Les matériaux métalliques industriels
Fondamental
Les métaux et leurs alliages sont tous cristallisés. Deux propriétés majeures en découlent :
La ductilité de la plupart des métaux. Cette capacité de déformation plastique est à l'origine du grand succès technique des métaux pour produire facilement des objets de forme complexe, en utilisant de très nombreux procédés de mise en forme fondés sur la déformation plastique, comme le laminage, le tréfilage, l'extrusion, le forgeage, le matriçage, etc..
Les métaux ductiles sont très tenaces, certains énormément. La ténacité est l'énergie nécessaire pour obtenir le déchirement d'une pièce. Cette propriété est essentielle pour garantir le meilleur comportement lors d'une surcharge. Une ténacité élevée est donc le gage de la sureté de fonctionnement de nombreux systèmes et se trouve souvent citée en numéro 1 dans un cahier des charges.
Pour les raisons exposées ci-dessus, et pour d'autres encore, les métaux sont donc les matériaux de structure les plus performants et leurs applications sont innombrables.
On trouve parmi eux la famille géante des aciers qui sont, économiquement, les matériaux les plus importants du monde.
Cependant, l'emploi des matériaux métalliques présente aussi de graves inconvénients. Ils sont polluants, parfois toxiques, tout comme beaucoup de leurs procédés d'élaboration.
Pour beaucoup de métaux, leur ressource sur terre est limitée, et conduit à une exploitation dévastatrice de l'environnement. Enfin, hormis le cas exceptionnel des aciers, les métaux sont l'objet d'une économie spéculative qui va en s'aggravant.
Liste des principales familles d'alliages métalliques industriels
On trouvera pour chacune la valeur moyenne du module d'élasticité, E, et de la masse volumique ρ
1. Alliage ferreux E = 200 GPa ρ = 7900 kg/m3
1.1. Les aciers
Les différentes productions sont classées en :
produits longs (ronds, profilés, tubes, rails, fils...)
produits plats (tôles fortes, tôles minces)
1.1.a. Aciers au carbone d'usage général (85% du tonnage).
Aciers usuels. (Facilement soudables, tenaces, Re de 150 à 350 Mpa et Rm de 300 à 500 MPa.)
Aciers améliorés ou HLE (haute limite d'élasticité), (Re de 300 à 700 Mpa, Rm jusqu'à 1000 Mpa)
1.1.b. Aciers spéciaux
Aciers pour traitements thermiques.
Définis par leur composition. Ils contiennent plus de 0.2% de Carbone ainsi que d'autres éléments d'addition pour adapter la trempabilité. Ils entrent dans la fabrication de la plupart des machines : engrenages, ressorts, boulonnerie, arbres, moteurs...
Aciers à outils et fortement alliés.
Ces matériaux ont des applications très spécialisées et atteignent souvent des performances exceptionnelles (outillage de découpe et d'usinage, travail à chaud, cryogénie, moules d'injection, extrudeuses, matrices d'estampage..).
Aciers inoxydables.
Alliages de Fer et d'au moins 13% de Chrome. Ils possèdent une faculté de passivation, apportée par le chrome, dans beaucoup de milieux corrosifs. Celle-ci consiste en la formation d'une très fine couche superficielle d'hydroxydes protecteurs freinant le départ, sous forme d'ions, des atomes métalliques dans le milieu environnant. Le plus souvent la couche de passivation se forme spontanément.
Les aciers inoxydables forment trois classes assez différentes : les ferritiques (Cr seul), les martensitiques (Cr et C) et les austénitiques (Cr et Ni). Leurs performances mécaniques sont très variables (Re de 150 à 1500 Mpa).
1.2. Les fontes
Alliages de grande coulabilité, de faible prix, largement utilisés dans l'industrie.
Re de l'ordre de 250 à 400 Mpa mais le plus souvent A% faible.
Avec éléments d'alliage (Cr, Ni, Mo) peuvent atteindre de hautes performances en résistance à l'usure, à la corrosion et à haute température.
2. Alliage d'aluminium E = 75 GPa ρ = 2800 kg/m3
2.1. Alliage d'aluminium corroyés
Ces matériaux laminés sont les plus utilisés. Certains alliages très chers et leur disponibilité faible.
Classement en 8 familles, suivant les éléments d'alliage, par la désignation de la norme US, fondée sur des nombres de 4 chiffres.
Aptitude éventuelle au durcissement par précipitation (critère DP dans la liste suivante).
Re de 150 à 500 Mpa, Rm de 250 à 650 Mpa.
série 1000 Aluminium à plus de 99%. Alimentaire, industrie électrique.
série 2000 Al/Cu et Al/Cu/Mg. DP. Aéronautique, mécanique.
série 3000 Al/Mn. Emboutis de haute résistance (échelles).
série 4000 Al/Si. DP. Usage général, véhicules.
série 5000 Al/Mg. Tuyauteries, produits emboutis (casseroles)
série 6000 Al/Mg/Si. DP. Aéronautique, emboutis profonds, pièces minces.
série 7000 Al/Zn/Mg/Cu. DP. Aéronautique, mécanique, matériel sportif.
série 8000 Al/Li et alliages spéciaux Aérospatial.
2.2. Alliages d'aluminium de fonderie
Connus pour leur excellente coulabilité et leur usinabilité.
Fortes proportion d'éléments d'alliage. Principales familles : Al/Si, Al/Si/Cu, Al/Si/Mg.
Très utilisés dans l'industrie automobile et l'électroménager.
Remarque : Les matériaux pour traitements thermiques
La plupart des matériaux de résistance moyenne sont choisis « sur catalogue » : leurs propriétés mécaniques à la livraison sont celles décrites par le fournisseur et les pièces produites avec ces matériaux posséderont ces mêmes propriétés.
