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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 d’aluminium
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1. Alliages de fer : aciers et fontes
1.1 Atouts du fer
Le fer et ses alliages occupent une place majeure dans les matériels industriels avec une production mondiale de l’ordre de 750 millions de tonnes, les autres métaux réunis ne représentant qu’environ 40 millions de tonnes. Le fer est largement disponible, de plus, son prix à l’unité de masse, comme celui des aciers ordinaires, est le plus faible parmi les métaux. Par ailleurs, le recyclage de l’acier est très organisé : en France on a réutilisé environ 8 millions de tonnes de ferrailles de récupération pour une production d’acier brut de 17 millions de tonnes (1996).
le mot acier vient du latin acies : pointe, tranchant ; sidérurgie du latin sidus : astre, en raison de la découverte du fer météoritique, sans doute le premier fer utilisé par l’homme (cette explication usuelle est controversée) ; le mot fonte vient de l’abaissement de la température de fusion avec la teneur en carbone : Tf = 1 147 oC pour l’eutectique à 4,27 % C ; et fer du latin ferrum : fer et, par extension, outil (mot d’origine inconnue).
Le fer présente également les avantages suivants :
Sa densité, ρ = 7,8, est trois fois celle de l’aluminium, et six fois celle des matières plastiques.
Son module d’élasticité : E = 210 GPa, est élevé, d’où une bonne raideur pour le travail en domaine élastique. Cependant, en prenant en compte la densité, le module spécifique E /ρ = 26 présente une valeur équivalente à celle de Al et de Ti.
Sa structure cristalline apporte un atout décisif en présentant quatre formes allotropiques : CC (fer α) pour T < 910 oC ; CFC (fer γ ) pour 910 oC < T < 1 392 oC ; CC (fer δ) de 1 392 oC à la température de fusion Tf = 1 540 oC. La 4e forme, HC, n’existe que pour des pressions supérieures à 13 GPa, obtenues par exemple par choc explosif.
L’existence de la phase α, moins compacte que la phase γ, est une anomalie expliquée par la structure électronique du fer, mais surtout implique la possibilité de transformations de phases diverses par traitements thermiques...
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