorer ses propriétés mécaniques.[/su_quote]
Acier Carbone
Les aciers au carbone sont des alliages fer-carbone qui peuvent contenir des concentrations appréciables d’autres éléments d’alliage. Les aciers au carbone simples sont des alliages fer-carbone dans lesquels les propriétés sont principalement dérivées de la présence de carbone. Certains éléments accessoires comme le manganèse, le silicium, le soufre et le phosphore sont présents en faible quantité en raison du mode de fabrication des aciers et non pour en modifier les propriétés mécaniques. L’ajout d’une petite quantité de carbone non métallique au fer échange sa grande ductilité contre une plus grande résistance. En raison de sa très haute résistance, mais toujours d’une ténacité substantielle, et de sa capacité à être fortement altérée par un traitement thermique, l’acier est l’un des alliages ferreux les plus utiles et les plus courants dans l’utilisation moderne. Il existe des milliers d’alliages qui ont des compositions et/ou des traitements thermiques différents. Les propriétés mécaniques sont sensibles à la teneur en carbone, qui est normalement inférieure à 1,0 % en poids. Selon la classification AISI, l’acier au carbone est divisé en quatre classes en fonction de la teneur en carbone:
Aciers bas carbone. L’acier à faible teneur en carbone, également connu sous le nom d’acier doux, est désormais la forme d’acier la plus courante car son prix est relativement bas alors qu’il offre des propriétés matérielles acceptables pour de nombreuses applications. L’acier à faible teneur en carbone contient environ 0,05 à 0,25 % de carbone, ce qui le rend malléable et ductile. L’acier doux a une résistance à la traction relativement faible, mais il est bon marché et facile à former; la dureté de surface peut être augmentée par carburation.
Aciers moyennement carbonés. L’acier à moyenne teneur en carbone a une teneur en carbone d’environ 0,3 à 0,6 %. Équilibre la ductilité et la résistance et a une bonne résistance à l’usure. Cette nuance d’acier est principalement utilisée dans la production de composants de machines, d’arbres, d’essieux, d’engrenages, de vilebrequins, d’accouplements et de pièces forgées et pourrait également être utilisée dans les rails et les roues de chemin de fer.
Aciers à haute teneur en carbone. L’acier à haute teneur en carbone a une teneur en carbone d’environ 0,60 à 1,00 %. La dureté est plus élevée que les autres nuances mais la ductilité diminue. Les aciers à haute teneur en carbone pourraient être utilisés pour les ressorts, les câbles, les marteaux, les tournevis et les clés.
Acier à très haute teneur en carbone. L’acier à très haute teneur en carbone a une teneur en carbone d’environ 1,25 à 2,0 %. Aciers pouvant être trempés à grande dureté. Cette nuance d’acier pourrait être utilisée pour les produits en acier dur, tels que les ressorts de camion, les outils de coupe de métal et d’autres usages spéciaux tels que les couteaux, les essieux ou les poinçons (à usage non industriel). La plupart des aciers contenant plus de 2,5 % de carbone sont fabriqués à l’aide de la métallurgie des poudres.
Aciers Alliés
L’acier est un alliage de fer et de carbone, mais le terme acier allié ne fait généralement référence qu’aux aciers contenant d’autres éléments, tels que le vanadium, le molybdène ou le cobalt, en quantités suffisantes pour modifier les propriétés de l’acier de base. En général, l’ acier allié est un acier qui est allié avec une variété d’éléments en quantités totales comprises entre 1,0 % et 50 % en poids pour améliorer ses propriétés mécaniques. Les aciers inoxydables sont un groupe spécifique d’aciers fortement alliés, qui contiennent un minimum de 11 % de chrome en masse et un maximum de 1,2 % de carbone en masse. Les aciers alliés sont répartis en deux groupes :
Aciers faiblement alliés. Les aciers faiblement alliés constituent une catégorie de matériaux ferreux qui présentent des propriétés mécaniques supérieures aux aciers au carbone ordinaires résultant d’ajouts d’éléments d’alliage tels que le nickel, le chrome et le molybdène, le manganèse et le silicium. Le rôle des éléments d’alliage est d’ augmenter la trempabilité afin d’optimiser les propriétés mécaniques et la ténacité après traitement thermique. Dans certains cas, cependant, des ajouts d’alliages sont utilisés pour réduire la dégradation de l’environnement dans certaines conditions de service spécifiées.
