Nick Connor

Alliages de Magnésium

Le magnésium pur est un solide gris brillant qui ressemble physiquement aux cinq autres éléments de la deuxième colonne (groupe 2 ou métaux alcalino-terreux) du tableau périodique.

Les alliages de magnésium sont des mélanges de magnésium et d’autres métaux d’alliage, généralement de l’aluminium, du zinc, du silicium, du manganèse, du cuivre et du zirconium. Étant donné que la caractéristique la plus remarquable du magnésium est sa densité, 1,7 g/cm³, ses alliages sont utilisés lorsque la légèreté est une considération importante (par exemple, dans les composants d’avions). Le magnésium a le point de fusion le plus bas (923 K (1202 °F)) de tous les métaux alcalino-terreux. Le magnésium pur a une structure cristalline HCP, est relativement mou et a un faible module élastique : 45 GPa. Les alliages de magnésium ont également une structure de réseau hexagonale, ce qui affecte les propriétés fondamentales de ces alliages. À température ambiante, le magnésium et ses alliages sont difficiles à travailler à froid en raison du fait que la déformation plastique du réseau hexagonal est plus compliquée que dans les métaux à réseau cubique comme l’aluminium, le cuivre et l’acier. Par conséquent, les alliages de magnésium sont généralement utilisés comme alliages coulés. Malgré la nature réactive de la poudre de magnésium pur, le magnésium métal et ses alliages ont une bonne résistance à la corrosion.

L’aluminium est l’élément d’alliage le plus courant. L’aluminium, le zinc, le zirconium et le thorium favorisent le durcissement par précipitation : le manganèse améliore la résistance à la corrosion; et l’étain améliore la coulabilité.

Nous devons ajouter que le magnésium pur est hautement inflammable, en particulier lorsqu’il est réduit en poudre ou réduit en fines lamelles, bien qu’il soit difficile de s’enflammer en masse ou en vrac. Il produit une lumière blanche intense et brillante lorsqu’il brûle. Les températures de flamme du magnésium et de certains alliages de magnésium peuvent atteindre 3 100 °C. Le magnésium brûlant ou fondu réagit violemment avec l’eau. Une fois allumés, ces incendies sont difficiles à éteindre, car la combustion se poursuit dans l’azote (formant du nitrure de magnésium), du dioxyde de carbone (formant de l’oxyde de magnésium et du carbone) et de l’eau. Le magnésium en combustion peut être éteint à l’aide d’un extincteur à poudre chimique de classe D. Son inflammabilité est fortement réduite par une petite quantité de calcium dans l’alliage.

Utilisations des alliages de magnésium – Application

Les alliages de magnésium sont utilisés dans une grande variété d’applications structurelles et non structurelles. Les applications structurelles incluent les équipements automobiles, industriels, de manutention, commerciaux et aérospatiaux. Les alliages de magnésium sont utilisés pour les pièces qui fonctionnent à des vitesses élevées et doivent donc être légers pour minimiser les forces d’inertie. Les applications commerciales comprennent les outils portatifs, les ordinateurs portables, les bagages et les échelles, les automobiles (par exemple, les volants et les colonnes, les cadres de siège, les boîtiers de transmission). Magnox (alliage), dont le nom est l’abréviation de « magnésium non oxydant », est composé à 99 % de magnésium et à 1 % d’aluminium, et est utilisé dans le gainage des barres de combustible dans les réacteurs nucléaires magnox.

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

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  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 en 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.

Propriétés de l’alliage de magnésium par rapport à l’acier

Les propriétés des matériaux sont des propriétés intensives, c’est-à-dire qu’elles sont indépendantes de la quantité de masse et peuvent varier d’un endroit à l’autre du système à tout moment. La base de la science des matériaux consiste à étudier la structure des matériaux et à les relier à leurs propriétés (mécaniques, électriques, etc.). Une fois qu’un scientifique des matériaux connaît cette corrélation structure-propriété, il peut ensuite étudier les performances relatives d’un matériau dans une application donnée. Les principaux déterminants de la structure d’un matériau et donc de ses propriétés sont ses éléments chimiques constitutifs et la manière dont il a été transformé en sa forme finale.

Densité de l’alliage de magnésium par rapport à l’acier

La densité d’ un alliage de magnésium typique est de 1,8 g/cm³ (Elektron 21).

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/cm³) est facilement calculée à partir de l’équation suivante en utilisant le nombre d’Avogadro (N_A = 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’alliage de magnésium par rapport à l’acier

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’alliage de magnésium par rapport à l’acier

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 d’ Elektron 21 – UNS M12310 est d’environ 280 MPa.

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 d’ Elektron 21 – UNS M12310 est d’environ 145 MPa.

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 d’ Elektron 21 – UNS M12310 est d’environ 45 GPa.

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’alliage de magnésium par rapport à l’acier

La dureté Brinell d’ Elektron 21 – UNS M12310 est d’environ 70 HB.

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’alliage de magnésium par rapport à l’acier

Les propriétés thermiques des matériaux font référence à la réponse des matériaux aux changements de 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.

La capacité calorifique, la dilatation thermique et la conductivité thermique sont des propriétés qui sont souvent critiques dans l’utilisation pratique des solides.

Point de fusion de l’alliage de magnésium par rapport à l’acier

Le point de fusion d’ Elektron 21 – UNS M12310 est d’environ 550 – 640°C.

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’alliage de magnésium par rapport à l’acier

La conductivité thermique d’ Elektron 21 – UNS M12310 est de 116 W/(mK).

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.

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

Laiton

Le laiton est le terme générique désignant une gamme d’ alliages cuivre-zinc. Le laiton peut être allié au zinc dans différentes proportions, ce qui donne un matériau aux propriétés mécaniques, anticorrosion et thermiques variables. Des quantités accrues de zinc confèrent au matériau une résistance et une ductilité améliorées. Les laitons ayant une teneur en cuivre supérieure à 63 % sont les plus ductiles de tous les alliages de cuivre et sont façonnés par des opérations complexes de formage à froid. Le laiton a une plus grande malléabilité que le bronze ou le zinc. Le point de fusion relativement bas du laiton et sa fluidité en font un matériau relativement facile à couler. Le laiton peut avoir une couleur de surface allant du rouge au jaune en passant par l’or et l’argent en fonction de la teneur en zinc. Certaines des utilisations courantes des alliages de laiton comprennent les bijoux de fantaisie, les serrures, les charnières, les engrenages, les roulements, les raccords de tuyaux, les douilles de munitions, les radiateurs automobiles, les instruments de musique, les emballages électroniques et les pièces de monnaie. Le laiton et le bronze sont des matériaux d’ingénierie courants dans l’architecture moderne et principalement utilisés pour les toitures et les revêtements de façade en raison de leur aspect visuel.

Par exemple, l’alliage de laiton de cartouche UNS C26000 (70/30) appartient à la série de laiton jaune, qui a la ductilité la plus élevée. Les laitons de cartouche sont principalement formés à froid et ils peuvent également être facilement usinés, ce qui est nécessaire pour fabriquer des étuis de cartouche. Il peut être utilisé pour les noyaux et les réservoirs de radiateur, les coques de lampe de poche, les luminaires, les fixations, les serrures, les charnières, les composants de munitions ou les accessoires de plomberie.

Bronzes

Les bronzes sont une famille d’alliages à base de cuivre traditionnellement alliés à l’étain, mais peuvent désigner des alliages de cuivre et d’autres éléments (par exemple l’aluminium, le silicium et le nickel). Les bronzes sont un peu plus résistants que les laitons, mais ils ont toujours un degré élevé de résistance à la corrosion. Généralement, ils sont utilisés lorsque, en plus de la résistance à la corrosion, de bonnes propriétés de traction sont requises. Par exemple, le cuivre au béryllium atteint la plus grande résistance (jusqu’à 1 400 MPa) de tous les alliages à base de cuivre.

Types de bronzes

Comme cela a été écrit, les bronzes sont une famille d’alliages à base de cuivre traditionnellement alliés à l’étain, mais peuvent désigner des alliages de cuivre et d’autres éléments (par exemple, l’aluminium, le silicium et le nickel).

• Étain et bronze phosphoreux. En général, les bronzes sont une famille d’alliages à base de cuivre traditionnellement alliés à l’étain, généralement avec environ 12 à 12,5% d’étain. L’ajout de petites quantités (0,01 à 0,45) de phosphore augmente encore la dureté, la résistance à la fatigue et la résistance à l’usure. L’ajout de ces alliages conduit à des applications telles que des ressorts, des attaches, des fixations de maçonnerie, des arbres, des axes de vannes, des engrenages et des roulements. Les autres applications de ces alliages sont les roues de pompe, les segments de piston et les raccords de vapeur. Par exemple, l’alliage de coulée de cuivre UNS C90500 est un alliage coulé de cuivre-étain, également connu sous le nom de métal à canon. Utilisé à l’origine principalement pour la fabrication d’armes à feu, il a été largement remplacé par l’acier.
• Bronze au silicium. Le bronze au silicium contient généralement environ 96 % de cuivre. Le bronze au silicium a une composition de Si: 2,80–3,80 %, Mn: 0,50–1,30 %, Fe: 0,80 % max., Zn: 1,50 % max., Pb: 0,05 % max. Les bronzes au silicium ont une bonne combinaison de résistance et de ductilité, une bonne résistance à la corrosion et une soudabilité facile. Les bronzes au silicium ont été développés à l’origine pour l’industrie chimique en raison de leur résistance exceptionnelle à la corrosion dans de nombreux liquides. Ils sont utilisés dans des applications de produits architecturaux telles que:
  • Garnitures de porte
  • Garde-corps
  • Portes d’église
  • Châssis de fenêtre
• Bronze d’aluminium. Les bronzes d’aluminium sont une famille d’alliages à base de cuivre offrant une combinaison de propriétés mécaniques et chimiques inégalées par toute autre série d’alliages. Ils contiennent environ 5 à 12% d’aluminium. Ils ont une excellente résistance, similaire à celle des aciers faiblement alliés, et 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
• Bronze au béryllium. Le cuivre au béryllium, également connu sous le nom de bronze au béryllium, est un alliage de cuivre contenant 0,5 à 3 % de béryllium. Le cuivre au béryllium est le plus dur et le plus résistant de tous les alliages de cuivre (UTS jusqu’à 1 400 MPa), à l’état entièrement traité thermiquement et travaillé à froid. Il combine une résistance élevée avec des qualités non magnétiques et anti-étincelles et ses propriétés mécaniques sont similaires à celles de nombreux aciers alliés à haute résistance mais, par rapport aux aciers, il a une meilleure résistance à la corrosion.
• Cloche en métal (bronze à haute teneur en étain). En général, les métaux de cloche se réfèrent généralement à des bronzes à haute teneur en étain qui sont une famille d’alliages à base de cuivre traditionnellement alliés à l’étain, généralement avec plus de 20% d’étain (généralement, 78% de cuivre, 22% d’étain en masse). Le métal de cloche est utilisé pour la coulée de cloches de haute qualité.

