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
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:
- Excellente conductivité thermique. Le cuivre a une conductivité thermique 60 % plus élevée que l’aluminium, il est donc mieux à même de réduire les points chauds thermiques dans les systèmes de câblage électrique. Les conductivités électriques et thermiques des métaux proviennent du fait que leurs électrons externes sont délocalisés.
- Excellente conductivité électrique. 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. Cependant, l’aluminium est généralement utilisé dans les lignes électriques aériennes à haute tension car il pèse environ la moitié et coûte moins cher qu’un câble en cuivre à résistance comparable. A une température donnée, les conductivités thermique et électrique des métaux sont proportionnelles, mais élever la température augmente la conductivité thermique tout en diminuant la conductivité électrique. Ce comportement est quantifié dans la loi de Wiedemann-Franz.
- Bonne résistance à la corrosion. Le cuivre ne réagit pas avec l’eau, mais il réagit lentement avec l’oxygène atmosphérique pour former une couche d’oxyde de cuivre brun-noir qui, contrairement à la rouille qui se forme sur le fer dans l’air humide, protège le métal sous-jacent d’une corrosion supplémentaire (passivation). Les alliages cuivre-nickel, le laiton aluminium et l’aluminium présentent une résistance supérieure à la corrosion par l’eau salée.
- Bonne résistance à l’encrassement biologique
- Bonne usinabilité. L’usinage du cuivre est possible, bien que les alliages soient préférés pour une bonne usinabilité dans la création de pièces complexes.
- Conservation des propriétés mécaniques et électriques à des températures cryogéniques
- Diamagnétique
Propriétés des alliages de cuivre
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 cuivre
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 cuivre
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 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 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 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.
Module de Young
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.
Dureté des alliages de cuivre
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.
Propriétés thermiques des alliages de cuivre
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 cuivre
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.
Conductivité thermique des alliages de cuivre
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.
Conductivité électrique des alliages de cuivre
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.
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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.
Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
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Voir ci-dessus:
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