Aciers fortement alliés. Les aciers avec un alliage supérieur à 5 % en poids sont généralement classés comme aciers fortement alliés. Les aciers inoxydables sont les principaux types d’aciers fortement alliés, mais deux autres types sont les aciers au nickel-cobalt à très haute résistance et les aciers maraging. Les aciers inoxydables sont définis comme des aciers fortement alliés à faible teneur en carbone contenant au moins 10,5 % de chrome avec ou sans autres éléments d’alliage.
Acier 41xx – Acier Chromoly – Aciers à très haute résistance à moyenne teneur en carbone
L’acier chromoly est un acier faiblement allié à très haute résistance et à teneur moyenne en carbone qui tire son nom d’une combinaison des mots «chrome» et «molybdène» – deux des principaux éléments d’alliage. L’acier chromoly est souvent utilisé lorsqu’une plus grande résistance est requise que celle de l’acier au carbone doux, bien que son coût soit souvent plus élevé. Le chromoly relève des désignations d’acier AISI 41xx (ASTM A519). Les exemples d’applications pour 4130, 4140 et 4145 incluent les tubes structuraux, les cadres de vélo, les vilebrequins, les maillons de chaîne, les colliers de forage, les bouteilles de gaz pour le transport de gaz sous pression, les pièces d’armes à feu, les composants d’embrayage et de volant d’inertie et les cages de sécurité.
Propriétés de l’acier au carbone par rapport à l’acier allié
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 spécialiste 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 de l’acier au carbone par rapport à l’acier allié
La densité de l’ acier typique est de 8,05 g/cm3.
La densité de l’ acier allié typique est de 7,85 g/cm3 (4150 Chromoly).
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 de l’acier au carbone par rapport à l’acier allié
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 de l’acier au carbone par rapport à l’acier allié
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’acier à faible teneur en carbone se situe entre 400 et 550 MPa.
La résistance à la traction ultime de l’acier à très haute teneur en carbone est de 1100 MPa.
La résistance à la traction ultime de l’acier 41xx – l’acier chromoly dépend de certaines nuances, mais elle est d’environ 700 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’acier à faible teneur en carbone est de 250 MPa.
La limite d’élasticité de l’acier à très haute teneur en carbone est de 800 MPa.
La limite d’élasticité de l’acier 41xx – l’acier chromoly dépend de certaines nuances, mais elle est d’environ 500 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’acier à faible teneur en carbone est de 200 GPa.
Le module de Young acier 41xx – acier chromoly est de 205 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 de l’acier au carbone par rapport à l’acier allié
La dureté Brinell de l’acier à faible teneur en carbone est d’environ 120 MPa.
La dureté Brinell de l’acier à haute teneur en carbone est d’environ 200 MPa.
La dureté Brinell de l’acier 41xx – acier chromoly est d’environ 200 MPa.
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 de l’acier au carbone par rapport à l’acier allié
Les propriétés thermiques des matériaux font référence à la réponse des matériaux aux changements de leur thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/ »>température et à l’application de chaleur. Lorsqu’un solide absorbe de thermodynamics/what-is-energy-physics/ »>l’énergie sous forme de chaleur, sa température augmente et ses dimensions augmentent. Mais différents matériaux réagissent différemment à l’application de chaleur.
Point de fusion de l’acier au carbone par rapport à l’acier allié
Le point de fusion de l’acier à faible teneur en carbone est d’environ 1450 °C.
Le point de fusion de l’acier 41xx – acier chromoly est d’environ 1427 °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 de l’acier au carbone par rapport à l’acier allié
La conductivité thermique de l’ acier typique est de 20 W/(mK).
La conductivité thermique de l’acier 41xx – acier chromoly est d’environ 41 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.
Références :
Science des matériaux:
Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993. US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993. William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578. 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. Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3. 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. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.
Voir ci-dessus: Alliages
Nous espérons que cet article, Acier au carbone vs acier allié – Comparaison – Avantages et inconvénients, vous aidera. Si oui, donnez-nous un like dans la barre latérale. L’objectif principal de ce site Web est d’aider le public à apprendre des informations intéressantes et importantes sur les matériaux et leurs propriétés.
