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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 nickel, de cobalt, et superalliages
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5. Alliages de titane
5.1 Atouts du titane
Bien qu’abondant dans la croûte terrestre sous forme d’oxydes, le titane n’est élaboré comme matériau métallique qu’en quantité assez faible (environ 100 000 tonnes/an), son élaboration nécessitant une forte énergie (45 kWh/kg environ). C’est un matériau très cher, qui présente une position un peu exceptionnelle en conjuguant une densité assez faible associée à des caractéristiques mécaniques semblables à celles des aciers.
Sa densité (ρ = 4,51) est intermédiaire entre l’aluminium et l’acier, et son module d’élasticité ( E = 110 GPa) le place en valeur relative à la densité au même niveau que Al et Fe : E/ρ = 25.
Son point de fusion est élevé T f = 1 668 oC et, en conséquence, sa dilatation thermique faible (α = 8,5 · 10 – 6/K) ainsi que sa conductivité thermique [λ = 18 W/(m · K)].
Sa résistance à la corrosion est souvent excellente, et même meilleure que celle de l’acier inoxydable, en raison du film de passivation qui se forme dans l’air jusque vers 650 oC, et dans les milieux liquides oxydants ou neutres.
Sa structure cristalline est un autre atout du titane, car il possède, de façon analogue au fer, deux phases :
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l’une aux températures inférieures à 882 oC, est hexagonale compacte (a = 0,295 nm, c = 0,468 nm à l’ambiante), c’est le titane
. Sa structure est hexagonale (pas tout à fait) compacte H(C), car le rapport des paramètres c /a = 1,587 est inférieur au rapport idéal c /a = 1,633. Il en découle qu’il y a de nombreux plans de glissement, ce qui explique la bonne ductilité de Ti.
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l’autre, aux températures supérieures, est cubique centrée ( a = 0,332 nm à 900 oC), titane
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