Propriétés du laiton vs bronze

Les propriétés des matériaux sont des propriétés intensives, c’est-à-dire qu’elles sont indépendantes de la quantité de masse et peuvent varier d’un endroit à l’autre du système à tout moment. La base de la science des matériaux consiste à étudier la structure des matériaux et à les relier à leurs propriétés (mécaniques, électriques, etc.). Une fois qu’un scientifique des matériaux connaît cette corrélation structure-propriété, il peut ensuite étudier les performances relatives d’un matériau dans une application donnée. Les principaux déterminants de la structure d’un matériau et donc de ses propriétés sont ses éléments chimiques constitutifs et la manière dont il a été transformé en sa forme finale.

Densité du laiton vs bronze

La densité du laiton typique – UNS C26000 est de 8,53 g/cm³.

La densité du bronze typique est de 8,7 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 (N_A = 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 du laiton par rapport au bronze

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.

Force du laiton contre le bronze

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 laiton de la cartouche – UNS C26000 est d’environ 315 MPa.

La résistance à la traction ultime du bronze d’aluminium – UNS C95400 est d’environ 550 MPa.

La résistance à la traction ultime du bronze à l’étain – UNS C90500 – est d’environ 310 MPa.

La résistance à la traction ultime du cuivre  béryllium – UNS C17200  est d’environ 1380 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 laiton de la cartouche – UNS C26000 est d’environ 95 MPa.

La limite d’élasticité du bronze d’aluminium – UNS C95400 est d’environ 250 MPa.

La limite d’élasticité du bronze à l’étain – UNS C90500 – le bronze à canon est d’environ 150 MPa.

La limite d’élasticité du cuivre béryllium – UNS C17200 est d’environ 1100 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 laiton de la cartouche – UNS C26000 est d’environ 110 GPa.

Le module de Young du bronze d’aluminium – UNS C95400 est d’environ 110 GPa.

Le module de Young du bronze à l’étain – UNS C90500 – bronze à canon est d’environ 103 GPa.

Le module de Young du cuivre  béryllium – UNS C17200 est d’environ 131 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 du laiton vs bronze

La dureté Brinell du laiton de la cartouche – UNS C26000 est d’environ 100 MPa.

La dureté Brinell du bronze d’aluminium – UNS C95400 est d’environ 170 MPa. La dureté des bronzes d’aluminium augmente avec la teneur en aluminium (et autres alliages) ainsi qu’avec les contraintes causées par le travail à froid.

La dureté Brinell du bronze à l’étain – UNS C90500 – le bronze à canon est d’environ 75 BHN.

La dureté Rockwell du cuivre béryllium – UNS C17200 est d’environ 82 HRB.

Le test de dureté Rockwell est l’un des tests de dureté par indentation les plus courants, qui a été développé pour les tests de dureté. Contrairement au test Brinell, le testeur Rockwell mesure la profondeur de pénétration d’un pénétrateur sous une charge importante (charge majeure) par rapport à la pénétration faite par une précharge (charge mineure). La charge mineure établit la position zéro. La charge majeure est appliquée, puis retirée tout en maintenant la charge mineure. La différence entre la profondeur de pénétration avant et après l’application de la charge principale est utilisée pour calculer le nombre de dureté Rockwell. C’est-à-dire que la profondeur de pénétration et la dureté sont inversement proportionnelles. Le principal avantage de la dureté Rockwell est sa capacité à afficher directement les valeurs de dureté. Le résultat est un nombre sans dimension noté HRA, HRB, HRC, etc., où la dernière lettre est l’échelle Rockwell respective.

Le test Rockwell C est réalisé avec un pénétrateur Brale (cône diamant 120°) et une charge majeure de 150kg.

Propriétés thermiques du laiton par rapport au bronze

Les propriétés thermiques  des matériaux font référence à la réponse des matériaux aux changements de 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 .

La capacité calorifique, la dilatation thermique et la conductivité thermique sont des propriétés qui sont souvent critiques dans l’utilisation pratique des solides.

Point de fusion du laiton vs bronze

Le point de fusion du laiton de la cartouche – UNS C26000 est d’environ 950 °C.

Le point de fusion du bronze d’aluminium – UNS C95400 est d’environ 1030 °C.

Le point de fusion du bronze à l’étain – UNS C90500 – le bronze à canon est d’environ 1000 °C.

Le point de fusion du cuivre  béryllium – UNS C17200 est d’environ 866 °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 du laiton par rapport au bronze

La conductivité thermique de la cartouche en laiton – UNS C26000 est de 120 W/(mK).

La conductivité thermique du bronze d’aluminium – UNS C95400  est de 59 W/(mK).

La conductivité thermique du bronze à l’étain – UNS C90500 – bronze à canon est de 75 W/(mK).

La conductivité thermique du cuivre  béryllium – UNS C17200 est de 115 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.

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

Alliages de Magnésium

Le magnésium pur est un solide gris brillant qui ressemble physiquement aux cinq autres éléments de la deuxième colonne (groupe 2 ou métaux alcalino-terreux) du tableau périodique.

Les alliages de magnésium sont des mélanges de magnésium et d’autres métaux d’alliage, généralement de l’aluminium, du zinc, du silicium, du manganèse, du cuivre et du zirconium. Étant donné que la caractéristique la plus remarquable du magnésium est sa densité, 1,7 g/cm³, ses alliages sont utilisés lorsque la légèreté est une considération importante (par exemple, dans les composants d’avions). Le magnésium a le point de fusion le plus bas (923 K (1202 °F)) de tous les métaux alcalino-terreux. Le magnésium pur a une structure cristalline HCP, est relativement mou et a un faible module élastique: 45 GPa. Les alliages de magnésium ont également une structure de réseau hexagonale, ce qui affecte les propriétés fondamentales de ces alliages. À température ambiante, le magnésium et ses alliages sont difficiles à travailler à froid en raison du fait que la déformation plastique du réseau hexagonal est plus compliquée que dans les métaux à réseau cubique comme l’aluminium, le cuivre et l’acier. Par conséquent, les alliages de magnésium sont généralement utilisés comme alliages coulés. Malgré la nature réactive de la poudre de magnésium pur, le magnésium métal et ses alliages ont une bonne résistance à la corrosion.

L’aluminium est l’élément d’alliage le plus courant. L’aluminium, le zinc, le zirconium et le thorium favorisent le durcissement par précipitation : le manganèse améliore la résistance à la corrosion ; et l’étain améliore la coulabilité.

Nous devons ajouter que le magnésium pur est hautement inflammable, en particulier lorsqu’il est réduit en poudre ou réduit en fines lamelles, bien qu’il soit difficile de s’enflammer en masse ou en vrac. Il produit une lumière blanche intense et brillante lorsqu’il brûle. Les températures de flamme du magnésium et de certains alliages de magnésium peuvent atteindre 3 100 °C. Le magnésium brûlant ou fondu réagit violemment avec l’eau. Une fois allumés, ces incendies sont difficiles à éteindre, car la combustion se poursuit dans l’azote (formant du nitrure de magnésium), du dioxyde de carbone (formant de l’oxyde de magnésium et du carbone) et de l’eau. Le magnésium en combustion peut être éteint à l’aide d’un extincteur à poudre chimique de classe D. Son inflammabilité est fortement réduite par une petite quantité de calcium dans l’alliage.

Utilisations des alliages de magnésium – Application

Les alliages de magnésium sont utilisés dans une grande variété d’applications structurelles et non structurelles. Les applications structurelles incluent les équipements automobiles, industriels, de manutention, commerciaux et aérospatiaux. Les alliages de magnésium sont utilisés pour les pièces qui fonctionnent à des vitesses élevées et doivent donc être légers pour minimiser les forces d’inertie. Les applications commerciales comprennent les outils portatifs, les ordinateurs portables, les bagages et les échelles, les automobiles (par exemple, les volants et les colonnes, les cadres de siège, les boîtiers de transmission). Magnox (alliage), dont le nom est l’abréviation de « magnésium non oxydant », est composé à 99 % de magnésium et à 1 % d’aluminium, et est utilisé dans le gainage des barres de combustible dans les réacteurs nucléaires magnox.

Aciers inoxydables

En métallurgie, l’acier inoxydable est un alliage d’acier avec au moins 10,5 % de chrome avec ou sans autres éléments d’alliage et un maximum de 1,2 % de carbone en masse. Les aciers inoxydables, également appelés aciers inox ou inox du français inoxydable (inoxydable), sont des alliages d’acier, qui sont très connus pour leur  résistance à la corrosion, qui augmente avec l’augmentation de la teneur en chrome. La résistance à la corrosion peut également être améliorée par des ajouts de nickel et de molybdène. La résistance de ces alliages métalliques aux effets chimiques des agents corrosifs repose sur la passivation. Pour que la passivation se produise et reste stable, l’ alliage Fe-Cr  doit avoir une teneur minimale en chrome d’environ 10,5 % en poids, au-dessus duquel la passivité peut se produire et en-dessous duquel elle est impossible. Le chrome peut être utilisé comme élément de durcissement et est fréquemment utilisé avec un élément de durcissement tel que le nickel pour produire des propriétés mécaniques supérieures.

Utilisations des aciers inoxydables – Applications

La solidité et la résistance à la corrosion de  l’acier inoxydable en  font souvent le matériau de choix dans les équipements de transport et de traitement, les pièces de moteur et les armes à feu. La plupart des applications structurelles se produisent dans les industries chimiques et énergétiques, qui représentent plus du tiers du marché des produits en acier inoxydable. La grande variété d’applications comprend les cuves de réacteurs nucléaires, les échangeurs de chaleur. Le corps de la cuve du réacteur est construit en acier au carbone faiblement allié de haute qualité, mais toutes les surfaces qui entrent en contact avec le fluide de refroidissement du réacteur (très corrosif en raison de la présence d’acide borique) sont revêtues d’un minimum d’environ 3 à 10 mm d’ acier inoxydable austénitique afin de minimiser la corrosion.