Les aciers sont des alliages fer-carbone qui peuvent contenir des concentrations appréciables d’autres éléments d’alliage. Le pourcentage de carbone détermine le type d’alliage ferreux : fer, acier ou fonte. La fonte est devenue un matériau d’ingénierie avec une large gamme d’applications et est utilisée dans les tuyaux, les machines et les pièces de l’industrie automobile.
Dans la figure, il y a le diagramme de phase fer-carbure de fer (Fe-Fe3C). Le pourcentage de carbone présent et la température définissent la phase de l’alliage fer-carbone et donc ses caractéristiques physiques et ses propriétés mécaniques. Le pourcentage de carbone détermine le type d’alliage ferreux: fer, acier ou fonte. Source: wikipedia.org Läpple, Volker – Wärmebehandlung des Stahls Grundlagen. Licence: CC BY-SA 4.0
Comme on peut le voir sur la figure, le pourcentage de carbone présent et la température définissent la phase de l’alliage fer-carbone et donc ses caractéristiques physiques et ses propriétés mécaniques. Le pourcentage de carbone détermine le type d’alliage ferreux: fer, acier au carbone ou fonte.
Aciers
Les aciers sont des alliages fer-carbone qui peuvent contenir des concentrations appréciables d’autres éléments d’alliage. L’ajout d’une petite quantité de carbone non métallique au fer échange sa grande ductilité contre une plus grande résistance. En raison de sa très haute résistance, mais toujours d’une ténacité substantielle, et sa capacité à être fortement altérée par le traitement thermique, l’acier est l’un des alliages ferreux les plus utiles et les plus courants dans l’utilisation moderne. Il existe des milliers d’alliages qui ont des compositions et/ou des traitements thermiques différents. Les propriétés mécaniques sont sensibles à la teneur en carbone, qui est normalement inférieure à 1,0 % en poids. Selon la classification AISI, l’acier au carbone est divisé en quatre classes basées sur la teneur en carbone.
Types d’aciers – Classification basée sur la composition
Les applications typiques de l’acier à faible teneur en carbone comprennent les composants de carrosserie automobile, les formes structurelles (par exemple, les poutres en I, les profilés en U et les cornières) et les tôles utilisées dans les pipelines et les bâtiments.
Acier. Les aciers sont des alliages fer-carbone qui peuvent contenir des concentrations appréciables d’autres éléments d’alliage. L’ajout d’une petite quantité de carbone non métallique au fer échange sa grande ductilité contre une plus grande résistance. En raison de sa très haute résistance, mais toujours d’une ténacité substantielle, et de sa capacité à être fortement altérée par le traitement thermique, l’acier est l’un des alliages ferreux les plus utiles et les plus courants dans l’utilisation moderne. Il existe des milliers d’alliages qui ont des compositions et/ou des traitements thermiques différents. Les propriétés mécaniques sont sensibles à la teneur en carbone, qui est normalement inférieure à 1,0 % en poids. Selon la classification AISI, l’acier au carbone est divisé en quatre classes en fonction de la teneur en carbone:
Aciers bas carbone. L’acier à faible teneur en carbone, également connu sous le nom d’acier doux, est désormais la forme d’acier la plus courante car son prix est relativement bas alors qu’il offre des propriétés matérielles acceptables pour de nombreuses applications. L’acier à faible teneur en carbone contient environ 0,05 à 0,25 % de carbone, ce qui le rend malléable et ductile. L’acier doux a une résistance à la traction relativement faible, mais il est bon marché et facile à former; la dureté de surface peut être augmentée par carburation.
Aciers moyennement carbonés. L’acier à moyenne teneur en carbone a une teneur en carbone d’environ 0,3 à 0,6 %. Équilibre la ductilité et la résistance et a une bonne résistance à l’usure. Cette nuance d’acier est principalement utilisée dans la production de composants de machines, d’arbres, d’essieux, d’engrenages, de vilebrequins, d’accouplements et de pièces forgées et pourrait également être utilisée dans les rails et les roues de chemin de fer.
Aciers à haute teneur en carbone. L’acier à haute teneur en carbone a une teneur en carbone d’environ 0,60 à 1,00 %. La dureté est plus élevée que les autres nuances mais la ductilité diminue. Les aciers à haute teneur en carbone pourraient être utilisés pour les ressorts, les câbles, les marteaux, les tournevis et les clés.
