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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 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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Conclusion
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7. Alliages divers
7.1 Métaux et alliages à bas point de fusion
Étain et plomb sont les métaux de référence pour les alliages à bas point de fusion.
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Étain
À la limite des métaux dans le tableau périodique, l’étain est un semi-métal, ce qui explique son bas point de fusion ( T f = 232 oC), sa double structure cristalline tétragonale à faces centrées (étain « gris », densité 5,8, à T < 18 oC) et cubique (étain « blanc », densité 7,3, à T > 18 oC).
Sa bonne résistance à la corrosion et sa forte malléabilité ont justifié son emploi multiséculaire pour les instruments de ménage.
Le changement de structure cristalline à 18 oC, qui s’accompagne d’une forte contraction entraînant sa pulvérisation (« peste de l’étain »), est en fait évité jusqu’à environ 0 oC en raison de la faiblesse de la vitesse de germination.
Les quelque 230 000 tonnes produites annuellement sont utilisées surtout pour l’étamage de la tôle d’acier (« fer-blanc ») et la fabrication de soudures.
Les deux applications structurales sont :
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la réalisation de tubes par extrusion ; dans cette application, l’étain est fortement supplanté par l’aluminium ;
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les alliages antifriction (métal blanc ou alliage de Babbit) : comprenant 80 à 90 % d’étain, avec de l’antimoine (4 à 10 %), du cuivre (3 à 6 %), ces alliages ont une structure formée d’une matrice douce d’étain saturé en Sb et Cu, retenant des composés durs Sn-Sb et Sn 5 Cu6 et ont leurs applications dans les coussinets pour arbres à grandes vitesses de rotation mais faiblement chargés. En cas de lubrification insuffisante ou de surcharge, le coussinet fond ( T f de l’ordre de 200 oC) sans détériorer l’arbre.
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Plomb
Le plomb doit à son fort numéro atomique d’être un métal malgré sa position dans le tableau périodique.
Une densité élevée (11,3), une température de fusion faible ( T f = 327 oC),...
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