L’acier inoxydable peut être roulé en feuilles, plaques, barres, fils et tubes. Les aciers inoxydables n’ont pas besoin d’être peints ou revêtus, ce qui les rend adaptés à une utilisation dans des applications où la propreté est requise : dans les ustensiles de cuisine, les couverts et les instruments chirurgicaux.

Types d’aciers inoxydables

L’acier inoxydable est un terme générique désignant une grande famille d’alliages résistant à la corrosion contenant au moins 10,5 % de chrome et pouvant contenir d’autres éléments d’alliage. Il existe de nombreuses nuances d’acier inoxydable avec des teneurs variables en chrome et en molybdène et avec une structure cristallographique variable pour s’adapter à l’environnement que l’alliage doit endurer. Les aciers inoxydables peuvent être divisés en cinq catégories:

• Aciers inoxydables ferritiques. Dans les aciers inoxydables ferritiques, le carbone est maintenu à des niveaux faibles (C<0,08 %) et la teneur en chrome peut varier de 10,50 à 30,00 %. Leur utilisation est généralement limitée à des sections relativement minces en raison du manque de ténacité des soudures. De plus, ils ont une résistance à haute température relativement faible. Les aciers ferritiques sont choisis pour leur résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte, ce qui en fait une alternative intéressante aux aciers inoxydables austénitiques dans les applications où la SCC induite par les chlorures est répandue.
• Aciers inoxydables austénitiques. Les aciers inoxydables austénitiques contiennent entre 16 et 25 % de Cr et peuvent également contenir de l’azote en solution, ce qui contribue à leur résistance relativement élevée à la corrosion. Les aciers inoxydables austénitiques ont la meilleure résistance à la corrosion de tous les aciers inoxydables et ils ont d’excellentes propriétés cryogéniques et une bonne résistance à haute température. La nuance la plus connue est l’acier inoxydable AISI 304, qui contient à la fois du chrome (entre 15 % et 20 %) et du nickel (entre 2 % et 10,5 %) comme principaux constituants non ferreux. L’acier inoxydable 304 a une excellente résistance à une large gamme d’environnements atmosphériques et à de nombreux milieux corrosifs. Ces alliages sont généralement caractérisés comme ductiles, soudables et durcissables par formage à froid.
• Aciers inoxydables martensitiques. Les aciers inoxydables martensitiques sont similaires aux aciers ferritiques en ce qu’ils sont à base de chrome mais ont des niveaux de carbone plus élevés pouvant atteindre 1 %. Ils sont parfois classés en aciers inoxydables martensitiques à faible teneur en carbone et à haute teneur en carbone. Ils ont une résistance modérée à la corrosion, mais sont considérés comme durs, solides et légèrement cassants. Ils sont magnétiques et peuvent être testés de manière non destructive en utilisant la méthode d’inspection par particules magnétiques, contrairement à l’acier inoxydable austénitique. Un acier inoxydable martensitique courant est l’AISI 440C, qui contient 16 à 18 % de chrome et 0,95 à 1,2 % de carbone. L’acier inoxydable de grade 440C est utilisé dans les applications suivantes : blocs étalons, coutellerie, roulements à billes et chemins de roulement, moules et matrices, couteaux.
• Aciers inoxydables duplex. Les aciers inoxydables duplex, comme leur nom l’indique, sont une combinaison de deux des principaux types d’alliages. Ils ont une microstructure mixte d’austénite et de ferrite, le but étant généralement de produire un mélange 50/50, bien que dans les alliages commerciaux, le rapport puisse être de 40/60. Leur résistance à la corrosion est similaire à celle de leurs homologues austénitiques, mais leur résistance à la corrosion sous contrainte (en particulier à la fissuration par corrosion sous contrainte du chlorure), leur résistance à la traction et leurs limites d’élasticité (environ deux fois la limite d’élasticité des aciers inoxydables austénitiques) sont généralement supérieures à celles des aciers austénitiques les notes. Les aciers Superduplex ont une résistance et une résistance accrues à toutes les formes de corrosion par rapport aux aciers austénitiques standards. Les utilisations courantes sont dans les applications marines, les usines pétrochimiques, les usines de dessalement, les échangeurs de chaleur et l’industrie papetière. Aujourd’hui, l’industrie pétrolière et gazière est le plus grand utilisateur et a fait pression pour des nuances plus résistantes à la corrosion, ce qui a conduit au développement d’aciers superduplex.
• Aciers inoxydables PH. Les aciers inoxydables PH (durcissement par précipitation) contiennent environ 17 % de chrome et 4 % de nickel. Ces aciers peuvent développer une résistance très élevée grâce à des ajouts d’aluminium, de titane, de niobium, de vanadium et/ou d’azote, qui forment des précipités intermétalliques cohérents au cours d’un processus de traitement thermique appelé vieillissement thermique. De toutes les nuances d’acier inoxydable disponibles, ils offrent généralement la meilleure combinaison de haute résistance associée à une excellente ténacité et résistance à la corrosion. Ils sont aussi résistants à la corrosion que les nuances austénitiques. Les utilisations courantes sont dans l’aérospatiale et certaines autres industries de haute technologie.

Propriétés des alliages de magnésium par rapport aux aciers inoxydables

Les propriétés des matériaux sont des propriétés intensives, c’est-à-dire qu’elles sont indépendantes de la quantité de masse et peuvent varier d’un endroit à l’autre du système à tout moment. La base de la science des matériaux consiste à étudier la structure des matériaux et à les relier à leurs propriétés (mécaniques, électriques, etc.). Une fois qu’un scientifique des matériaux connaît cette corrélation structure-propriété, il peut ensuite étudier les performances relatives d’un matériau dans une application donnée. Les principaux déterminants de la structure d’un matériau et donc de ses propriétés sont ses éléments chimiques constitutifs et la manière dont il a été transformé en sa forme finale.

Densité des alliages de magnésium par rapport aux aciers inoxydables

La densité d’un alliage de magnésium typique est de 1,8 g/cm³ (Elektron 21).

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 (N_A = 6,022×10²³ atomes ou molécules par mole):
• Structure en cristal. La densité de la substance cristalline est significativement affectée par sa structure cristalline. La structure FCC, avec son parent hexagonal (hcp), a le facteur de tassement le plus efficace (74%). Les métaux contenant des structures FCC comprennent l’austénite, l’aluminium, le cuivre, le plomb, l’argent, l’or, le nickel, le platine et le thorium.

Propriétés mécaniques des alliages de magnésium par rapport aux aciers inoxydables

Les matériaux sont fréquemment choisis pour diverses applications car ils présentent des combinaisons souhaitables de caractéristiques mécaniques. Pour les applications structurelles, les propriétés des matériaux sont cruciales et les ingénieurs doivent en tenir compte.

Résistance des alliages de magnésium par rapport aux aciers inoxydables

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 d’ Elektron 21 – UNS M12310 est d’environ 280 MPa.

La résistance à la traction ultime de  l’acier inoxydable – type 304L est de 485 MPa.

Résistance à la traction ultime de l’acier inoxydable ferritique  – La nuance 430 est de 480 MPa.

La résistance à la traction ultime de  l’acier inoxydable martensitique  – le grade 440C est de 760 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 d’ Elektron 21 – UNS M12310 est d’environ 145 MPa.

La limite d’élasticité de l’acier inoxydable – type 304L est de 170 MPa.

Limite d’élasticité de l’acier inoxydable ferritique  – Le grade 430 est de 310 MPa.

Limite d’élasticité de  l’acier inoxydable martensitique – Le grade 440C est de 450 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 d’ Elektron 21 – UNS M12310 est d’environ 45 GPa.

Le module de Young de l’ acier inoxydable ferritique  – Grade 430 est de 220 GPa.

Le module de Young de l’ acier inoxydable martensitique – Grade 440C est de 200 GPa.

Le module de Young des aciers inoxydables duplex – SAF 2205 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 des alliages de magnésium par rapport aux aciers inoxydables

La dureté Brinell d’ Elektron 21 – UNS M12310 est d’environ 70 HB.

La dureté Brinell de l’acier inoxydable ferritique  – Grade 430 est d’environ 180 MPa.

La dureté Brinell de l’acier inoxydable martensitique  – Grade 440C est d’environ 270 MPa.

La dureté Brinell des aciers inoxydables duplex – SAF 2205 est d’environ 217 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 des alliages de magnésium par rapport aux aciers inoxydables

Les propriétés thermiques des matériaux font référence à la réponse des matériaux aux changements de 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.

La capacité calorifique, la dilatation thermique et la conductivité thermique sont des propriétés qui sont souvent critiques dans l’utilisation pratique des solides.

Point de fusion des alliages de magnésium par rapport aux aciers inoxydables

Le point de fusion d’ Elektron 21 – UNS M12310 est d’environ 550 – 640 °C.

Le point de fusion de l’acier inoxydable – l’acier de type 304 est d’environ 1450 °C.

Point de fusion de  l’acier inoxydable ferritique  – L’acier de nuance 430 est d’environ 1450 °C.

Point de fusion de  l’acier inoxydable martensitique – L’  acier de nuance 440C 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 de magnésium par rapport aux aciers inoxydables

La conductivité thermique d’ Elektron 21 – UNS M12310 est de 116 W/(mK).

La conductivité thermique de l’acier inoxydable – type 304 est de 20 W/(mK).

La conductivité thermique de l’ acier inoxydable ferritique – Grade 430 est de 26 W/(mK).

La conductivité thermique de l’ acier inoxydable martensitique – Grade 440C est de 24 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.

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.
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González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir ci-dessus:
Alliages

Laiton

Le laiton est le terme générique désignant une gamme d’ alliages cuivre-zinc. Le laiton peut être allié au zinc dans différentes proportions, ce qui donne un matériau aux propriétés mécaniques, anticorrosion et thermiques variables. Des quantités accrues de zinc confèrent au matériau une résistance et une ductilité améliorées. Les laitons ayant une teneur en cuivre supérieure à 63 % sont les plus ductiles de tous les alliages de cuivre et sont façonnés par des opérations complexes de formage à froid. Le laiton a une plus grande malléabilité que le bronze ou le zinc. Le point de fusion relativement bas du laiton et sa fluidité en font un matériau relativement facile à couler. Le laiton peut avoir une couleur de surface allant du rouge au jaune en passant par l’or et l’argent en fonction de la teneur en zinc. Certaines des utilisations courantes des alliages de laiton comprennent les bijoux de fantaisie, les serrures, les charnières, les engrenages, les roulements, les raccords de tuyaux, les douilles de munitions, les radiateurs automobiles, les instruments de musique, les emballages électroniques et les pièces de monnaie. Le laiton et le bronze sont des matériaux d’ingénierie courants dans l’architecture moderne et principalement utilisés pour les toitures et les revêtements de façade en raison de leur aspect visuel.

