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Le guide de l'ingénieur sur les métaux : Sélection et application

Dernière mise à jour :
9 juin 2024
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Table des matières

Acier au carbone et acier allié

Acier au carbone

(1) Classification de l'acier au carbone

1) L'acier au carbone peut être classé en deux catégories principales en fonction de son application : l'acier de construction au carbone et l'acier à outils au carbone.

L'acier de construction au carbone est utilisé pour fabriquer divers ouvrages d'art et pièces de machines. L'acier au carbone utilisé pour les ouvrages d'art est généralement un acier à faible teneur en carbone, qui présente une excellente soudabilité et n'est généralement pas traité thermiquement, puisqu'il est utilisé à l'état laminé à chaud.

L'acier au carbone pour les pièces de machines contient généralement moins de 0,6% de carbone en poids et présente de bonnes propriétés mécaniques, nécessitant un traitement thermique avant utilisation.

L'acier à outils au carbone est utilisé pour fabriquer divers outils de coupe, outils de mesure et moules. Il a une teneur en carbone plus élevée et, après un traitement thermique approprié, il présente une résistance élevée, une grande dureté et une grande résistance à l'usure.

2) Sur la base de la teneur en carbone, l'acier au carbone peut être divisé en trois catégories :

  • Acier à faible teneur en carbone : C<0.25% ;
  • Acier à moyenne teneur en carbone : C=0.25% à 0.60% ;
  • Acier à haute teneur en carbone : C>0.60%.

3) En fonction des différents pourcentages de qualité du soufre (S) et du phosphore (P), l'acier au carbone peut être classé en quatre catégories :

  • Acier ordinaire : S≤0.050%, P≤0.045% ;
  • Qualité de l'acier : S≤0.035%, P≤0.035% ;
  • Acier de haute qualité : S≤0.020%, P≤0.030% ;
  • Acier de première qualité : S≤0.015%, P≤0.025%.

4) Classification par méthode de fusion.

Selon le type de four utilisé pour la fusion, l'acier au carbone peut être divisé en acier à ciel ouvert, acier à convertisseur et acier à four électrique. En fonction du processus de désoxydation au cours de la fusion, l'acier au carbone peut également être classé en acier tué, acier semi-tué, acier cerclé et acier tué spécial.

Nuances, propriétés et applications de l'acier au carbone

1) Acier de construction au carbone général. Également connu sous le nom d'acier de construction au carbone, sa nuance est composée de la lettre représentant la limite d'élasticité (Q), de la valeur numérique de la limite d'élasticité, des symboles de grade de qualité et des symboles de méthode de désoxydation, dans cet ordre, comme par exemple Q235AF. Le tableau 1-5 donne des exemples de nuances, de compositions chimiques, de propriétés mécaniques et d'applications de l'acier de construction au carbone.

2) Acier de construction au carbone de qualité. La qualité de l'acier de construction au carbone est indiquée par deux chiffres, qui représentent la teneur moyenne en carbone de l'acier en pourcentage par dix millièmes.

Par exemple, l'acier 45 indique un acier de construction au carbone de qualité dont la teneur moyenne en carbone est de 0,45%. Le tableau 1-6 donne des exemples de nuances, de compositions chimiques, de propriétés mécaniques et d'applications des aciers de construction au carbone de qualité.

Tableau 1-5 : Nuances, composition chimique, propriétés mécaniques et exemples d'applications pour l'acier de construction au carbone général

Grade NiveauComposition chimique (%) pas plus deDésoxydation

Méthode
Propriétés mécaniquesExemple d'utilisation
WcWMnWsiWsWpσs/MPaσb/MPaδ5
(%)
Q195--0.120.50.30.0400.035F, Z195315~43033Composants structurels supportant de faibles charges (tels que rivets, rondelles, boulons d'ancrage, goupilles fendues, tirants, barres d'armature filetées, etc.), pièces embouties et pièces soudées.
Q215A0.151.20.350.0500.045F, Z215335~45031
B0.045
Q235A0.221.40.350.0500.045F, Z235370~50026Plaques minces, profilés, boulons, écrous, rivets, tirants, engrenages, arbres, bielles, etc., Q235C, Q235D peuvent être utilisés comme d'importants composants structurels soudés.
B0.200.045
C0.170.0400.040Z
D0.0350.035TZ
Q275A0.241.50.350.0500.045F, Z275410~54022Pièces supportant des charges moyennes, telles que clavettes, chaînes, tirants, arbres rotatifs, pignonsles boulons et les barres d'armature filetées, etc.
B0.210.045Z
C0.20.0400.040Z
D0.0350.035TZ

Remarque :

1. Symboles dans le tableau : A, B, C, D représentent les grades de qualité ; F représente l'acier bouillant ; Z représente l'acier tué ; TZ représente l'acier spécial tué.

2. δ₅ indique que la longueur de l'éprouvette de traction est égale à cinq fois son diamètre, c'est-à-dire L0=5d0.

