Le nickel est un métal brillant blanc argenté avec une légère teinte dorée. Le nickel est l’un des éléments d’alliage les plus courants. Environ 65 % de la production de nickel est utilisée dans les aciers inoxydables. Étant donné que le nickel ne forme aucun composé de carbure dans l’acier, il reste en solution dans la ferrite, renforçant et durcissant ainsi la phase de ferrite. Les aciers au nickel sont facilement traités thermiquement car le nickel réduit la vitesse de refroidissement critique.
Les alliages à base de nickel (par exemple les alliages Fe-Cr-Ni(Mo)) présentent une excellente ductilité et ténacité, même à des niveaux de résistance élevés et ces propriétés sont conservées jusqu’à de basses températures. Le nickel et ses alliages sont très résistants à la corrosion dans de nombreux environnements, notamment ceux qui sont basiques (alcalins). Le nickel réduit également la dilatation thermique pour une meilleure stabilité dimensionnelle. Le nickel est l’élément de base des superalliages. Ces métaux ont une excellente résistance à la déformation par fluage thermique et conservent leur rigidité, leur résistance, leur ténacité et leur stabilité dimensionnelle à des températures beaucoup plus élevées que les autres matériaux de structure aérospatiaux.
Types d’Alliages de Nickel
Superalliages à base de nickel
Les superalliages à base de nickel constituent actuellement plus de 50 % du poids des moteurs d’avions avancés. Les superalliages à base de nickel comprennent les alliages renforcés en solution solide et les alliages durcissables par vieillissement. Les alliages durcissables par vieillissement consistent en une matrice austénitique (fcc) dispersée avec précipitation cohérente d’un Ni3 (Al,Ti) intermétallique de structure fcc. Les superalliages à base de Ni sont des alliages avec du nickel en tant qu’élément d’alliage principal qui sont préférés comme matériau de lame dans les applications décrites précédemment, plutôt que des superalliages à base de Co ou de Fe. Ce qui est important pour les superalliages à base de Ni, c’est leur résistance élevée, leur résistance au fluage et à la corrosion à haute température. Il est courant de couler des aubes de turbine sous forme solidifiée directionnellement ou sous forme monocristalline. Les aubes monocristallines sont principalement utilisées dans la première rangée de l’étage de turbine.
Par exemple, Inconel est une marque déposée de Special Metals pour une famille de superalliages austénitiques à base de nickel-chrome. L’Inconel 718 est un superalliage à base de nickel qui possède des propriétés de haute résistance et une résistance aux températures élevées. Il démontre également une protection remarquable contre la corrosion et l’oxydation. La résistance à haute température de l’Inconel est développée par un renforcement en solution solide ou un durcissement par précipitation, selon l’alliage. L’Inconel 718 est composé de 55 % de nickel, 21 % de chrome, 6 % de fer et de petites quantités de manganèse, de carbone et de cuivre.
Argent Nickel
Le maillechort, également connu sous le nom d’argent allemand, de laiton nickelé ou d’alpaga, est un alliage de cuivre avec du nickel et souvent du zinc. Par exemple, l’alliage de cuivre nickel argent 65-12 UNS C75700 a une bonne résistance à la corrosion et au ternissement, et une formabilité élevée. Le maillechort est nommé en raison de son aspect argenté, mais il ne contient pas d’argent élémentaire à moins qu’il ne soit plaqué.
Constantan
Le constantan est un alliage cuivre-nickel composé généralement de 55% de cuivre et de 45% de nickel et de quantités mineures spécifiques d’éléments supplémentaires pour obtenir des valeurs précises (presque constantes) du coefficient de température de résistivité. Cela signifie que sa principale caractéristique est la faible variation thermique de sa résistivité, qui est constante sur une large plage de températures. D’autres alliages avec des coefficients de température également bas sont connus, comme le manganin.
Cet alliage a une résistivité électrique élevée (4,9 x 10−7 Ω·m), suffisamment élevée pour atteindre des valeurs de résistance appropriées même dans de très petites grilles, le coefficient de température de résistance le plus bas et la FEM thermique la plus élevée (également connue sous le nom d’effet Seebeck) contre le platine de n’importe lequel des alliages cuivre-nickel. En raison des deux premières de ces propriétés, il est utilisé pour les résistances électriques, et en raison de la dernière propriété, pour les thermocouples. Les thermocouples sont des appareils électriques constitués de deux conducteurs électriques dissemblables formant une jonction électrique. Un thermocouple produit une tension dépendant de la température en raison de l’effet thermoélectrique, et cette tension peut être interprétée pour mesurer la température.
Par exemple, le constantan est l’élément négatif du thermocouple de type J, le fer étant le positif. Les thermocouples de type J sont utilisés dans les applications de traitement thermique. De plus, Constantan est l’élément négatif du thermocouple de type T avec le cuivre le positif. Ces thermocouples sont utilisés à des températures cryogéniques.
Dans les réacteurs nucléaires, les thermocouples sont positionnés à des emplacements présélectionnés pour mesurer la température de sortie du liquide de refroidissement de l’assemblage combustible pour une utilisation dans la surveillance du partage de puissance radiale du cœur et du liquide de refroidissement. Mais dans ce cas, les thermocouples doivent résister à l’irradiation neutronique, donc le type E (chromel-alumel) ou d’autres thermocouples spéciaux sont préférés.