Par exemple, l’alliage de laiton de cartouche UNS C26000 (70/30) appartient à la série de laiton jaune, qui a la ductilité la plus élevée. Les laitons de cartouche sont principalement formés à froid et ils peuvent également être facilement usinés, ce qui est nécessaire pour fabriquer des étuis de cartouche. Il peut être utilisé pour les noyaux et les réservoirs de radiateur, les coques de lampe de poche, les luminaires, les fixations, les serrures, les charnières, les composants de munitions ou les accessoires de plomberie.

Alliages d’aluminium

L’aluminium de haute pureté est un matériau souple avec une résistance ultime d’environ 10 MPa, ce qui limite son utilisation dans les applications industrielles. L’aluminium de pureté commerciale (99-99,6%) devient plus dur et plus résistant en raison de la présence d’impuretés, en particulier de Si et de Fe. Mais lorsqu’ils sont alliés, les alliages d’aluminium peuvent être traités thermiquement, ce qui modifie considérablement leurs propriétés mécaniques.

Les alliages d’aluminium sont à base d’aluminium, dont les principaux éléments d’alliage sont Cu, Mn, Si, Mg, Mg+Si, Zn. Les compositions d’alliages d’aluminium sont enregistrées auprès de l’Aluminium Association. Les alliages d’aluminium sont répartis en 9 familles (Al1xxx à Al9xxx). Les différentes familles d’alliages et les principaux éléments d’alliage sont:

• 1xxx: aucun élément d’alliage
• 2xxx: Cuivre
• 3xxx: Manganèse
• 4xxx: Silicium
• 5xxx: Magnésium
• 6xxx: magnésium et silicium
• 7xxx: zinc, magnésium et cuivre
• 8xxx: autres éléments qui ne sont pas couverts par d’autres séries

Il existe également deux classifications principales, à savoir  les alliages de fonderie et les alliages corroyés, qui sont tous deux subdivisés en catégories pouvant être traitées thermiquement et non traitées thermiquement. Les alliages d’aluminium contenant des éléments d’alliage à solubilité solide limitée à température ambiante et avec une forte dépendance à la température de la solubilité solide (par exemple Cu) peuvent être renforcés par un traitement thermique approprié (durcissement par précipitation). La résistance des alliages d’Al commerciaux traités thermiquement dépasse 550 MPa.

Les propriétés mécaniques des alliages d’aluminium dépendent fortement de leur composition de phase et de leur microstructure. Une résistance élevée peut être obtenue entre autres par l’introduction d’une fraction volumique élevée de particules fines de seconde phase réparties de manière homogène  et par un affinement de la taille des grains. En général, les alliages d’aluminium se caractérisent par une masse volumique relativement faible (2,7 g/cm³ contre 7,9 g/cm³ pour l’acier), des conductivités électriques et thermiques élevées, et une résistance à la corrosion dans certains environnements courants, y compris l’atmosphère ambiante. La principale limitation de l’aluminium est sa faible température de fusion (660 °C), qui limite la température maximale à laquelle il peut être utilisé. Pour la production générale, les alliages des séries 5000 et 6000 offrent une résistance adéquate combinée à une bonne résistance à la corrosion, une ténacité élevée et une facilité de soudage.

L’aluminium et ses alliages sont largement utilisés dans les applications aérospatiales, automobiles, architecturales, lithographiques, d’emballage, électriques et électroniques. C’est le principal matériau de construction de l’ industrie aéronautique tout au long de son histoire. Environ 70% des cellules des avions civils commerciaux sont fabriquées à partir d’alliages d’aluminium, et sans aluminium, l’aviation civile ne serait pas économiquement viable. L’industrie automobile utilise désormais l’aluminium comme pièces moulées de moteur, roues, radiateurs et de plus en plus comme pièces de carrosserie. L’aluminium 6111 et l’alliage d’aluminium 2008 sont largement utilisés pour les panneaux extérieurs de carrosserie automobile. Les blocs-cylindres et les carters sont souvent coulés en alliages d’aluminium.

Propriétés du laiton par rapport à l’alliage d’aluminium

Les propriétés des matériaux sont des propriétés intensives, c’est-à-dire qu’elles sont indépendantes de la quantité de masse et peuvent varier d’un endroit à l’autre du système à tout moment. La base de la science des matériaux consiste à étudier la structure des matériaux et à les relier à leurs propriétés (mécaniques, électriques, etc.). Une fois qu’un scientifique des matériaux connaît cette corrélation structure-propriété, il peut ensuite étudier les performances relatives d’un matériau dans une application donnée. Les principaux déterminants de la structure d’un matériau et donc de ses propriétés sont ses éléments chimiques constitutifs et la manière dont il a été transformé en sa forme finale.

Densité du laiton vs alliage d’aluminium

La densité du laiton typique – UNS C26000 est de 8,53 g/cm³.

La densité d’ un alliage d’aluminium typique est de 2,7 g/cm³ (alliage 6061) ^.

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 (N_A  = 6,022×10 ²³ 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 du laiton par rapport à l’alliage d’aluminium

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.

Force du laiton léger par rapport à l’alliage d’aluminium

En mécanique des matériaux, la résistance d’un matériau est sa capacité à supporter une charge appliquée sans rupture ni déformation plastique. La résistance des matériaux considère essentiellement la relation entre les charges externes appliquées à un matériau et la déformation ou la modification des dimensions du matériau qui en résulte. La résistance d’un matériau est sa capacité à supporter cette charge appliquée sans défaillance ni déformation plastique.

Résistance à la traction ultime

La résistance à la traction ultime de l’alliage d’aluminium 6061 dépend fortement de l’état du matériau, mais pour l’état T6, elle est d’environ 290 MPa.

La résistance à la traction ultime du  laiton de la cartouche – UNS C26000 est d’environ 315 MPa.

La résistance à la traction ultime est le maximum sur la courbe technique de contrainte-déformation. Cela correspond à la contrainte maximale qui peut être soutenu par une structure en tension. La résistance à la traction ultime est souvent abrégée en « résistance à la traction » ou même en « l’ultime ». Si cette contrainte est appliquée et maintenue, une fracture en résultera. Souvent, cette valeur est nettement supérieure à la limite d’élasticité (jusqu’à 50 à 60 % de plus que le rendement pour certains types de métaux). Lorsqu’un matériau ductile atteint sa résistance ultime, il subit une striction où la section transversale se réduit localement. La courbe contrainte-déformation ne contient pas de contrainte supérieure à la résistance ultime. Même si les déformations peuvent continuer à augmenter, la contrainte diminue généralement après que la résistance ultime a été atteinte. C’est une propriété intensive; sa valeur ne dépend donc pas de la taille de l’éprouvette. Cependant, cela dépend d’autres facteurs, tels que la préparation de l’échantillon, température de l’environnement et du matériau d’essai. Les résistances ultimes à la traction varient de 50 MPa pour un aluminium jusqu’à 3000 MPa pour les aciers à très haute résistance.

Limite d’élasticité

La limite d’élasticité de l’alliage d’aluminium 6061 dépend fortement de l’état du matériau, mais pour l’état T6, elle est d’environ 240 MPa.

La limite d’élasticité du laiton de la cartouche – UNS C26000  est d’environ 95 MPa.

La limite d’ élasticité est le point sur une courbe contrainte-déformation qui indique la limite du comportement élastique et le début du comportement plastique. Limite d’élasticité ou la limite d’élasticité est la propriété du matériau définie comme la contrainte à laquelle un matériau commence à se déformer plastiquement, tandis que la limite d’élasticité est le point où la déformation non linéaire (élastique + plastique) commence. Avant la limite d’élasticité, le matériau se déforme élastiquement et reprend sa forme d’origine lorsque la contrainte appliquée est supprimée. Une fois la limite d’élasticité dépassée, une partie de la déformation sera permanente et irréversible. Certains aciers et autres matériaux présentent un comportement appelé phénomène de limite d’élasticité. Les limites d’élasticité varient de 35 MPa pour un aluminium à faible résistance à plus de 1400 MPa pour les aciers à très haute résistance.

Module de Young

Le module de Young de l’alliage d’aluminium 6061 est d’environ 69 GPa.

Le module de Young du  laiton de la cartouche – UNS C26000 est d’environ 110 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 du laiton vs alliage d’aluminium

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 du  laiton de la cartouche – UNS C26000  est d’environ 100 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 du laiton par rapport à l’alliage d’aluminium

Les propriétés thermiques  des matériaux font référence à la réponse des matériaux aux changements de 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.

La capacité calorifique, la dilatation thermique et la conductivité thermique sont des propriétés qui sont souvent critiques dans l’utilisation pratique des solides.

Point de fusion du laiton vs alliage d’aluminium

Le point de fusion de l’alliage d’aluminium 6061 est d’environ 600 °C.

Le point de fusion du  laiton de la cartouche – UNS C26000 est d’environ 950 °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 du laiton par rapport à l’alliage d’aluminium

La conductivité thermique de l’alliage d’aluminium 6061 est de 150 W/(mK).

La conductivité thermique de la cartouche en laiton – UNS C26000 est de 120 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.

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.
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González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
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JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir ci-dessus:
Alliages

Laiton

Le laiton est le terme générique désignant une gamme d’ alliages cuivre-zinc. Le laiton peut être allié au zinc dans différentes proportions, ce qui donne un matériau aux propriétés mécaniques, anticorrosion et thermiques variables. Des quantités accrues de zinc confèrent au matériau une résistance et une ductilité améliorées. Les laitons ayant une teneur en cuivre supérieure à 63 % sont les plus ductiles de tous les alliages de cuivre et sont façonnés par des opérations complexes de formage à froid. Le laiton a une plus grande malléabilité que le bronze ou le zinc. Le point de fusion relativement bas du laiton et sa fluidité en font un matériau relativement facile à couler. Le laiton peut avoir une couleur de surface allant du rouge au jaune en passant par l’or et l’argent en fonction de la teneur en zinc. Certaines des utilisations courantes des alliages de laiton comprennent les bijoux de fantaisie, les serrures, les charnières, les engrenages, les roulements, les raccords de tuyaux, les douilles de munitions, les radiateurs automobiles, les instruments de musique, les emballages électroniques et les pièces de monnaie. Le laiton et le bronze sont des matériaux d’ingénierie courants dans l’architecture moderne et principalement utilisés pour les toitures et les revêtements de façade en raison de leur aspect visuel.

