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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 divers
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6. Alliages de nickel, de cobalt, et superalliages
Nickel et cobalt sont voisins dans le tableau périodique, ont même densité (8,9), une température de fusion voisine ( T f(Ni) = 1 446 oC, T f(Co) = 1 493 oC), un même module d’élasticité ( E = 210 GPa) égal à celui du fer, et ils sont ferromagnétiques.
6.1 Le nickel et ses alliages
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Le nickel présente les caractéristiques suivantes :
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structure CFC (a = 0,352 nm) ;
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forte résistance à la corrosion pour les bases et les acides non oxydants ; dans les atmosphères oxydantes (sans soufre), il peut résister jusqu’à 1 050 oC ;
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matériau ferromagnétique à forte perméabilité, sa température de Curie T C = 386 oC s’élève avec des additions de Co ou de Fe, alors qu’elle diminue avec les autres éléments ;
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il se mélange en toutes proportions avec le cuivre.
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Les trois quarts de la production du nickel (environ 1,1 million de tonnes/an) sont affectés aux aciers inoxydables (cf. § 1.4.3) et aux superalliages (cf. § 6.3).
En dehors de ceux-ci, on utilise le nickel sous une des trois formes suivantes.
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Nickel non allié : sa structure CFC lui donne une forte sensibilité à l’écrouissage (sa résistance mécanique R m passe de 380 à 540 MPa et sa ductilité A de 50 à 5 % lorsque l’on augmente le taux d’écrouissage).
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Alliages nickel-cuivre : ils sont monophasés CFC et intéressants...
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