Aciers à très haute teneur en carbone. L’acier à très haute teneur en carbone a une teneur en carbone d’environ 1,25 à 2,0 %. Aciers pouvant être trempés à grande dureté. Cette nuance d’acier pourrait être utilisée pour les produits en acier dur, tels que les ressorts de camion, les outils de coupe de métal et d’autres usages spéciaux tels que les couteaux, les essieux ou les poinçons (à usage non industriel). La plupart des aciers contenant plus de 2,5 % de carbone sont fabriqués à l’aide de la métallurgie des poudres.
Aciers alliés. L’acier est un alliage de fer et de carbone, mais le terme acier allié ne fait généralement référence qu’aux aciers contenant d’autres éléments, tels que le vanadium, le molybdène ou le cobalt, en quantités suffisantes pour modifier les propriétés de l’acier de base. En général, l’acier allié est un acier qui est allié avec une variété d’éléments dans des quantités totales comprises entre 1,0 % et 50 % en poids pour améliorer ses propriétés mécaniques. Les aciers alliés sont répartis en deux groupes:
Aciers faiblement alliés.
Aciers fortement alliés.
Acier inoxydable. Les aciers inoxydables sont définis comme des aciers à faible teneur en carbone contenant au moins 10 % de chrome avec ou sans autres éléments d’alliage. La solidité et la résistance à la corrosion en font souvent le matériau de choix dans les équipements de transport et de traitement, les pièces de moteur et les armes à feu. Le chrome augmente la dureté, la résistance et la résistance à la corrosion. Le nickel offre des avantages similaires mais ajoute de la dureté sans sacrifier la ductilité et la ténacité. Il réduit également la dilatation thermique pour une meilleure stabilité dimensionnelle.
Fers moulés
La fonte grise a également une excellente capacité d’amortissement, qui est donnée par le graphite car il absorbe l’énergie et la convertit en chaleur. Une grande capacité d’amortissement est souhaitable pour les matériaux utilisés dans les structures où des vibrations indésirables sont induites pendant le fonctionnement, telles que les bases de machines-outils ou les vilebrequins.
Dans l’ingénierie des matériaux, les fontes sont une classe d’alliages ferreux avec une teneur en carbone supérieure à 2,14 % en poids. En règle générale, les fontes contiennent de 2,14 % en poids à 4,0 % en poids de carbone et de 0,5 % en poids à 3 % en poids de silicium. Les alliages de fer à faible teneur en carbone sont connus sous le nom d’ acier. La différence est que les fontes peuvent profiter de la solidification eutectique dans le système binaire fer-carbone. Le terme eutectique est grec pour «fusion facile ou bien», et le point eutectique représente la composition sur le diagramme de phase où la température de fusion la plus basse est atteinte. Pour le système fer-carbone, le point eutectique se produit à une composition de 4,26 % en poids C et à une température de 1148 °C.
La fonte a donc un point de fusion plus bas (entre environ 1150 °C et 1300 °C) que l’acier traditionnel, ce qui la rend plus facile à couler que les aciers standards. En raison de sa grande fluidité lorsqu’il est fondu, le fer liquide remplit facilement des moules complexes et peut former des formes complexes. La plupart des applications nécessitent très peu de finition, de sorte que les fontes sont utilisées pour une grande variété de petites pièces ainsi que de grandes. C’est un matériau idéal pour le moulage au sable dans des formes complexes telles que les collecteurs d’échappement sans nécessiter d’usinage supplémentaire approfondi. De plus, certaines fontes sont très cassantes et la coulée est la technique de fabrication la plus pratique. Fers moulés sont devenus un matériau d’ingénierie avec une large gamme d’applications et sont utilisés dans les tuyaux, les machines et les pièces de l’industrie automobile, telles que les culasses, les blocs-cylindres et les carters de boîtes de vitesses. Il résiste aux dommages causés par l’oxydation.
Types de fontes
Les fontes comprennent également une grande famille de fers différents, selon la façon dont la phase riche en carbone se forme lors de la solidification. La microstructure des fontes peut être contrôlée pour fournir des produits qui ont une excellente ductilité, une bonne usinabilité, un excellent amortissement des vibrations, une excellente résistance à l’usure et une bonne conductivité thermique. Avec un alliage approprié, la résistance à la corrosion des fontes peut égaler celle des aciers inoxydables et des alliages à base de nickel dans de nombreux services. Pour la plupart des fontes, le carbone existe sous forme de graphite, et la microstructure et le comportement mécanique dépendent de la composition et du traitement thermique. Les types de fonte les plus courants sont:
Fonte grise. La fonte grise est le type de fonte le plus ancien et le plus courant. La fonte grise se caractérise par sa microstructure graphitique, qui fait que les ruptures du matériau ont un aspect gris. Cela est dû à la présence de graphite dans sa composition. Dans la fonte grise, le graphite se présente sous forme de flocons, prenant une géométrie tridimensionnelle.