Par exemple, l’alliage de laiton de cartouche UNS C26000 (70/30) appartient à la série de laiton jaune, qui a la ductilité la plus élevée. Les laitons de cartouche sont principalement formés à froid et ils peuvent également être facilement usinés, ce qui est nécessaire pour fabriquer des étuis de cartouche. Il peut être utilisé pour les noyaux et les réservoirs de radiateur, les coques de lampe de poche, les luminaires, les fixations, les serrures, les charnières, les composants de munitions ou les accessoires de plomberie.

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

• 

  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 en 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.

Aciers inoxydables

En métallurgie, l’acier inoxydable est un alliage d’acier avec au moins 10,5 % de chrome avec ou sans autres éléments d’alliage et un maximum de 1,2 % de carbone en masse. Les aciers inoxydables, également appelés aciers inox ou inox du français inoxydable (inoxydable), sont des alliages d’acier, qui sont très connus pour leur  résistance à la corrosion, qui augmente avec l’augmentation de la teneur en chrome. La résistance à la corrosion peut également être améliorée par des ajouts de nickel et de molybdène. La résistance de ces alliages métalliques aux effets chimiques des agents corrosifs repose sur la passivation. Pour que la passivation se produise et reste stable, l’ alliage Fe-Cr doit avoir une teneur minimale en chrome d’environ 10,5 % en poids, au-dessus duquel la passivité peut se produire et en-dessous duquel elle est impossible. Le chrome peut être utilisé comme élément de durcissement et est fréquemment utilisé avec un élément de durcissement tel que le nickel pour produire des propriétés mécaniques supérieures.

Utilisations des aciers inoxydables – Applications

La solidité et la résistance à la corrosion de l’acier inoxydable en font souvent le matériau de choix dans les équipements de transport et de traitement, les pièces de moteur et les armes à feu. La plupart des applications structurelles se produisent dans les industries chimiques et énergétiques, qui représentent plus du tiers du marché des produits en acier inoxydable. La grande variété d’applications comprend les cuves de réacteurs nucléaires, les échangeurs de chaleur. Le corps de la cuve du réacteur est construit en acier au carbone faiblement allié de haute qualité, mais toutes les surfaces qui entrent en contact avec le fluide de refroidissement du réacteur (très corrosif en raison de la présence d’acide borique) sont revêtues d’un minimum d’environ 3 à 10 mm d’ acier inoxydable austénitique afin de minimiser la corrosion.

L’acier inoxydable peut être roulé en feuilles, plaques, barres, fils et tubes. Les aciers inoxydables n’ont pas besoin d’être peints ou revêtus, ce qui les rend adaptés à une utilisation dans des applications où la propreté est requise : dans les ustensiles de cuisine, les couverts et les instruments chirurgicaux.

Types d’aciers inoxydables

L’acier inoxydable est un terme générique désignant une grande famille d’alliages résistant à la corrosion contenant au moins 10,5 % de chrome et pouvant contenir d’autres éléments d’alliage. Il existe de nombreuses nuances d’acier inoxydable avec des teneurs variables en chrome et en molybdène et avec une structure cristallographique variable pour s’adapter à l’environnement que l’alliage doit endurer. Les aciers inoxydables peuvent être divisés en cinq catégories :

• Aciers inoxydables ferritiques. Dans les aciers inoxydables ferritiques, le carbone est maintenu à des niveaux faibles (C<0,08 %) et la teneur en chrome peut varier de 10,50 à 30,00 %. Leur utilisation est généralement limitée à des sections relativement minces en raison du manque de ténacité des soudures. De plus, ils ont une résistance à haute température relativement faible. Les aciers ferritiques sont choisis pour leur résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte, ce qui en fait une alternative intéressante aux aciers inoxydables austénitiques dans les applications où la SCC induite par les chlorures est répandue.
• Aciers inoxydables austénitiques. Les aciers inoxydables austénitiques contiennent entre 16 et 25 % de Cr et peuvent également contenir de l’azote en solution, ce qui contribue à leur résistance relativement élevée à la corrosion. Les aciers inoxydables austénitiques ont la meilleure résistance à la corrosion de tous les aciers inoxydables et ils ont d’excellentes propriétés cryogéniques et une bonne résistance à haute température. La nuance la plus connue est l’acier inoxydable AISI 304, qui contient à la fois du chrome (entre 15 % et 20 %) et du nickel (entre 2 % et 10,5 %) comme principaux constituants non ferreux. L’acier inoxydable 304 a une excellente résistance à une large gamme d’environnements atmosphériques et à de nombreux milieux corrosifs. Ces alliages sont généralement caractérisés comme ductiles, soudables et durcissables par formage à froid.
• Aciers inoxydables martensitiques. Les aciers inoxydables martensitiques sont similaires aux aciers ferritiques en ce qu’ils sont à base de chrome mais ont des niveaux de carbone plus élevés pouvant atteindre 1 %. Ils sont parfois classés en aciers inoxydables martensitiques à faible teneur en carbone et à haute teneur en carbone. Ils ont une résistance modérée à la corrosion, mais sont considérés comme durs, solides et légèrement cassants. Ils sont magnétiques et peuvent être testés de manière non destructive en utilisant la méthode d’inspection par particules magnétiques, contrairement à l’acier inoxydable austénitique. Un acier inoxydable martensitique courant est l’AISI 440C, qui contient 16 à 18 % de chrome et 0,95 à 1,2 % de carbone. L’acier inoxydable de grade 440C est utilisé dans les applications suivantes : blocs étalons, coutellerie, roulements à billes et chemins de roulement, moules et matrices, couteaux.
• Aciers inoxydables duplex. Les aciers inoxydables duplex, comme leur nom l’indique, sont une combinaison de deux des principaux types d’alliages. Ils ont une microstructure mixte d’austénite et de ferrite, le but étant généralement de produire un mélange 50/50, bien que dans les alliages commerciaux, le rapport puisse être de 40/60. Leur résistance à la corrosion est similaire à celle de leurs homologues austénitiques, mais leur résistance à la corrosion sous contrainte (en particulier à la fissuration par corrosion sous contrainte du chlorure), leur résistance à la traction et leurs limites d’élasticité (environ deux fois la limite d’élasticité des aciers inoxydables austénitiques) sont généralement supérieures à celles des aciers austénitiques les notes. Les aciers Superduplex ont une résistance et une résistance accrues à toutes les formes de corrosion par rapport aux aciers austénitiques standards. Les utilisations courantes sont dans les applications marines, les usines pétrochimiques, les usines de dessalement, les échangeurs de chaleur et l’industrie papetière. Aujourd’hui, l’industrie pétrolière et gazière est le plus grand utilisateur et a fait pression pour des nuances plus résistantes à la corrosion, ce qui a conduit au développement d’aciers superduplex.
• Aciers inoxydables PH. Les aciers inoxydables PH (durcissement par précipitation) contiennent environ 17 % de chrome et 4 % de nickel. Ces aciers peuvent développer une résistance très élevée grâce à des ajouts d’aluminium, de titane, de niobium, de vanadium et/ou d’azote, qui forment des précipités intermétalliques cohérents au cours d’un processus de traitement thermique appelé vieillissement thermique. De toutes les nuances d’acier inoxydable disponibles, ils offrent généralement la meilleure combinaison de haute résistance associée à une excellente ténacité et résistance à la corrosion. Ils sont aussi résistants à la corrosion que les nuances austénitiques. Les utilisations courantes sont dans l’aérospatiale et certaines autres industries de haute technologie.

Propriétés du laiton par rapport à l’acier et à l’acier inoxydable

Les propriétés des matériaux sont des propriétés intensives, c’est-à-dire qu’elles sont indépendantes de la quantité de masse et peuvent varier d’un endroit à l’autre du système à tout moment. La base de la science des matériaux consiste à étudier la structure des matériaux et à les relier à leurs propriétés (mécaniques, électriques, etc.). Une fois qu’un scientifique des matériaux connaît cette corrélation structure-propriété, il peut ensuite étudier les performances relatives d’un matériau dans une application donnée. Les principaux déterminants de la structure d’un matériau et donc de ses propriétés sont ses éléments chimiques constitutifs et la manière dont il a été transformé en sa forme finale.

Densité du laiton par rapport à l’acier et à l’acier inoxydable

La densité du laiton typique – UNS C26000 est de 8,53 g/cm³.

La densité de l’acier inoxydable typique est de 8,0 g/cm³ (acier 304).

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/cm³) est facilement calculée à partir de l’équation suivante en utilisant le nombre d’Avogadro (N_A = 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 du laiton par rapport à l’acier et à l’acier inoxydable

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 du laiton par rapport à l’acier et à l’acier inoxydable

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 laiton de la cartouche – UNS C26000 est d’environ 315 MPa.

La résistance à la traction ultime de l’acier inoxydable – type 304L est de 485 MPa.

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 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 laiton de la cartouche – UNS C26000 est d’environ 95 MPa.

La limite d’élasticité de l’acier inoxydable – type 304L est de 170 MPa.

La limite d’élasticité de l’acier à faible teneur en carbone est de 250 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 laiton de la cartouche – UNS C26000 est d’environ 110 GPa.

Le module de Young de l’ acier inoxydable – type 304 et 304L est de 193 GPa.

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 du laiton par rapport à l’acier et à l’acier inoxydable

La dureté Brinell du laiton de la cartouche – UNS C26000 est d’environ 100 MPa.

La dureté Brinell de l’acier inoxydable de type 304 est d’environ 201 MPa.

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 du laiton par rapport à l’acier et à l’acier inoxydable

Les propriétés thermiques des matériaux font référence à la réponse des matériaux aux changements de 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.

La capacité calorifique, la dilatation thermique et la conductivité thermique sont des propriétés qui sont souvent critiques dans l’utilisation pratique des solides.

Point de fusion du laiton par rapport à l’acier et à l’acier inoxydable

Le point de fusion du laiton de la cartouche – UNS C26000 est d’environ 950 °C.

Le point de fusion de l’acier inoxydable – l’acier de type 304 est d’environ 1450 °C.

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 du laiton par rapport à l’acier et à l’acier inoxydable

La conductivité thermique de la cartouche en laiton – UNS C26000 est de 120 W/(mK).

La conductivité thermique de l’acier inoxydable – type 304 est de 20 W/(mK).

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.

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

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.

Zamac – Zamac 3

Zamac est une famille d’alliages avec un métal de base de zinc et des éléments d’alliage d’aluminium, de magnésium et de cuivre. 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).

