Le cuivre de haute pureté est un métal doux, malléable et ductile avec une conductivité thermique et électrique très élevée. Une surface fraîchement exposée de cuivre pur a une couleur rouge-orange. Le cuivre est utilisé comme conducteur de chaleur et d’électricité, comme matériau de construction et comme constituant de divers alliages métalliques, tels que l’argent sterling utilisé dans les bijoux, le cupronickel utilisé pour fabriquer du matériel marin et des pièces de monnaie, et le constantan utilisé dans les jauges de contrainte et les thermocouples. pour la mesure de la température. Le cuivre de haute pureté a une résistance ultime d’environ 210 MPa et une limite d’élasticité de 33 MPa, ce qui limite son utilisation dans les applications industrielles. Mais comme pour les autres alliages, le cuivre peut être renforcé. Le principal mécanisme de renforcement est l’ alliage dans des alliages à base de Cu.
Le cuivre est un matériau souple, résistant, ductile et malléable. Ces propriétés rendent le cuivre extrêmement approprié pour le formage de tubes, le tréfilage, le repoussage et l’emboutissage profond. Les autres propriétés clés présentées par le cuivre et ses alliages comprennent: Historiquement, l’alliage du cuivre avec un autre métal, par exemple l’étain pour fabriquer du bronze, a été pratiqué pour la première fois environ 4000 ans après la découverte de la fusion du cuivre, et environ 2000 ans après la généralisation du « bronze naturel ». Une civilisation ancienne est définie comme étant à l’ âge du bronze soit en produisant du bronze en fondant son propre cuivre et en l’alliant avec de l’étain, de l’arsenic ou d’autres métaux. Les principales applications du cuivre sont les fils électriques (60 %), les toitures et la plomberie (20 %) et les machines industrielles (15 %). Le cuivre est principalement utilisé comme métal pur, mais lorsqu’une plus grande dureté est requise, il est utilisé dans des alliages tels que le laiton et le bronze (5 % de l’utilisation totale). Le cuivre et les alliages à base de cuivre dont les laitons (Cu-Zn) et les bronzes (Cu-Sn) sont largement utilisés dans différentes applications industrielles et sociétales. Certaines des utilisations courantes des alliages de laiton comprennent les bijoux de fantaisie, les serrures, les charnières, les engrenages, les roulements, les douilles de munitions, les radiateurs automobiles, les instruments de musique, les emballages électroniques et les pièces de monnaie. Le bronze, ou les alliages et mélanges de type bronze, ont été utilisés pour les pièces de monnaie sur une plus longue période. est encore largement utilisé aujourd’hui pour les ressorts, les roulements, les bagues, roulements pilotes de transmission automobile et accessoires similaires, et est particulièrement courant dans les roulements de petits moteurs électriques. 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. Comme cela a été écrit, il existe jusqu’à 400 compositions différentes de cuivre et d’alliages de cuivre regroupées dans les catégories suivantes: cuivre, alliage à haute teneur en cuivre, laitons, bronzes, nickels de cuivre, cuivre-nickel-zinc (argent nickel), cuivre au plomb et métaux spéciaux. alliages. Dans les points suivants, nous résumons les principales propriétés de certains matériaux à base de cuivre. Actuellement, l’option privilégiée pour le stockage définitif des déchets radioactifs de haute activité est un dépôt géologique en profondeur (DGR), qui est un emplacement souterrain dans des formations géologiques stables. La roche cristalline (granite, tuf soudé et basalte), le sel et l’argile sont les formations les plus adaptées au stockage géologique. Le cycle à passage unique considère le combustible nucléaire usé comme un déchet de haute activité (HA) et, par conséquent, il est directement stocké dans une installation de stockage sans être soumis à aucun processus chimique, où il sera stocké en toute sécurité pendant des millions de ans jusqu’à ce que sa radiotoxicité atteigne les niveaux de l’uranium naturel ou un autre niveau de référence sûr. Une des options possibles est d’encapsuler ce combustible usé dans des capsules de cuivre (alliage CuOFP – cuivre désoxygéné contenant du phosphore) et de déposer ces canisters dans une couche d’argile bentonite, dans un trou circulaire, de huit mètres de profondeur et d’un diamètre de deux mètres, foré dans une grotte à 500 mètres de profondeur dans la roche cristalline. Les gisements de cuivre natif (pur) dans le monde ont prouvé que le cuivre utilisé dans le conteneur de stockage final peut rester inchangé à l’intérieur de la roche pendant des périodes extrêmement longues, si les conditions géochimiques sont appropriées (faibles niveaux d’écoulement des eaux souterraines). Les découvertes d’anciens outils en cuivre, vieux de plusieurs milliers d’années, démontrent également la résistance à la corrosion à long terme du cuivre, ce qui en fait un matériau de conteneur crédible pour le stockage à long terme des déchets radioactifs. Le cuivre à pas dur électrolytique, UNS C11000, est du cuivre pur (avec un maximum de 0,0355% d’impuretés) raffiné par un procédé de raffinage