Que sont les métaux légers et les alliages – Définition

Les métaux légers et leurs alliages sont des matériaux de densité relativement faible et de rapports résistance/poids élevés. Ces métaux et alliages sont d’une grande importance dans les applications d’ingénierie pour les transports terrestres, maritimes, aériens et spatiaux. Le magnésium, l’aluminium et le titane sont des métaux légers d’importance commerciale significative. Ces trois métaux et leurs alliages constituent la majeure partie des matériaux métalliques à rapport résistance/poids élevé utilisés dans les systèmes industriels. L’aluminium est le plus polyvalent de ces matériaux et le titane est le plus résistant à la corrosion avec une résistance très élevée, tandis que le magnésium a la densité la plus faible. Leurs densités de 1,7 (magnésium), 2,7 (aluminium) et 4,5 g/cm³ (titane) varient de 19 à 56 % des densités des métaux de structure plus anciens, le fer (7,9 g/cm³) et le cuivre (8,9 g/cm³). Les métaux communément classés comme métaux légers sont ceux dont la masse volumique est inférieure à la masse volumique de l’ acier (7,8 g/cm³ ou 0,28 lb/in.³).

Étant donné que ces métaux purs sont généralement des matériaux plus mous avec une résistance insuffisante, ils doivent être alliés pour atteindre les propriétés mécaniques cibles. Par exemple, l’aluminium de haute pureté est un matériau souple avec une résistance ultime d’environ 10 MPa, ce qui limite sa facilité d’utilisation dans les applications industrielles. D’autre part, la résistance à la traction de l’alliage d’aluminium 6061 peut atteindre plus de 290 MPa selon l’état du matériau. Par conséquent, nous discutons principalement des alliages au lieu des métaux purs.

Application d’alliages légers

Les alliages légers sont largement utilisés dans les applications aérospatiales, automobiles, architecturales, lithographiques, d’emballage, électriques et électroniques. Ils sont 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. Un kilogramme de métal économisé dans la conception et la construction d’un avion peut entraîner d’importantes économies de poids sur les coûts de construction et sur les besoins totaux en carburant.

D’autres métaux, tels que l’acier et le titane, sont parfois utilisés pour construire des avions. L’acier est lourd, donc on n’en utilise pas trop. Le titane est presque aussi solide que l’acier, a un poids moyen, résiste à la chaleur et à la corrosion. Par exemple, le Lockheed SR-71 Blackbird, l’avion à réaction le plus rapide au monde, est en titane. Dans certains cas, ces alliages légers peuvent être remplacés par des matériaux composites notamment ceux à base de fibres de verre, de fibres de carbone et de Kevlar. Ces matériaux composites sont résistants mais peuvent peser deux fois moins que l’aluminium. Ces matériaux légers et personnalisables sont de plus en plus populaires. Plus de la moitié des matériaux utilisés pour fabriquer le Boeing 787 Dreamliner sont des composites.

Les alliages légers à base de métaux peuvent également être utilisés pour des pièces qui fonctionnent à des vitesses élevées et doivent donc être légers pour minimiser les forces d’inertie. D’autres 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).

Types d’alliages légers

Comme cela a été écrit, le magnésium, l’aluminium et le titane sont des métaux légers d’importance commerciale significative. Ces trois métaux et leurs alliages constituent la majeure partie des matériaux métalliques à rapport résistance/poids élevé utilisés dans les systèmes industriels. L’aluminium est le plus polyvalent de ces matériaux et le titane est le plus résistant à la corrosion avec une résistance très élevée, tandis que le magnésium a la densité la plus faible. En plus de ces métaux, le béryllium est également un métal léger à haute résistance avec un module élastique très élevé (303 GPa) qui est de plus en plus utilisé comme matériau de structure dans les véhicules aérospatiaux. Le module d’élasticité du béryllium est presque trois fois supérieur à celui du titane.

• Alliages d’aluminium. 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.
• Alliages de magnésium. 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 (1 202 °F)) de tous les métaux alcalino-terreux. 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. 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.
• Alliages de titane. Les alliages de titane sont des métaux qui contiennent un mélange de titane et d’autres éléments chimiques. Ces alliages ont une résistance à la traction et une ténacité très élevées (même à des températures extrêmes). Ils sont légers, ont une résistance à la corrosion extraordinaire et la capacité de résister à des températures extrêmes. Bien que le titane « commercialement pur » ait des propriétés mécaniques acceptables et ait été utilisé pour les implants orthopédiques et dentaires, pour la plupart des applications, le titane est allié avec de petites quantités d’aluminium et de vanadium, généralement 6% et 4% respectivement, en poids. Ce mélange a une solubilité solide qui varie considérablement avec la température, ce qui lui permet de subir un renforcement par précipitation.