Par exemple, Zamak 3 (ASTM AG40A), ou alliage de zinc 3, est l’alliage de zinc le plus largement utilisé dans l’industrie du moulage sous pression du zinc et est généralement le premier choix lorsque l’on considère le zinc pour le moulage sous pression pour un certain nombre de raisons. Il offre la meilleure combinaison globale de résistance, de coulabilité, de stabilité dimensionnelle, de facilité de finition et de coût.

• Excellentes propriétés physiques et mécaniques
• Excellente coulabilité et stabilité dimensionnelle à long terme
• Excellentes caractéristiques de finition pour le placage, la peinture et les traitements au chromate
• Excellente capacité d’amortissement et atténuation des vibrations par rapport aux alliages d’aluminium moulés sous pression

Les applications typiques incluent les moulages sous pression tels que les pièces automobiles, les appareils électroménagers et les luminaires, les équipements de bureau et informatiques, le matériel de construction.

Laiton

Le laiton est le terme générique désignant une gamme d’ alliages cuivre-zinc. Le laiton peut être allié au zinc dans différentes proportions, ce qui donne un matériau aux propriétés mécaniques, anticorrosion et thermiques variables. Des quantités accrues de zinc confèrent au matériau une résistance et une ductilité améliorées. Les laitons ayant une teneur en cuivre supérieure à 63 % sont les plus ductiles de tous les alliages de cuivre et sont façonnés par des opérations complexes de formage à froid. Le laiton a une plus grande malléabilité que le bronze ou le zinc. Le point de fusion relativement bas du laiton et sa fluidité en font un matériau relativement facile à couler. Le laiton peut avoir une couleur de surface allant du rouge au jaune en passant par l’or et l’argent en fonction de la teneur en zinc. Certaines des utilisations courantes des alliages de laiton comprennent les bijoux de fantaisie, les serrures, les charnières, les engrenages, les roulements, les raccords de tuyaux, les douilles de munitions, les radiateurs automobiles, les instruments de musique, les emballages électroniques et les pièces de monnaie. Le laiton et le bronze sont des matériaux d’ingénierie courants dans l’architecture moderne et principalement utilisés pour les toitures et les revêtements de façade en raison de leur aspect visuel.

Par exemple, l’alliage de laiton de cartouche UNS C26000 (70/30) appartient à la série de laiton jaune, qui a la ductilité la plus élevée. Les laitons de cartouche sont principalement formés à froid et ils peuvent également être facilement usinés, ce qui est nécessaire pour fabriquer des étuis de cartouche. Il peut être utilisé pour les noyaux et les réservoirs de radiateur, les coques de lampe de poche, les luminaires, les fixations, les serrures, les charnières, les composants de munitions ou les accessoires de plomberie.

Propriétés de l’alliage de zinc par rapport au laiton

Les propriétés des matériaux sont des propriétés intensives, c’est-à-dire qu’elles sont indépendantes de la quantité de masse et peuvent varier d’un endroit à l’autre du système à tout moment. La base de la science des matériaux consiste à étudier la structure des matériaux et à les relier à leurs propriétés (mécaniques, électriques, etc.). Une fois qu’un scientifique des matériaux connaît cette corrélation structure-propriété, il peut ensuite étudier les performances relatives d’un matériau dans une application donnée. Les principaux déterminants de la structure d’un matériau et donc de ses propriétés sont ses éléments chimiques constitutifs et la manière dont il a été transformé en sa forme finale.

Densité de l’alliage de zinc par rapport au laiton

La densité du laiton typique – UNS C26000 est de 8,53 g/cm³.

La densité de l’alliage de zinc – Zamak 3 est de 6,6 g/cm³ (0,24 lb/in³).

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 (N_A = 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’alliage de zinc par rapport au laiton

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’alliage de zinc par rapport au laiton

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 laiton de la cartouche – UNS C26000 est d’environ 315 MPa.

La résistance à la traction ultime de l’alliage de zinc – Zamak 3 est d’environ 268 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 laiton de la cartouche – UNS C26000 est d’environ 95 MPa.

La limite d’élasticité de l’alliage de zinc – Zamak 3 est d’environ 208 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 laiton de la cartouche – UNS C26000 est d’environ 110 GPa.

Le module de Young de l’alliage de zinc – Zamak 3 est d’environ 96 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’alliage de zinc par rapport au laiton

La dureté Brinell du laiton de la cartouche – UNS C26000 est d’environ 100 MPa.

La dureté Brinell de l’alliage de zinc – Zamak 3 est d’environ 82 HB.

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’alliage de zinc par rapport au laiton

Les propriétés thermiques des matériaux font référence à la réponse des matériaux aux changements de 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.

La capacité calorifique, la dilatation thermique et la conductivité thermique sont des propriétés qui sont souvent critiques dans l’utilisation pratique des solides.

Point de fusion de l’alliage de zinc par rapport au laiton

Le point de fusion du laiton de la cartouche – UNS C26000 est d’environ 950 °C.

Le point de fusion de l’alliage de zinc – Zamak 3 est d’environ 385 °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’alliage de zinc par rapport au laiton

La conductivité thermique de la cartouche en laiton – UNS C26000 est de 120 W/(mK).

La conductivité thermique de l’alliage de zinc – Zamak 3 est de 113 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.

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.
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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

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.

Fers moulés

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.

Bronzes

Les bronzes sont une famille d’alliages à base de cuivre traditionnellement alliés à l’étain, mais peuvent désigner des alliages de cuivre et d’autres éléments (par exemple l’aluminium, le silicium et le nickel). Les bronzes sont un peu plus résistants que les laitons, mais ils ont toujours un degré élevé de résistance à la corrosion. Généralement, ils sont utilisés lorsque, en plus de la résistance à la corrosion, de bonnes propriétés de traction sont requises. Par exemple, le cuivre au béryllium atteint la plus grande résistance (jusqu’à 1 400 MPa) de tous les alliages à base de cuivre.

Types de Bronzes

Comme cela a été écrit, les bronzes sont une famille d’alliages à base de cuivre traditionnellement alliés à l’étain, mais peuvent désigner des alliages de cuivre et d’autres éléments (par exemple, l’aluminium, le silicium et le nickel).

• Étain et bronze phosphoreux. En général, les bronzes sont une famille d’alliages à base de cuivre traditionnellement alliés à l’étain, généralement avec environ 12 à 12,5% d’étain. L’ajout de petites quantités (0,01 à 0,45) de phosphore augmente encore la dureté, la résistance à la fatigue et la résistance à l’usure. L’ajout de ces alliages conduit à des applications telles que des ressorts, des attaches, des fixations de maçonnerie, des arbres, des axes de vannes, des engrenages et des roulements. Les autres applications de ces alliages sont les roues de pompe, les segments de piston et les raccords de vapeur. Par exemple, l’alliage de coulée de cuivre UNS C90500 est un alliage coulé de cuivre-étain, également connu sous le nom de métal à canon. Utilisé à l’origine principalement pour la fabrication d’armes à feu, il a été largement remplacé par l’acier.
• Bronze au silicium. Le bronze au silicium contient généralement environ 96 % de cuivre. Le bronze au silicium a une composition de Si: 2,80–3,80 %, Mn: 0,50–1,30 %, Fe: 0,80 % max., Zn: 1,50 % max., Pb: 0,05 % max. Les bronzes au silicium ont une bonne combinaison de résistance et de ductilité, une bonne résistance à la corrosion et une soudabilité facile. Les bronzes au silicium ont été développés à l’origine pour l’industrie chimique en raison de leur résistance exceptionnelle à la corrosion dans de nombreux liquides. Ils sont utilisés dans des applications de produits architecturaux telles que:
  • Garnitures de porte
  • Garde-corps
  • Portes d’église
  • Châssis de fenêtre
• Bronze d’aluminium. Les bronzes d’aluminium sont une famille d’alliages à base de cuivre offrant une combinaison de propriétés mécaniques et chimiques inégalées par toute autre série d’alliages. Ils contiennent environ 5 à 12% d’aluminium. Ils ont une excellente résistance, similaire à celle des aciers faiblement alliés, et 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
• Bronze au béryllium. Le cuivre au béryllium, également connu sous le nom de bronze au béryllium, est un alliage de cuivre contenant 0,5 à 3 % de béryllium. Le cuivre au béryllium est le plus dur et le plus résistant de tous les alliages de cuivre (UTS jusqu’à 1 400 MPa), à l’état entièrement traité thermiquement et travaillé à froid. Il combine une résistance élevée avec des qualités non magnétiques et anti-étincelles et ses propriétés mécaniques sont similaires à celles de nombreux aciers alliés à haute résistance mais, par rapport aux aciers, il a une meilleure résistance à la corrosion.
• Cloche en métal (bronze à haute teneur en étain). En général, les métaux de cloche se réfèrent généralement à des bronzes à haute teneur en étain qui sont une famille d’alliages à base de cuivre traditionnellement alliés à l’étain, généralement avec plus de 20% d’étain (généralement, 78% de cuivre, 22% d’étain en masse). Le métal de cloche est utilisé pour la coulée de cloches de haute qualité.

Propriétés du bronze 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 scientifique des matériaux connaît cette corrélation structure-propriété, il peut ensuite étudier les performances relatives d’un matériau dans une application donnée. Les principaux déterminants de la structure d’un matériau et donc de ses propriétés sont ses éléments chimiques constitutifs et la manière dont il a été transformé en sa forme finale.

Densité du bronze vs fonte

La densité du bronze typique est de 8,7 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 (N_A  = 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 du bronze 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.

Force du bronze 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 du bronze d’aluminium – UNS C95400 est d’environ 550 MPa.

La résistance à la traction ultime du bronze à l’étain – UNS C90500 – est d’environ 310 MPa.

La résistance à la traction ultime du cuivre  béryllium – UNS C17200 est d’environ 1380 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 du bronze d’aluminium – UNS C95400 est d’environ 250 MPa.

La limite d’élasticité du bronze à l’étain – UNS C90500 – le bronze à canon est d’environ 150 MPa.

La limite d’élasticité du  cuivre béryllium – UNS C17200  est d’environ 1100 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 bronze à l’étain – UNS C90500 – bronze à canon est d’environ 103 GPa.

Le module de Young du  cuivre  béryllium – UNS C17200 est d’environ 131 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 du bronze vs fonte

La dureté Brinell du bronze d’aluminium – UNS C95400 est d’environ 170 MPa. La dureté des bronzes d’aluminium augmente avec la teneur en aluminium (et autres alliages) ainsi qu’avec les contraintes causées par le travail à froid.

