Les alliages sont généralement plus résistants que les métaux purs, bien qu’ils offrent généralement une conductivité électrique et thermique réduite. La résistance est le critère le plus important par lequel de nombreux matériaux de structure sont jugés. Par conséquent, les alliages sont utilisés pour la construction mécanique. L’acier, probablement le métal de construction le plus courant, est un bon exemple d’alliage. C’est un alliage de fer et de carbone, avec d’autres éléments pour lui donner certaines propriétés souhaitables.
Il est parfois possible qu’un matériau soit composé de plusieurs phases solides. Les forces de ces matériaux sont renforcées en permettant à une structure solide de devenir une forme composée de deux phases intercalées. Lorsque le matériau en question est un alliage, il est possible de tremper le métal à partir d’un état fondu pour former les phases intercalées. Le terme trempe fait référence à un traitement thermique dans lequel un matériau est rapidement refroidi dans de l’eau, de l’huile ou de l’air pour obtenir certaines propriétés du matériau, en particulier la dureté. En métallurgie, la trempe est le plus souvent utilisée pour durcir l’acier en introduisant de la martensite.
Types d’alliages
Les alliages métalliques, de par leur composition, sont souvent regroupés en deux classes:
- Alliages ferreux. Les alliages ferreux, ceux dont le fer est le constituant principal, comprennent l’acier, l’acier inoxydable, l’acier au carbone, la fonte. Les alliages ferreux sont connus pour leur résistance.
- Alliages non ferreux. Alliages non ferreux ceux qui ne contiennent pas de fer (ferrite) en quantités appréciables, ils sont donc à base de métaux non ferreux (c’est-à-dire aluminium, cuivre, chrome, titane, or, nickel, argent, étain, plomb, zinc, etc.) Les autres propriétés communes des métaux non ferreux sont non magnétiques, malléables et légères.
Alliages ferreux
Les alliages ferreux, ceux dont le fer est le principal constituant, comprennent l’acier et la fonte brute (avec une teneur en carbone de quelques pour cent) et les alliages de fer avec d’autres métaux (comme l’acier inoxydable). Les alliages ferreux sont connus pour leur résistance. Les alliages sont généralement plus résistants que les métaux purs, bien qu’ils offrent généralement une conductivité électrique et thermique réduite. Les alliages ferreux les plus simples sont connus sous le nom d’ aciers et ils sont constitués de fer (Fe) allié au carbone (C) (environ 0,1% à 1%, selon le type). 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 résistance très élevée, mais toujours 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. Leur utilisation généralisée s’explique par les facteurs suivants:
- Les composés contenant du fer existent en quantités abondantes dans la croûte terrestre.
- Les alliages métalliques de fer et d’acier peuvent être produits à l’aide de techniques d’extraction, de raffinage, d’alliage et de fabrication relativement économiques
- Les alliages ferreux sont extrêmement polyvalents, en ce sens qu’ils peuvent être adaptés pour avoir une large gamme de propriétés mécaniques et physiques.
Le principal inconvénient de nombreux alliages ferreux est leur susceptibilité à la corrosion. En ajoutant du chrome à l’acier, sa résistance à la corrosion peut être améliorée, créant de l’acier inoxydable, tandis que l’ajout de silicium modifiera ses caractéristiques électriques, produisant de l’acier au silicium.
Résistance des alliages métalliques
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 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.
Exemple – Résistance ultime à la traction – Acier à faible teneur en carbone
La résistance à la traction ultime de l’acier à faible teneur en carbone se situe entre 400 et 550 MPa.
Exemple – Résistance ultime à la traction – Acier à très haute teneur en carbone
La résistance à la traction ultime de l’acier à très haute teneur en carbone est de 1100 MPa.
Limite d’élasticité
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.
Exemple – Limite d’élasticité – Acier à faible teneur en carbone
La limite d’élasticité de l’acier à faible teneur en carbone est de 250 MPa.
Exemple – Limite d’élasticité – Acier à très haute teneur en carbone
La limite d’élasticité de l’acier à très haute teneur en carbone est de 800 MPa.
Module de Young
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.
Exemple – Module de Young – Acier à faible teneur en carbone
Le module de Young de l’acier à faible teneur en carbone est de 200 GPa.
Dureté des alliages métalliques
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.
Le test de dureté Brinell est l’un des tests de dureté par indentation, qui a été développé pour les tests de dureté. Dans les tests Brinell, un pénétrateur sphérique dur est forcé sous une charge spécifique dans la surface du métal à tester. Le test typique utilise une bille en acier trempé de 10 mm (0,39 in) de diamètre comme pénétrateur avec une force de 3 000 kgf (29,42 kN; 6 614 lbf). La charge est maintenue constante pendant un temps déterminé (entre 10 et 30 s). Pour les matériaux plus tendres, une force plus faible est utilisée; pour les matériaux plus durs, une bille en carbure de tungstène remplace la bille en acier.
Le test fournit des résultats numériques pour quantifier la dureté d’un matériau, qui est exprimée par le nombre de dureté Brinell – HB. Le nombre de dureté Brinell est désigné par les normes d’essai les plus couramment utilisées (ASTM E10-14[2] et ISO 6506–1:2005) comme HBW (H de la dureté, B de Brinell et W du matériau du pénétrateur, le tungstène (wolfram) carbure). Dans les anciennes normes, HB ou HBS étaient utilisés pour désigner les mesures effectuées avec des pénétrateurs en acier.
L’ indice de dureté Brinell (HB) est la charge divisée par la surface de l’indentation. Le diamètre de l’empreinte est mesuré avec un microscope à échelle superposée. Le nombre de dureté Brinell est calculé à partir de l’équation:
Il existe une variété de méthodes d’essai couramment utilisées (par exemple, Brinell, Knoop, Vickers et Rockwell). Il existe des tableaux qui sont disponibles corrélant les nombres de dureté des différentes méthodes d’essai où la corrélation est applicable. Dans toutes les échelles, un nombre élevé de dureté représente un métal dur.
Exemple – Dureté de l’acier à faible teneur en carbone
La dureté Brinell de l’acier à faible teneur en carbone est d’environ 120 MPa.
Exemple – Dureté de l’acier à haute teneur en carbone
La dureté Brinell de l’acier à haute teneur en carbone est d’environ 200 MPa.
Exemple – Dureté de l’acier Damas
La dureté Rockwell de l’acier Damas dépend du type d’acier actuel, mais elle peut être d’environ 62-64 HRC Rockwell.
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Voir ci-dessus:
Alliages
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