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Auteur(s)
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Philippe CHOMEL : Docteur d’État - Professeur honoraire à l’Institut national des sciences appliquées de Toulouse
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Présenter les familles d’alliages métalliques en quelques pages, en vue de leur choix dans des projets de conception de pièces mécaniques, amène à quelques partis pris réducteurs :
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une liste exhaustive des alliages disponibles est exclue , et le lecteur ne trouvera que quelques exemples éclairant la présentation ; par contre, la bibliographie et la documentation et [BM 5 075] ouvrent des accès aux sources ;
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les atouts du métal de référence de chaque famille seront indiqués brièvement ; puis des indications portant sur les aspects microstructuraux, les propriétés mécaniques, et certaines utilisations des alliages seront présentées. Mais il ne s’agit pas ici de donner un catalogue exhaustif des applications possibles ;
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la place des aciers, traités en premier, est en rapport avec leur position dominante ; puis les alliages d’aluminium et les alliages de cuivre, bien implantés, suivent. Les alliages de magnésium et de titane sont moins bien connus, mais porteurs d’avenir. Parmi les autres familles, des orientations plus spécifiques apparaissent : alliages de nickel et de cobalt, alliages à fonctions particulières (bas point de fusion, métaux précieux, réfractaires, matériaux nucléaires), dont certaines sont encore peu répandues et moins connues (alliages à mémoire de forme, amorphes métalliques). Enfin, les composites à matrice métallique sont susceptibles de prendre de l’importance : ils illustrent d’ailleurs assez bien la démarche de « construction » d’une microstructure optimisant les propriétés mécaniques ;
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la désignation des alliages métalliques reste encore un combat pour tous ceux — élaborateurs, transformateurs, scientifiques, marchands, utilisateurs — qui y sont intéressés. Faut-il privilégier la composition, certaines caractéristiques mécaniques, les habitudes nationales, voire américaines, les noms commer- ciaux ? Dans le cas présent, l’Europe communautaire s’applique à créer une nomenclature Euronorme, avec les textes de 1992 pour les aciers, et ceux en développement pour les non-ferreux. Le lecteur trouvera dans le présent texte, autant que possible, la désignation symbolique européenne précédée de EN ; toutefois, on l’accompagnera parfois des désignations anciennes. Un article est consacré à la présentation abrégée de la normalisation.
Selon l’usage, les concentrations en éléments d’alliage sont données en concentration massique, sauf mention explicite d’une concentration atomique. Tous les matériaux étant considérés à l’état solide, on utilisera la grandeur « densité » plutôt que la masse volumique. Les principales propriétés mécaniques énoncées sont la limite élastique conventionnelle R e et la résistance mécanique conventionnelle R m , ainsi que l’ allongement relatif réparti à la rupture A, la dureté Vickers HV, Brinnel HB ou Rockwell C HRC, la limite de fatigue ou d’endurance σ D , et, en fluage, la contrainte à la rupture σ r en un temps donné (1 000 h, par exemple), la ténacité
et la résilience KCU ou KCV.
Cet article se présente comme un complément de l’article « Propriétés thermomécaniques des matériaux métalliques » du traité Génie mécanique des Techniques de l’Ingénieur [101].
Pour éviter une surcharge de cet article, les sources documentaires ne seront en général pas mentionnées : elles proviennent des textes cités par ailleurs dans la bibliographie (cf. ), et notamment du traité « Matériaux métalliques » des Techniques de l’Ingénieur.
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Alliages de cuivre
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2. Alliages d’aluminium
2.1 Atouts de l’aluminium
Seconde famille en tonnage (production mondiale d’aluminium primaire : 22 millions de tonnes), l’aluminium et ses alliages ont plusieurs atouts dont les deux plus importants sont leur légèreté (densité 2,7) et leur résistance à la corrosion , due à la passivation sous très faible épaisseur, quelques nanomètres, de l’alumine (Al 2O3 ).
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Le premier permet des comparaisons tout à fait intéressantes, du point de vue des propriétés mécaniques, avec les aciers, lorsque l’on raisonne à densité ρ équivalente : module d’élasticité relatif E /ρ = 26 pour l’aluminium et l’acier, limite élastique relative R e /ρ = 25 à 600 pour l’aluminium et 200 à 1 600 pour les aciers. Le module d’élasticité de l’aluminium est E = environ 70 GPa.
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Le second lui donne une position forte par rapport aux aciers.
La très faible corrosion permet un recyclage du métal usagé à très faible coût (5 % du coût de l’aluminium primaire). La récupération et le recyclage représentent aujourd’hui en France 70 % du gisement potentiel. Enfin, il n’est pas toxique et trouve une bonne place dans l’emballage alimentaire.
En contrepartie le coût de l’aluminium se situe à un niveau proche de celui des aciers inox. Cela tient à son élaboration, qui consiste à réduire l’oxyde Al 2O3 , issu du minerai de bauxite, et particulièrement stable : il faut 13 kWh pour obtenir un kilogramme d’aluminium.
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Troisième atout, la résistivité électrique de l’aluminium est excellente (environ 3 µ Ω · cm), et le câble d’aluminium, renforcé le cas échéant par de l’acier, a détrôné le cuivre pour le transport d’énergie. Associée à la précédente, la conductivité thermique (210 W/m · K) est 4 fois plus élevée que celle de l’acier laminé, et égale à 60 % de celle du cuivre, 3 fois plus dense, d’où sa place dans les échangeurs thermiques.
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Enfin, il présente un pouvoir réflecteur élevé...
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