La dureté Brinell du bronze à l’étain – UNS C90500 – le bronze à canon est d’environ 75 BHN.

La dureté Rockwell du cuivre  béryllium – UNS C17200 est d’environ 82 HRB.

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 du bronze par rapport à la fonte

Les propriétés thermiques des matériaux font référence à la réponse des matériaux aux changements de 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.

La capacité calorifique, la dilatation thermique et la conductivité thermique sont des propriétés qui sont souvent critiques dans l’utilisation pratique des solides.

Point de fusion du bronze vs fonte

Le point de fusion du bronze d’aluminium – UNS C95400 est d’environ 1030 °C.

Le point de fusion du bronze à l’étain – UNS C90500 – le bronze à canon est d’environ 1000 °C.

Le point de fusion du cuivre  béryllium – UNS C17200 est d’environ 866 °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 du bronze par rapport à la fonte

La conductivité thermique du bronze d’aluminium – UNS C95400 est de 59 W/(mK).

La conductivité thermique du bronze à l’étain – UNS C90500 – bronze à canon est de 75 W/(mK).

La conductivité thermique du cuivre  béryllium – UNS C17200 est de 115 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.

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

La résistance et la dureté sont des propriétés matérielles différentes. La résistance est la capacité d’un matériau à résister à la déformation, tandis que la dureté est la capacité à résister à l’indentation et aux rayures de la surface. Ces propriétés ne sont pas interchangeables, mais leurs améliorations sont basées sur des procédures similaires mais pas identiques.

La haute résistance des matériaux est utile dans de nombreuses applications. Une application principale des matériaux renforcés est la construction. Afin d’avoir des bâtiments et des ponts plus solides, il faut avoir une charpente solide qui peut supporter une charge de traction ou de compression élevée et résister à la déformation plastique. Les outils sont également basés sur des matériaux à haute résistance (par exemple, l’acier à outils ou le cuivre au béryllium).

Une dureté élevée des matériaux est requise pour d’autres applications. Une application principale des matériaux durcis concerne les outils de coupe de machines (forets, tarauds, outils de tour), qui doivent être beaucoup plus durs que le matériau sur lequel ils fonctionnent pour être efficaces. Ces outils de coupe sont généralement en acier rapide. Les lames de couteau utilisent également des aciers à haute dureté pour garder un tranchant de lame. Les roulements doivent avoir une surface très dure qui résistera aux contraintes continues.

Trempe des métaux

La résistance des métaux et des alliages peut être modifiée par diverses combinaisons de travail à froid, d’alliage et de traitement thermique. Comme indiqué dans la section précédente, la capacité d’un matériau cristallin à se déformer plastiquement dépend en grande partie de la capacité de la dislocation à se déplacer dans un matériau. Par conséquent, empêcher le mouvement des dislocations entraînera le renforcement du matériau. Par exemple, une microstructure avec des grains plus fins se traduit généralement à la fois par une résistance plus élevée et une ténacité supérieure par rapport au même alliage avec des grains physiquement plus gros. En cas de taille de grain, il peut également y avoir un compromis entre les caractéristiques de résistance et de fluage. D’autres mécanismes de renforcement sont obtenus au détriment d’une ductilité et d’une ténacité inférieures. Il existe de nombreux mécanismes de renforcement, notamment:

• Renforcement de solution solide (alliage)
• Ecrouissage (travail à froid)
• Durcissement par précipitation
• Raffinement du grain
• Durcissement par transformation

Durcissement des métaux

En science des matériaux, la dureté est la capacité à résister à l’indentation de surface (déformation plastique localisée) et aux rayures. La dureté est probablement la propriété matérielle la plus mal définie car elle peut indiquer une résistance aux rayures, une résistance à l’abrasion, une résistance à l’indentation ou encore une résistance à la mise en forme ou à la déformation plastique localisée. La dureté est importante d’un point de vue technique car la résistance à l’usure par frottement ou érosion par la vapeur, l’huile et l’eau augmente généralement avec la dureté.

La trempe est un processus métallurgique de travail des métaux utilisé pour augmenter la dureté d’un métal. La dureté d’un métal est directement proportionnelle à la limite d’élasticité uniaxiale à l’emplacement de la déformation imposée. Pour améliorer la dureté d’un métal pur, nous pouvons utiliser différentes manières, parmi lesquelles:

• Méthode Hall-Petch
• Durcissement en solution solide (alliage)
• Ecrouissage (travail à froid)
• Durcissement par précipitation
• Trempe par transformation
• Durcissement par dispersion
• Durcissement superficiel

Dureté et résistance à la traction

Outre la corrélation entre les différents nombres de dureté, il existe également des corrélations possibles avec d’autres propriétés des matériaux. Par exemple, pour les aciers au carbone ordinaires traités thermiquement et les aciers moyennement alliés, une autre conversion pratique est celle de la dureté Brinell en résistance à la traction ultime. Dans ce cas, la résistance à la traction ultime (en psi) est approximativement égale à l’indice de dureté Brinell multiplié par 500. Généralement, une dureté élevée indiquera une résistance relativement élevée et une faible ductilité du matériau.

Dans l’industrie, les essais de dureté sur métaux sont principalement utilisés pour contrôler la qualité et l’homogénéité des métaux, notamment lors des opérations de traitement thermique. Les tests peuvent généralement être appliqués au produit fini sans dommage significatif.

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.
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González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
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JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir ci-dessus:
Travail des métaux

Aciers inoxydables

En métallurgie, l’acier inoxydable est un alliage d’acier avec au moins 10,5 % de chrome avec ou sans autres éléments d’alliage et un maximum de 1,2 % de carbone en masse. Les aciers inoxydables, également appelés aciers inox ou inox du français inoxydable (inoxydable), sont des alliages d’acier, qui sont très connus pour leur  résistance à la corrosion, qui augmente avec l’augmentation de la teneur en chrome. La résistance à la corrosion peut également être améliorée par des ajouts de nickel et de molybdène. La résistance de ces alliages métalliques aux effets chimiques des agents corrosifs repose sur la passivation. Pour que la passivation se produise et reste stable, l’ alliage Fe-Cr doit avoir une teneur minimale en chrome d’environ 10,5 % en poids, au-dessus duquel la passivité peut se produire et en-dessous duquel elle est impossible. Le chrome peut être utilisé comme élément de durcissement et est fréquemment utilisé avec un élément de durcissement tel que le nickel pour produire des propriétés mécaniques supérieures.

Utilisations des aciers inoxydables – Applications

La solidité et la résistance à la corrosion de l’acier inoxydable en font souvent le matériau de choix dans les équipements de transport et de traitement, les pièces de moteur et les armes à feu. La plupart des applications structurelles se produisent dans les industries chimiques et énergétiques, qui représentent plus du tiers du marché des produits en acier inoxydable. La grande variété d’applications comprend les cuves de réacteurs nucléaires, les échangeurs de chaleur. Le corps de la cuve du réacteur est construit en acier au carbone faiblement allié de haute qualité, mais toutes les surfaces qui entrent en contact avec le fluide de refroidissement du réacteur (très corrosif en raison de la présence d’acide borique) sont revêtues d’un minimum d’environ 3 à 10 mm d’ acier inoxydable austénitique afin de minimiser la corrosion.

L’acier inoxydable peut être roulé en feuilles, plaques, barres, fils et tubes. Les aciers inoxydables n’ont pas besoin d’être peints ou revêtus, ce qui les rend adaptés à une utilisation dans des applications où la propreté est requise: dans les ustensiles de cuisine, les couverts et les instruments chirurgicaux.

Types d’aciers inoxydables

L’acier inoxydable est un terme générique désignant une grande famille d’alliages résistant à la corrosion contenant au moins 10,5 % de chrome et pouvant contenir d’autres éléments d’alliage. Il existe de nombreuses nuances d’acier inoxydable avec des teneurs variables en chrome et en molybdène et avec une structure cristallographique variable pour s’adapter à l’environnement que l’alliage doit endurer. Les aciers inoxydables peuvent être divisés en cinq catégories:

• Aciers inoxydables ferritiques. Dans les aciers inoxydables ferritiques, le carbone est maintenu à des niveaux faibles (C<0,08 %) et la teneur en chrome peut varier de 10,50 à 30,00 %. Leur utilisation est généralement limitée à des sections relativement minces en raison du manque de ténacité des soudures. De plus, ils ont une résistance à haute température relativement faible. Les aciers ferritiques sont choisis pour leur résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte, ce qui en fait une alternative intéressante aux aciers inoxydables austénitiques dans les applications où la SCC induite par les chlorures est répandue.
• Aciers inoxydables austénitiques. Les aciers inoxydables austénitiques contiennent entre 16 et 25 % de Cr et peuvent également contenir de l’azote en solution, ce qui contribue à leur résistance relativement élevée à la corrosion. Les aciers inoxydables austénitiques ont la meilleure résistance à la corrosion de tous les aciers inoxydables et ils ont d’excellentes propriétés cryogéniques et une bonne résistance à haute température. La nuance la plus connue est l’acier inoxydable AISI 304, qui contient à la fois du chrome (entre 15 % et 20 %) et du nickel (entre 2 % et 10,5 %) comme principaux constituants non ferreux. L’acier inoxydable 304 a une excellente résistance à une large gamme d’environnements atmosphériques et à de nombreux milieux corrosifs. Ces alliages sont généralement caractérisés comme ductiles, soudables et durcissables par formage à froid.
• Aciers inoxydables martensitiques. Les aciers inoxydables martensitiques sont similaires aux aciers ferritiques en ce qu’ils sont à base de chrome mais ont des niveaux de carbone plus élevés pouvant atteindre 1 %. Ils sont parfois classés en aciers inoxydables martensitiques à faible teneur en carbone et à haute teneur en carbone. Ils ont une résistance modérée à la corrosion, mais sont considérés comme durs, solides et légèrement cassants. Ils sont magnétiques et peuvent être testés de manière non destructive en utilisant la méthode d’inspection par particules magnétiques, contrairement à l’acier inoxydable austénitique. Un acier inoxydable martensitique courant est l’AISI 440C, qui contient 16 à 18 % de chrome et 0,95 à 1,2 % de carbone. L’acier inoxydable de grade 440C est utilisé dans les applications suivantes : blocs étalons, coutellerie, roulements à billes et chemins de roulement, moules et matrices, couteaux.
• Aciers inoxydables duplex. Les aciers inoxydables duplex, comme leur nom l’indique, sont une combinaison de deux des principaux types d’alliages. Ils ont une microstructure mixte d’austénite et de ferrite, le but étant généralement de produire un mélange 50/50, bien que dans les alliages commerciaux, le rapport puisse être de 40/60. Leur résistance à la corrosion est similaire à celle de leurs homologues austénitiques, mais leur résistance à la corrosion sous contrainte (en particulier à la fissuration par corrosion sous contrainte du chlorure), leur résistance à la traction et leurs limites d’élasticité (environ deux fois la limite d’élasticité des aciers inoxydables austénitiques) sont généralement supérieures à celles des aciers austénitiques les notes. Les aciers Superduplex ont une résistance et une résistance accrues à toutes les formes de corrosion par rapport aux aciers austénitiques standards. Les utilisations courantes sont dans les applications marines, les usines pétrochimiques, les usines de dessalement, les échangeurs de chaleur et l’industrie papetière. Aujourd’hui, l’industrie pétrolière et gazière est le plus grand utilisateur et a fait pression pour des nuances plus résistantes à la corrosion, ce qui a conduit au développement d’aciers superduplex.
• Aciers inoxydables PH. Les aciers inoxydables PH (durcissement par précipitation) contiennent environ 17 % de chrome et 4 % de nickel. Ces aciers peuvent développer une résistance très élevée grâce à des ajouts d’aluminium, de titane, de niobium, de vanadium et/ou d’azote, qui forment des précipités intermétalliques cohérents au cours d’un processus de traitement thermique appelé vieillissement thermique. De toutes les nuances d’acier inoxydable disponibles, ils offrent généralement la meilleure combinaison de haute résistance associée à une excellente ténacité et résistance à la corrosion. Ils sont aussi résistants à la corrosion que les nuances austénitiques. Les utilisations courantes sont dans l’aérospatiale et certaines autres industries de haute technologie.