électrolytique et c’est la qualité de cuivre la plus largement utilisée dans le monde. L’ETP a une conductivité minimale de 100 % IACS et doit être pure à 99,9 %. Il a 0,02% à 0,04% d’oxygène contenu (typique). Le câblage électrique est le marché le plus important pour l’industrie du cuivre. Cela comprend le câblage d’alimentation structurel, le câble de distribution d’alimentation, le fil d’appareil, le câble de communication, le fil et le câble automobile et le fil magnétique. Environ la moitié de tout le cuivre extrait est utilisé pour les conducteurs de fils et de câbles électriques. Le cuivre pur a la meilleure conductivité électrique et thermique de tous les métaux commerciaux. La conductivité du cuivre est de 97 % celle de l’argent. En raison de son coût beaucoup plus faible et de sa plus grande abondance, le cuivre est traditionnellement le matériau standard utilisé pour les applications de transmission d’électricité. Selon la Copper Development Association: „Le terme «brai dur» vient de l’époque où le cuivre fondu, après affinage, était coulé dans des lingotières. Pendant le raffinage, le cuivre a été oxydé pour éliminer les impuretés puis réduit par l’hydrogène pour donner le niveau d’oxygène correct. Pour surveiller ce processus, un petit échantillon a été prélevé et la surface de solidification observée. Si la surface coulait, il y avait trop d’oxygène; s’il était élevé, il y avait trop d’hydrogène. S’il était de niveau (pas correct), l’oxygène était correct et les propriétés bonnes; en d’autres termes ‘dur’, d’où un pitch dur.“ Source: https://copperalliance.org.u 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. 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. Historiquement, l’alliage du cuivre avec un autre métal, par exemple l’étain pour fabriquer du bronze, a été pratiqué pour la première fois environ 4000 ans après la découverte de la fusion du cuivre, et environ 2000 ans après que le « bronze naturel » soit devenu d’usage général. Une civilisation ancienne est définie comme étant à l’âge du bronze soit en produisant du bronze en fondant son propre cuivre et en l’alliant avec de l’étain, de l’arsenic ou d’autres métaux. Le bronze, ou les alliages et mélanges de type bronze, ont été utilisés pour les pièces de monnaie sur une plus longue période. est encore largement utilisé aujourd’hui pour les ressorts, les roulements, les bagues, les roulements pilotes de transmission automobile et les raccords similaires, et est particulièrement courant dans les roulements des petits moteurs électriques. 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. 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). Les propriétés des matériaux sont des propriétés intensives, c’est-à-dire qu’elles sont indépendantes de la quantité de masse et peuvent varier d’un endroit à l’autre du système à tout moment. La base de la science des matériaux consiste à étudier la structure des matériaux et à les relier à leurs propriétés (mécaniques, électriques, etc.). Une fois qu’un spécialiste des matériaux connaît cette corrélation structure-propriété, il peut ensuite étudier les performances relatives d’un matériau dans une application donnée. Les principaux déterminants de la structure d’un matériau et donc de ses propriétés sont ses éléments chimiques constitutifs et la manière dont il a été transformé en sa forme finale. 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. 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. La résistance à la traction ultime du cuivre à brai électrolytique (ETP) est d’environ 250 MPa. La résistance à la traction ultime du laiton de 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 du cupronickel – UNS C70600 est d’environ 275 MPa. La résistance à la traction ultime du maillechort – UNS C75700 est d’environ 400 MPa. La force d’épreuve du cuivre à brai résistant à l’électrolyse (ETP) est comprise entre 60 et 300 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 du cupronickel – UNS C70600 est d’environ 105 MPa. Limite d’élasticité du maillechort – UNS C75700 est d’environ 170 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. Le module de Young du cuivre à brai résistant à l’électrolyse (ETP) est d’environ 120 GPa. Le module de Young du laiton de cartouche – UNS C26000 est d’environ 95 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 du cupronickel – UNS C70600 est d’environ 135 GPa. Le module de Young du maillechort – UNS C75700 est d’environ 117 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. La dureté Vickers du cuivre à brai électrolytique (ETP) dépend fortement de l’état du matériau, mais elle se situe entre 50 et 150 HV. La dureté Brinell du laiton à 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. La dureté Brinell du cupronickel – UNS C70600 est d’environ HB 100. La dureté Rockwell du maillechort – UNS C75700 est d’environ 45 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. Les propriétés thermiques des matériaux font référence à la réponse des matériaux aux changements de leur thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/ »>température et à l’application de chaleur. Lorsqu’un solide absorbe