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 couramment 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.
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 (NA = 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.
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Voir ci-dessus:
Alliages légers
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