Propriétés des métaux légers et des alliages

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

Densité des métaux légers et alliages

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

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

La densité d’ un alliage de titane typique est de 4,43 g/cm³ (Ti-6Al-4V) ^.

La densité est définie comme la  masse par unité de volume. C’est une propriété intensive, qui est mathématiquement définie comme la masse divisée par le volume:

ρ = m / V

En d’autres termes, la densité (ρ) d’une substance est la masse totale (m) de cette substance divisée par le volume total (V) occupé par cette substance. L’unité SI standard est le kilogramme par mètre cube (kg/m³). L’unité anglaise standard est la masse de livres par pied cube (lbm/ft³).

Puisque la densité (ρ) d’une substance est la masse totale (m) de cette substance divisée par le volume total (V) occupé par cette substance, il est évident que la densité d’une substance dépend fortement de sa masse atomique et aussi de la densité de numéro atomique (N; atomes/cm³),

• Poids atomique. La masse atomique est portée par le noyau atomique, qui n’occupe qu’environ 10^-12 du volume total de l’atome ou moins, mais il contient toute la charge positive et au moins 99,95 % de la masse totale de l’atome. Il est donc déterminé par le nombre de masse (nombre de protons et de neutrons).
• Densité de nombre atomique. La densité de numéro atomique (N; atomes/cm³), qui est associée aux rayons atomiques, est le nombre d’atomes d’un type donné par unité de volume (V; cm³) du matériau. La densité de numéro atomique (N; atomes/cm³) d’un matériau pur ayant un poids atomique ou moléculaire (M; grammes/mol) et la densité du matériau (⍴; gramme/cm³) est facilement calculée à partir de l’équation suivante en utilisant le nombre d’Avogadro (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 métaux légers et des alliages

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 métaux légers et des alliages

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

La résistance à la traction ultime de l’alliage de titane Ti-6Al-4V – Grade 5 est d’environ 1170 MPa.

La résistance à la traction ultime 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 d’ Elektron 21 – UNS M12310 est d’environ 145 MPa.

La limite d’élasticité de l’alliage de titane Ti-6Al-4V – Grade 5 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 de l’alliage d’aluminium 6061 est d’environ 69 GPa.

Le module de Young d’ Elektron 21 – UNS M12310 est d’environ 45 GPa.

Le module de Young de l’ alliage de titane Ti-6Al-4V – Grade 5 est d’environ 114 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 métaux légers et alliages

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

La dureté Rockwell de l’alliage de titane Ti-6Al-4V – Grade 5 est d’environ 41 HRC.

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 métaux légers et des alliages

Les propriétés thermiques des matériaux font référence à la réponse des matériaux aux changements de température et à l’application de chaleur. Lorsqu’un solide absorbe de l’énergie sous forme de chaleur, sa température augmente et ses dimensions augmentent. Mais différents matériaux réagissent différemment à l’application de chaleur.

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

Point de fusion des métaux légers et des alliages

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

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

Le point de fusion de l’alliage de titane Ti-6Al-4V – Grade 5 est d’environ 1660 °C.

En général, la fusion est un changement de phase d’une substance de la phase solide à la phase liquide. Le point de fusion d’une substance est la température à laquelle ce changement de phase se produit. Le point de fusion définit également une condition dans laquelle le solide et le liquide peuvent exister en équilibre.

Conductivité thermique des métaux légers et des alliages

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

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

La conductivité thermique de l’alliage de titane Ti-6Al-4V – Grade 5 est de 6,7 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 gaz), par conséquent, elle est également définie pour les liquides et les gaz.

La conductivité thermique de la plupart des liquides et des solides varie avec la température. Pour les vapeurs, cela dépend aussi de la pression. En général:

La plupart des matériaux sont presque homogènes, nous pouvons donc généralement écrire k = k (T). Des définitions similaires sont associées aux conductivités thermiques dans les directions y et z (ky, kz), mais pour un matériau isotrope, la conductivité thermique est indépendante de la direction de transfert, kx = ky = kz = k.

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Voir ci-dessus:
Alliages