Superalliages

Les superalliages, ou alliages hautes performances, sont des alliages non ferreux qui présentent une résistance et une stabilité de surface exceptionnelles à haute température. Leur capacité à fonctionner en toute sécurité à une fraction élevée de leur point de fusion (jusqu’à 85 % de leurs points de fusion (T_m) exprimés en degrés Kelvin, 0,85) est leur principale caractéristique. Les superalliages sont généralement utilisés à des températures supérieures à 540 °C (1000 °F), car à ces températures, les alliages d’acier et de titane ordinaires perdent leurs forces, la corrosion est également courante dans les aciers à cette température. A haute température, les superalliages conservent leur résistance mécanique, leur résistance au fluage thermique déformation, stabilité de surface et résistance à la corrosion ou à l’oxydation. Certains superalliages à base de nickel peuvent résister à des températures supérieures à 1200 °C, selon la composition de l’alliage. Les superalliages sont souvent coulés sous forme de monocristal, tandis que les joints de grains peuvent fournir de la résistance, ils diminuent la résistance au fluage.

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. Les applications actuelles incluent:

• Turbines à gaz pour avions
• Centrales électriques à turbine à vapeur
• Applications médicales
• Véhicules spatiaux et moteurs de fusée
• Équipement de traitement thermique
• Centrales nucléaires

Le nickel est l’élément de base des superalliages, qui sont un groupe d’alliages de nickel, de fer-nickel et de cobalt utilisés dans les moteurs à réaction. 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.

Propriétés des aciers inoxydables par rapport aux superalliages

Les propriétés des matériaux sont des propriétés intensives, c’est-à-dire qu’elles sont indépendantes de la quantité de masse et peuvent varier d’un endroit à l’autre du système à tout moment. La base de la science des matériaux consiste à étudier la structure des matériaux et à les relier à leurs propriétés (mécaniques, électriques, etc.). Une fois qu’un scientifique des matériaux connaît cette corrélation structure-propriété, il peut ensuite étudier les performances relatives d’un matériau dans une application donnée. Les principaux déterminants de la structure d’un matériau et donc de ses propriétés sont ses éléments chimiques constitutifs et la manière dont il a été transformé en sa forme finale.

Densité des aciers inoxydables vs superalliages

La densité d’ un superalliage typique est de 8,22 g/cm³.

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 (N_A  = 6,022×10²³ atomes ou molécules par mole):
• Structure en cristal. La densité de la substance cristalline est significativement affectée par sa structure cristalline. La structure FCC, avec son parent hexagonal (hcp), a le facteur de tassement le plus efficace (74%). Les métaux contenant des structures FCC comprennent l’austénite, l’aluminium, le cuivre, le plomb, l’argent, l’or, le nickel, le platine et le thorium.

Propriétés mécaniques des aciers inoxydables par rapport aux superalliages

Les matériaux sont fréquemment choisis pour diverses applications car ils présentent des combinaisons souhaitables de caractéristiques mécaniques. Pour les applications structurelles, les propriétés des matériaux sont cruciales et les ingénieurs doivent en tenir compte.

Résistance des aciers inoxydables par rapport aux superalliages

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 inoxydable – type 304L est de 485 MPa.

Résistance à la traction ultime de  l’acier inoxydable ferritique  – La nuance 430 est de 480 MPa.

La résistance à la traction ultime de  l’acier inoxydable martensitique  – le grade 440C est de 760 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 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 inoxydable – type 304L est de 170 MPa.

Limite d’élasticité de  l’acier inoxydable ferritique  – Le grade 430 est de 310 MPa.

Limite d’élasticité de  l’acier inoxydable martensitique – Le grade 440C est de 450 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 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 inoxydable ferritique – Grade 430 est de 220 GPa.

Le module de Young de l’ acier inoxydable martensitique – Grade 440C est de 200 GPa.

Le module de Young des aciers inoxydables duplex – SAF 2205 est de 200 GPa.

Le module de Young du superalliage – Inconel 718 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 des aciers inoxydables vs superalliages

La dureté Brinell de  l’acier inoxydable ferritique  – Grade 430 est d’environ 180 MPa.

La dureté Brinell de  l’acier inoxydable martensitique – Grade 440C est d’environ 270 MPa.

La dureté Brinell des aciers inoxydables duplex – SAF 2205 est d’environ 217 MPa.

La dureté Brinell du superalliage – Inconel 718 dépend du processus de traitement thermique, mais elle est d’environ 330 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 des aciers inoxydables par rapport aux superalliages

Les propriétés thermiques  des matériaux font référence à la réponse des matériaux aux changements de  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.

La capacité calorifique, la dilatation thermique et la conductivité thermique sont des propriétés qui sont souvent critiques dans l’utilisation pratique des solides.

Point de fusion des aciers inoxydables vs superalliages

Le point de fusion de l’acier inoxydable – l’acier de type 304 est d’environ 1450 °C.

Point de fusion de  l’acier inoxydable ferritique – L’acier de nuance 430 est d’environ 1450 °C.

Point de fusion de  l’acier inoxydable martensitique – L’  acier de nuance 440C est d’environ 1450 °C.

Le point de fusion du superalliage – l’acier Inconel 718 est d’environ 1400°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 aciers inoxydables par rapport aux superalliages

La conductivité thermique de l’acier inoxydable – type 304 est de 20 W/(mK).

La conductivité thermique de l’ acier inoxydable ferritique – Grade 430 est de 26 W/(mK).

La conductivité thermique de l’ acier inoxydable martensitique – Grade 440C est de 24 W/(mK).

La conductivité thermique du superalliage – Inconel 718 est de 6,5 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.

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.
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JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir ci-dessus:
Alliages

La résistance et la dureté sont des propriétés matérielles différentes. La résistance est la capacité d’un matériau à résister à la déformation, tandis que la dureté est la capacité à résister à l’indentation et aux rayures de la surface. Ces propriétés ne sont pas interchangeables, mais leurs améliorations sont basées sur des procédures similaires mais pas identiques.

La haute résistance des matériaux est utile dans de nombreuses applications. Une application principale des matériaux renforcés est la construction. Afin d’avoir des bâtiments et des ponts plus solides, il faut avoir une charpente solide qui peut supporter une charge de traction ou de compression élevée et résister à la déformation plastique. Les outils sont également basés sur des matériaux à haute résistance (par exemple, l’acier à outils ou le cuivre au béryllium).

Une dureté élevée des matériaux est requise pour d’autres applications. Une application principale des matériaux durcis concerne les outils de coupe de machines (forets, tarauds, outils de tour), qui doivent être beaucoup plus durs que le matériau sur lequel ils fonctionnent pour être efficaces. Ces outils de coupe sont généralement en acier rapide. Les lames de couteau utilisent également des aciers à haute dureté pour garder un tranchant de lame. Les roulements doivent avoir une surface très dure qui résistera aux contraintes continues.

Durcissement des métaux

En science des matériaux, la dureté est la capacité à résister à l’indentation de surface (déformation plastique localisée) et aux rayures. La dureté est probablement la propriété matérielle la plus mal définie car elle peut indiquer une résistance aux rayures, une résistance à l’abrasion, une résistance à l’indentation ou encore une résistance à la mise en forme ou à la déformation plastique localisée. La dureté est importante d’un point de vue technique car la résistance à l’usure par frottement ou érosion par la vapeur, l’huile et l’eau augmente généralement avec la dureté.

La trempe est un processus métallurgique de travail des métaux utilisé pour augmenter la dureté d’un métal. La dureté d’un métal est directement proportionnelle à la limite d’élasticité uniaxiale à l’emplacement de la déformation imposée. Pour améliorer la dureté d’un métal pur, nous pouvons utiliser différentes manières, parmi lesquelles:

• Méthode Hall-Petch
• Durcissement en solution solide (alliage)
• Ecrouissage (travail à froid)
• Durcissement par précipitation
• Trempe par transformation
• Durcissement par dispersion
• Durcissement superficiel

Dureté et résistance à la traction

Outre la corrélation entre les différents nombres de dureté, il existe également des corrélations possibles avec d’autres propriétés des matériaux. Par exemple, pour les aciers au carbone ordinaires traités thermiquement et les aciers moyennement alliés, une autre conversion pratique est celle de la dureté Brinell en résistance à la traction ultime. Dans ce cas, la résistance à la traction ultime (en psi) est approximativement égale à l’indice de dureté Brinell multiplié par 500. Généralement, une dureté élevée indiquera une résistance relativement élevée et une faible ductilité du matériau.

Dans l’industrie, les essais de dureté sur métaux sont principalement utilisés pour contrôler la qualité et l’homogénéité des métaux, notamment lors des opérations de traitement thermique. Les tests peuvent généralement être appliqués au produit fini sans dommage significatif.

Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993.
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