Lle choix s'effectue simplement en tenant compte des sollicitations en service et des moyens d'usinage et de mise en forme utilisés. Globalement, les limites d'élasticité Re de ces matériaux ne dépassent pas 800 MPa (voir le chapitre Propriétés Mécaniques).
Mais de très nombreux objets, surtout des outils, dépassent largement ce niveau de résistance et peuvent dépasser les 2000 MPa : c'est le cas du moindre couteau !
Comment fabriquer de tels objets ?
En pratiquant des Traitements thermiques, ou changements de la nature des phases à l'état solide obtenus par des cycles de température susceptibles de faire apparaitre des phases métastables, de propriétés mécaniques différentes de celles qui sont présentes à l'état de livraison. Nous n'aborderons pas ici les principes de ces traitements, mais il convient de bien comprendre que les propriétés de la pièce terminée dépendent de la nature du matériau choisi et surtout du traitement thermique qui lui est appliqué.
Les matériaux capables de se transformer ainsi sont peu nombreux et de grande importance industrielle. Les plus utilisés sont les aciers spéciaux, auxquels on applique des traitements de trempe et revenus ou de trempe isotherme. Du côté des métaux non ferreux, certains alliages d'aluminium à durcissement par précipitation ont des propriétés mécaniques plus que doublées par application de traitements thermiques. Il en est de même pour quelques alliages de cuivre, de nickel ou de titane, en général de prix élevé.
3. Alliage de cuivre. E = 125 GPa ρ = 8800 kg/m3
Matériaux plutôt chers formant de nombreuses familles d'alliages.
Connus pour un bon comportement en corrosion et une excellente conductibilité.
3.1. Cuivre pur
Très utilisé en électrotechnique. Très déformable.
Conductibilité record en le purifiant de l'oxygène et l'hydrogène dissous.
cuivre électrolytique.
cuivre OFHC (oxygen free high conductivity)refondu sous CO (électricité).
cuivre désoxydé au Phosphore (plomberie).
3.2. Laitons
Contiennent de 5 à 45% de Zinc. Usinabilité exceptionnelle. Déformables. Peu chers.
Résistance faible à moyenne suivant la constitution mono ou biphasée.
Également très utilisés en fonderie. Applications innombrables en petits objets (jaunes).
3.3. Bronzes
Contiennent de 2 à 12% d'Etain. Très bonne usinabilité. Résistance meilleure que les laitons.
Très bonne résistance à l'usure et à la corrosion.
Également très utilisés en fonderie. Pompes, coussinets, ressorts...
3.4. Cupro-Nickels
Contiennent de 10 à 30% de Nickel, parfois additionné de Zinc.
Résistance élevée (Re de 200 à 800 Mpa).
Exceptionnelle résistance à la corrosion. Matériel de chimie, matériel marin, pièces de monnaie...
3.5. Cupro-nickels
Contiennent de 10 à 30% de Nickel, parfois additionné de Zinc.
Résistance élevée (Re de 200 à 800 Mpa).
Exceptionnelle résistance à la corrosion. Matériel de chimie, matériel marin, pièces de monnaie...
3.6. Alliages cuivre-béryllium et cuivre-chrome
Alliages à durcissement structural. Re supérieure à 1000 Mpa
Très bonne résistance à la corrosion. Applications aux ressorts à faible module...
4. Alliages de magnésium. E = 47 GPa ρ = 1800 kg/m3
Matériaux de fonderie alliant une légèreté record à de bonnes propriétés mécaniques.
Excellente conduction thermique. Très sensibles à la corrosion.
Carters, petites pièces de véhicules et d'outillage portable, aérospatial, micro-informatique.
Fortement concurrencés par les polymères.
5. Alliages de zinc. E = 93 GPa ρ = 7100 kg/m3
Zinc pur utilisé sous forme de tôles fines pour la couverture des bâtiments.
Quelques alliages de fonderie sous pression peu chers : Zamac, Ilzro (Zn+Cu+Mg).
Résistance faible. Carters, petites pièces complexes, horlogerie, boîtiers photo, carburateurs...
Fortement concurrencés par les polymères.
6. Alliages de titane. E = 110 GPa ρ = 4500 kg/m3
Titane pur : exceptionnelles propriétés anti-corrosion par passivation. Chimie, nautisme.
Nombreux alliages avec l'Aluminium, le Vanadium et le Molybdène.
Légers et résistants (Re supérieures à 1000 Mpa). Grande résistance à chaud et au fluage.
Mise en forme et soudage très délicats. Chers.
Utilisés surtout en aéronautique (structures et moteurs)
7. Alliage de nickel. E = 210 GPa ρ = 8900 kg/m3
Très bonne résistance à la corrosion et à l'oxydation (jusqu'à 1000°C).
La plupart sont monophasés très déformables, certains durcis par précipitation.
Re de 300 à 1300 Mpa.
7.1. Alliages nickel-cuivre
Avec 35% Cu, alliages MONEL : applications en eau de mer, échangeurs.
7.2. Alliages nickel-chrome et nickel-chrome-fer
Alliages réfractaires INCONEL, CHROMEL, INCOLOY
Très grande résistance à l'oxydation à l'air.
Eléments chauffants, gainage thermique, structures chaudes en aéronautique.
7.3. Alliages nickel-molybdène
Alliages à la résistance chimique exceptionnelle : HASTELLOY B et C.
Réacteurs chimiques, tuyauteries, pièces de turbomachines.
7.4. Alliages nickel-fer
Alliages à dilatation très faible aux températures basses (INVAR et COVAR).
Capteurs (bilames pour thermostats), métrologie, sertissage de pièces en verre...