Fonte blanche. Les fontes blanches sont dures, cassantes et inusinables, tandis que les fontes grises à graphite plus tendre sont raisonnablement solides et usinables. Une surface de rupture de cet alliage a un aspect blanc et est donc appelée fonte blanche.
Fonte malléable. La fonte malléable est une fonte blanche qui a été recuite. Grâce à un traitement thermique de recuit, la structure fragile de la première coulée est transformée en une forme malléable. Par conséquent, sa composition est très similaire à celle de la fonte blanche, avec des quantités légèrement supérieures de carbone et de silicium.
Fonte ductile. La fonte ductile, également connue sous le nom de fonte nodulaire, est très similaire à la fonte grise dans sa composition, mais lors de la solidification, le graphite se nuclée sous forme de particules sphériques (nodules) dans la fonte ductile, plutôt que sous forme de flocons. La fonte ductile est plus solide et plus résistante aux chocs que la fonte grise. En effet, la fonte ductile a des caractéristiques mécaniques proches de celles de l’acier, tout en conservant une grande fluidité à la fusion et un point de fusion plus bas.
Propriétés de l’acier par rapport au fer
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 spécialiste 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 de l’acier par rapport au fer
La densité de l’ acier typique est de 8,05 g/cm3.
La densité de la fonte typique est de 7,03 g/cm3.
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 de l’acier par rapport au fer
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 de l’acier contre le fer
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’acier à faible teneur en carbone se situe entre 400 et 550 MPa.
La résistance à la traction ultime de l’acier à très haute teneur en carbone est de 1100 MPa.
La résistance à la traction ultime de la fonte grise (ASTM A48 classe 40) est de 295 MPa.
La résistance à la traction ultime de la fonte blanche martensitique (ASTM A532 Classe 1 Type A) est de 350 MPa.
Résistance à la traction ultime de la fonte malléable – ASTM A220 est de 580 MPa.
La résistance à la traction ultime de la fonte ductile – ASTM A536 – 60-40-18 est de 414 Mpa (>60 ksi).
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’acier à faible teneur en carbone est de 250 MPa.
La limite d’élasticité de l’acier à très haute teneur en carbone est de 800 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’acier à faible teneur en carbone est de 200 GPa.
Le module de Young de la fonte grise (ASTM A48 Classe 40) est de 124 GPa.
Le module de Young de la fonte blanche martensitique (ASTM A532 Classe 1 Type A) est de 175 GPa.
Le module de Young de la fonte malléable – ASTM A220 est de 172 GPa.
Le module de Young de la fonte ductile – ASTM A536 – 60-40-18 est de 170 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 de l’acier par rapport au fer
La dureté Brinell de l’acier à faible teneur en carbone est d’environ 120 MPa.
La dureté Brinell de l’acier à haute teneur en carbone est d’environ 200 MPa.
La dureté Brinell de la fonte grise (ASTM A48 classe 40) est d’environ 235 MPa.
La dureté Brinell de la fonte grise de la fonte blanche martensitique (ASTM A532 Classe 1 Type A) est d’environ 600 MPa.
La dureté Brinell de la fonte malléable – ASTM A220 est d’environ 250 MPa.
La dureté Brinell de la fonte ductile – ASTM A536 – 60-40-18 est d’environ 150 – 180 MPa.
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 de l’acier par rapport au fer
Les propriétés thermiques des matériaux font référence à la réponse des matériaux aux changements de leur thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/ »>température et à l’application de chaleur. Lorsqu’un solide absorbe de thermodynamics/what-is-energy-physics/ »>l’énergie sous forme de chaleur, sa température augmente et ses dimensions augmentent. Mais différents matériaux réagissent différemment à l’application de chaleur.
Le point de fusion de l’acier à faible teneur en carbone est d’environ 1450 °C.
Le point de fusion de la fonte grise – Acier ASTM A48 est d’environ 1260 °C.
