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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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Lire l’articleINTRODUCTION
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 Sélection des matériaux métalliques- Désignation 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 Sélection des matériaux métalliques- Désignation 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 Re et la résistance mécanique conventionnelle Rm , 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 σD , et, en fluage, la contrainte à la rupture σr 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 magnésium
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3. Alliages de cuivre
3.1 Atouts du cuivre
Premier métal travaillé par l’homme (âge du bronze), le cuivre est le 3e métal utilisé aujourd’hui par le tonnage (12 millions de tonnes/an en 1998). Cependant, la faible teneur en métal des minerais (inférieure à 1 %) et la répartition « stratégique » des gisements (Chili, ex-Zaïre...) lui donnent un prix élevé et fortement fluctuant.
Sa densité élevée (8,9) est voisine de celle du nickel et 3,3 fois celle de l’aluminium.
C’est le meilleur conducteur électrique (ρ = 1,67 µΩ · cm) et thermique [λ = 398 W/(m · K)], après l’argent, mais devant l’aluminium. La moitié du cuivre consommé est liée aux applications électriques.
Son module d’élasticité E = 120 GPa le place, en module relatif (rapporté à la densité), à un niveau deux fois plus faible que l’aluminium, l’acier et le titane.
Sa structure cristalline est CFC (a = 0,36 nm) d’où sa grande ductilité. L’apport d’élément d’alliage donne un diagramme binaire Cu-X assez semblable à celui des alliages Al-X (figure 9a ), le domaine monophasé α s’étendant jusqu’à la teneur C * à la température T * (tableau 15). Les concentrations limites C * peuvent être élevées.
La température de fusion (Tf = 1 083 oC) est abaissée par apport de Zn ou Sn, donnant une place importante aux alliages de fonderie, à côté des alliages corroyés.
La résistance à la corrosion est assez bonne.
HAUT DE PAGE3.2 Les familles d’alliages
On distingue usuellement : le cuivre pur industriel, les laitons (Cu-Zn), les bronzes (Cu-Sn), les cuproaluminiums (Cu-Al), les cupronickels (Cu-Ni), les alliages Cu-Be.
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Le cuivre non allié industriel
La présence d’oxygène (sous forme de l’eutectique Cu2O...
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