Invar
L’Invar est un groupe d’alliages nickel-fer à faible dilatation thermique constitués principalement de nickel et de fer (par exemple FeNi36). Le nom Invar vient du mot invariable, faisant référence à son manque relatif d’expansion ou de contraction avec les changements de température. L’alliage Invar est ductile et facilement soudable, et l’usinabilité est similaire à celle de l’acier inoxydable austénitique.
L’invar est utilisé là où une stabilité dimensionnelle élevée est requise, comme les instruments de précision, les horloges. Les alliages à faible coefficient de dilatation constituent l’essentiel des bimétalliques et des thermostats. L’invar lui-même est encore utilisé aujourd’hui dans un grand nombre d’appareils électroménagers, des fers à repasser et grille-pain électriques aux cuisinières à gaz et aux coupures de sécurité incendie. Les invars peuvent également être utilisés dans les joints verre-métal et les composants électroniques et radio. Presque tous les condenseurs variables sont en Invar. Les jambes de force des moteurs à réaction sont en Invar pour assurer la rigidité aux changements de température.
Propriétés des alliages de 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.
Propriétés mécaniques des alliages de nickel
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 nickel
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 constantan – 45Ni-55Cu dépend fortement de la procédure de traitement thermique, mais pour l’alliage recuit, elle est d’environ 420 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 constantan – 45Ni-55Cu dépend fortement de la procédure de traitement thermique, mais pour l’alliage recuit, elle est d’environ 150 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 constantan – 45Ni-55Cu est d’environ 162 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 nickel
La dureté Rockwell du constantan – 45Ni-55Cu est d’environ 50 HRB.
Le test de dureté Rockwell est l’un des tests de dureté par indentation les plus courants, qui a été développé pour les tests de dureté. Contrairement au test Brinell, le testeur Rockwell mesure la profondeur de pénétration d’un pénétrateur sous une charge importante (charge majeure) par rapport à la pénétration faite par une précharge (charge mineure). La charge mineure établit la position zéro. La charge majeure est appliquée, puis retirée tout en maintenant la charge mineure. La différence entre la profondeur de pénétration avant et après l’application de la charge principale est utilisée pour calculer le nombre de dureté Rockwell. C’est-à-dire que la profondeur de pénétration et la dureté sont inversement proportionnelles. Le principal avantage de la dureté Rockwell est sa capacité à afficher directement les valeurs de dureté. Le résultat est un nombre sans dimension noté HRA, HRB, HRC, etc., où la dernière lettre est l’échelle Rockwell respective.
Le test Rockwell C est réalisé avec un pénétrateur Brale (cône diamant 120°) et une charge majeure de 150kg.
Propriétés thermiques des alliages de nickel
Les propriétés thermiques des matériaux font référence à la réponse des matériaux aux changements de leur température et à l’application de chaleur. Lorsqu’un solide absorbe de l’énergie sous forme de chaleur, sa température augmente et ses dimensions augmentent. Mais différents matériaux réagissent différemment à l’application de chaleur.
La capacité calorifique, la dilatation thermique et la conductivité thermique sont des propriétés qui sont souvent critiques dans l’utilisation pratique des solides.
Point de fusion des alliages de nickel
Le point de fusion du constantan – 45Ni-55Cu est d’environ 1210°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 nickel
La conductivité thermique du constantan – 45Ni-55Cu est de 21 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.
Coefficient de température de résistance de Constantan
Le coefficient de température de résistance (TCR), qui décrit à quel point sa valeur change lorsque sa température change, du constantan – 45Ni-55Cu est de ± 30 ppm/°C. Il est généralement exprimé en ppm/°C (parties par million par degré centigrade).
Coefficient de dilatation thermique de Constantan
Le coefficient linéaire de dilatation thermique du constantan entre 25 et 105 °C est de 14,9 x 10-6 K-1.
Le coefficient linéaire de dilatation thermique de l’invar – FeNi36 à 25 à 105 °C est d’environ 1,2 x 10-6 K-1 (1,2 ppm/°C).
La dilatation thermique est généralement la tendance de la matière à changer ses dimensions en réponse à un changement de température. Il est généralement exprimé sous la forme d’un changement fractionnaire de longueur ou de volume par unité de changement de température. La dilatation thermique est courante pour les solides, les liquides et les gaz. Contrairement aux gaz ou aux liquides, les matériaux solides ont tendance à conserver leur forme lorsqu’ils subissent une dilatation thermique. Un coefficient de dilatation linéaire est généralement utilisé pour décrire la dilatation d’un solide, tandis qu’un coefficient de dilatation volumique est plus utile pour un liquide ou un gaz.
Le coefficient de dilatation thermique linéaire est défini comme suit:
où L est une mesure de longueur particulière et dL/dT est le taux de changement de cette dimension linéaire par unité de changement de température.
Résistivité électrique de Constantan
La résistivité électrique du constantan – 45Ni-55Cu est de 4,9 x 10−7 Ω·m, suffisamment élevée pour obtenir des valeurs de résistance appropriées même dans de très petites grilles.
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.
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Voir ci-dessus:
Alliages
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