de thermodynamics/what-is-energy-physics/ »>l’énergie sous forme de chaleur, sa température augmente et ses dimensions augmentent. Mais différents matériaux réagissent différemment à l’application de chaleur. La capacité calorifique, la dilatation thermique et la conductivité thermique sont des propriétés qui sont souvent critiques dans l’utilisation pratique des solides. Le point de fusion du cuivre à brai électrolytique (ETP) est d’environ 1085 °C. Le point de fusion du laiton de 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. Le point de fusion du cupronickel – UNS C70600 est d’environ 1100 °C. Le point de fusion du maillechort – UNS C75700 est d’environ 1040 °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. La conductivité thermique du cuivre à brai électrolytique (ETP) est de 394 W/(mK). La conductivité thermique du laiton cartouche – 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). La conductivité thermique du cupronickel – UNS C70600 est de 40 W/(mK). La conductivité thermique du maillechort – UNS C75700 est de 40 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. La conductivité électrique du cuivre à brai électrolytique (ETP) est de 101 % IACS (environ 58,6 MS/m). La conductivité électrique du laiton à cartouche – UNS C26000 est d’environ 30 % IACS (environ 17 MS/m). La résistivité électrique et son inverse, la conductivité électrique, est une propriété fondamentale d’un matériau qui quantifie la force avec laquelle il résiste ou conduit le flux de courant électrique. Une faible résistivité indique un matériau qui permet facilement la circulation du courant électrique. Le symbole de la résistivité est généralement la lettre grecque ρ (rho). L’unité SI de résistivité électrique est l’ohmmètre (Ω⋅m). Notez que la résistivité électrique n’est pas la même chose que la résistance électrique. La résistance électrique est exprimée en Ohms. Alors que la résistivité est une propriété matérielle, la résistance est la propriété d’un objet.
Les alliages de cuivre sont des alliages à base de cuivre, dans lesquels les principaux éléments d’alliage sont Zn, Sn, Si, Al, Ni. Les alliages à base de Cu constituent principalement des solutions solides de substitution, pour lesquelles des atomes de soluté ou d’impureté remplacent ou se substituent aux atomes hôtes . Plusieurs caractéristiques des atomes de soluté et de solvant déterminent le degré de dissolution du premier dans le second. Celles-ci sont exprimées par les règles de Hume-Rothery. Il existe jusqu’à 400 compositions différentes de cuivre et d’alliages de cuivre vaguement regroupés en catégories : cuivre, alliage à haute teneur en cuivre, laitons, bronzes, nickels de cuivre, cuivre-nickel-zinc (maillechort), cuivre au plomb et alliages spéciaux. De plus, un nombre limité d’alliages de cuivre peuvent être renforcés par traitement thermique. par conséquent, le travail à froid et/ou l’alliage en solution solide doivent être utilisés pour améliorer ces propriétés mécaniques.Propriétés du cuivre
Utilisations du cuivre et des alliages de cuivre
Types d’alliages de cuivre
Cuivre à brai électrolytique (ETP). Le cuivre de brai dur électrolytique, UNS C11000, est du cuivre pur (avec un maximum de 0,0355% d’impuretés) raffiné par un processus de raffinage électrolytique et c’est la qualité de cuivre la plus largement utilisée dans le monde. L’ETP a une conductivité minimale de 100 % IACS et doit être pure à 99,9 %. Il a 0,02% à 0,04% d’oxygène contenu (typique). Le câblage électrique est le marché le plus important pour l’industrie du cuivre. Cela comprend le câblage d’alimentation structurel, le câble de distribution d’alimentation, le fil d’appareil, le câble de communication, le fil et le câble automobile et le fil magnétique. Environ la moitié de tout le cuivre extrait est utilisé pour les conducteurs de fils et de câbles électriques. Le cuivre pur a la meilleure conductivité électrique et thermique de tous les métaux commerciaux. La conductivité du cuivre est de 97 % celle de l’argent. En raison de son coût beaucoup plus faible et de sa plus grande abondance, le cuivre est traditionnellement le matériau standard utilisé pour les applications de transmission d’électricité.Cuivre et gestion des déchets
Cuivre à brai électrolytique (ETP)
Laiton
Laiton c’est le terme générique pour 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.Bronze
Types de bronzes
Propriétés des alliages de cuivre
Propriétés mécaniques des alliages de cuivre
Résistance des alliages de cuivre
Résistance à la traction ultime
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
Module de Young
Dureté des alliages de cuivre
Propriétés thermiques des alliages de cuivre
Point de fusion des alliages de cuivre
Conductivité thermique des alliages de cuivre
Conductivité électrique des alliages de cuivre
Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993. Voir ci-dessus:
US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
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En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
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Alliages
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