Le point de fusion de la fonte blanche martensitique (ASTM A532 Classe 1 Type A) est d’environ 1260 °C.
Le point de fusion de la fonte malléable – ASTM A220 est d’environ 1260 °C.
Le point de fusion de la fonte ductile – Acier ASTM A536 – 60-40-18 est d’environ 1150 °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 de l’acier par rapport au fer
La conductivité thermique de l’ acier typique est de 20 W/(mK).
La conductivité thermique de la fonte grise – ASTM A48 est de 53 W/(mK).
La conductivité thermique de la fonte blanche martensitique (ASTM A532 Classe 1 Type A) est de 15 à 30 W/(mK).
La conductivité thermique de la fonte malléable est d’environ 40 W/(mK).
La conductivité thermique de la fonte ductile est de 36 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.
Références :
Science des matériaux:
Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993.
US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
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.
Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
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.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.
Voir ci-dessus:
Alliages
Nous espérons que cet article, Acier vs Fer – Comparaison – Avantages et inconvénients, vous aidera. Si oui, donnez-nous un like dans la barre latérale. L’objectif principal de ce site Web est d’aider le public à apprendre des informations intéressantes et importantes sur les matériaux et leurs propriétés.
Les alliages anticorrosion, comme leur nom l’indique, sont des alliages à résistance à la corrosion renforcée. Certains métaux et alliages ferreux et de nombreux non ferreux sont largement utilisés dans les environnements corrosifs. Dans tous les cas, cela dépend fortement de certains environnements et d’autres conditions. Les alliages résistants à la corrosion sont utilisés pour les canalisations d’eau et de nombreuses applications chimiques et industrielles. Dans le cas des alliages ferreux, on parle d’aciers inoxydables et dans une certaine mesure de fontes. Mais certains alliages non ferreux résistant à la corrosion présentent une résistance à la corrosion remarquable et peuvent donc être utilisés à de nombreuses fins spéciales. Il existe deux raisons principales pour lesquelles les matériaux non ferreux sont préférés aux aciers et aux aciers inoxydables pour bon nombre de ces applications. Par exemple, bon nombre desles métaux et alliages non ferreux possèdent une résistance à la corrosion beaucoup plus élevée que les aciers alliés et les nuances d’acier inoxydable disponibles. Deuxièmement, un rapport résistance/poids élevé ou une conductivité thermique et électrique élevée peut fournir un avantage distinct par rapport à un alliage ferreux.
Nickel. Le nickel est un métal brillant blanc argenté avec une légère teinte dorée. Le nickel est l’un des éléments d’alliage les plus courants. Environ 65 % de la production de nickel est utilisée dans les aciers inoxydables. Étant donné que le nickel ne forme aucun composé de carbure dans l’acier, il reste en solution dans la ferrite, renforçant et durcissant ainsi la phase de ferrite. Les aciers au nickel sont facilement traités thermiquement car le nickel réduit la vitesse de refroidissement critique. Alliages à base de nickel (par exemple les alliages Fe-Cr-Ni(Mo)) présentent une excellente ductilité et ténacité, même à des niveaux de résistance élevés et ces propriétés sont conservées jusqu’à de basses températures. Le nickel et ses alliages sont très résistants à la corrosion dans de nombreux environnements, notamment ceux qui sont basiques (alcalins). Le nickel réduit également la dilatation thermique pour une meilleure stabilité dimensionnelle. Le nickel est l’élément de base des superalliages. Ces métaux ont une excellente résistance à la déformation par fluage thermique et conservent leur rigidité, leur résistance, leur ténacité et leur stabilité dimensionnelle à des températures beaucoup plus élevées que les autres matériaux de structure aérospatiaux. Par exemple, Inconel est une marque déposée de Special Metals pour une famille de superalliages austénitiques à base de nickel-chrome. L’Inconel 718 est un superalliage à base de nickel qui possède des propriétés de haute résistance et une résistance aux températures élevées. Il démontre également une protection remarquable contre la corrosion et l’oxydation. Ils ont été initialement développés pour être utilisés dans les turbocompresseurs de moteurs à pistons d’avions. Aujourd’hui, l’application la plus courante concerne les composants de turbines d’avions, qui doivent résister à une exposition à des environnements fortement oxydants et à des températures élevées pendant des périodes de temps raisonnables.