Tableau 1-6 : Nuances, composition chimique, propriétés mécaniques et exemples d'application des aciers de construction au carbone de haute qualité

Grade Composition chimique (%)Propriétés mécaniques (pas moins de)Exemple d'utilisation
WcWSiWMnσb/MPaσs/MPaδ(%)ψ(%)HBW
(laminé à chaud)
   dK
(J/m²)
08
10
0.05~0.11
0.07~0.13
0.17~0.37
0.17~0.37
0.35~0.65
0.35~0.65
325
335
195
205
33
31
60
55
131
137
Diverses formes d'emboutissage, de tirants, de joints, etc.
200.17~0.230.17~0.370.35~0.654102452555156Tirants, anneaux de levage, crochets, etc.
350.32~0.390.17~0.370.50~0.805303152045197Arbres, boulons, écrous, etc.
40
45
0.39~0.44
0.42~0.50
0.17~0.37
0.17~0.37
0.50~0.80
0.50~0.80
570
600
335
355
19
16
45
40
217
229
6×105
5×105
Engrenages, vilebrequins, bielles, accouplements, arbres, etc.
60
65
0.57~0.65
0.62~0.70
0.17~0.37
0.17~0.37
0.50~0.80
0.50~0.80
675
710
400
420
12
10
35
30
255
255
Ressorts, rondelles de ressort, etc.

3) Aciers à outils au carbone.

Les nuances d'aciers à outils au carbone sont désignées par la lettre T suivie d'un nombre. La lettre T signifie acier à outils au carbone, tandis que le nombre indique la teneur moyenne en carbone de l'acier, exprimée en millièmes.

Par exemple, T10 représente un acier à outils au carbone avec une teneur moyenne en carbone de 1,0%. Les aciers à outils au carbone de qualité supérieure sont désignés par un "A" après le numéro de la nuance, comme T10A. Pour plus de détails sur les nuances, la composition chimique, les propriétés mécaniques et les applications des aciers à outils au carbone, voir le tableau 1-7.

Tableau 1-7 : Grades, composition chimique, propriétés mécaniques et applications des aciers à outils au carbone

GradeComposition chimique (%)Traitement thermique Température de chauffage/°CDureté

HRC
Exemples d'utilisation
WcWSiWMnWSWPTrempeTrempe
T70.65~0.74≤0.40800~820
(Trempage de l'eau)
180~20060~62Marteaux, scies, mèches, burins, etc.
T80.75~0.84≤0.40780~800
(Trempage de l'eau)
180~20060~62Poinçons, outils pour le travail du bois, etc.
T10
T10A
0.95~1.04≤0.35≤0.40<0.03<0.035760~780
(Trempage de l'eau)
180~20060~62Tarauds, matrices, lames de scie, lames de rabot, petits poinçons, etc.
T13
T13A
1.25~1.35≤0.40760~780
(Trempe à l'eau)
180~20060~62Limes, outils de mesure, grattoirs, etc.

Acier allié

L'acier allié, forme avancée de l'acier au carbone, est amélioré par l'ajout de certains éléments d'alliage, ce qui accroît son utilité et sa capacité de traitement.

Les éléments d'alliage couramment ajoutés sont le manganèse, le silicium, le chrome, le nickel, le molybdène, le tungstène, le vanadium, le titane, le bore et les terres rares. Ces éléments peuvent améliorer les propriétés mécaniques globales de l'acier, sa trempabilité, sa stabilité thermique et sa résistance à la corrosion.

(1) Le rôle des éléments d'alliage dans l'acier

1) Renforcement par solution solide : La plupart des éléments d'alliage peuvent se dissoudre dans la ferrite à des degrés divers, augmentant ainsi la résistance et la dureté de l'acier tout en réduisant sa plasticité et sa ténacité.

Certains éléments d'alliage, tels que Mn, Cr et Ni, lorsqu'ils sont correctement dosés, peuvent non seulement renforcer la ferrite, mais aussi améliorer la ténacité de l'acier, lui conférant ainsi d'excellentes propriétés mécaniques globales.

2) Renforcement de la phase secondaire : Lorsque l'affinité de l'élément d'alliage avec le carbone est plus grande que celle du fer avec le carbone, il peut non seulement se dissoudre dans la ferrite, mais aussi former des carbures d'alliage et des carbures. Ces composants ont tous une résistance et une stabilité élevées, ce qui améliore la résistance, la dureté et la résistance à l'usure de l'acier.

3) Renforcement de l'affinement des grains : Des éléments tels que V, Ti, Nb, Zr, qui forment des carbures puissants, et Al, qui forme des nitrures puissants, peuvent créer des particules stables de carbure et de nitrure. Ces particules empêchent la croissance des grains d'austénite et affinent les grains de ferrite. L'acier à grains fins présente des propriétés mécaniques supérieures, notamment en améliorant considérablement la ténacité de l'acier.

4) Augmentation de la trempabilité de l'acier : À l'exception du Co, tous les éléments d'alliage qui se dissolvent dans l'austénite peuvent augmenter la stabilité de l'austénite surfondue, en déplaçant la courbe de transformation isotherme vers la droite et en réduisant la vitesse de refroidissement critique de l'acier.

Par conséquent, il est possible d'obtenir une plus grande profondeur de couche durcie en refroidissant dans le même milieu de trempe, ou lorsque la même profondeur de couche durcie est souhaitée, un milieu de trempe avec une capacité de refroidissement plus faible peut être utilisé pour réduire la contrainte de trempe dans la pièce, minimisant ainsi la déformation et la fissuration.

5) Amélioration de la résistance au revenu de l'acier : Les éléments d'alliage ont un impact significatif sur le processus de trempe de l'acier.

En général, les éléments d'alliage rendent la martensite moins susceptible de se décomposer pendant la trempe, empêchent la croissance des carbures et augmentent la température à laquelle ces transformations se produisent. Cela ralentit la réduction de la dureté de l'acier au fur et à mesure que la température de trempe augmente, ce qui améliore sa résistance à la trempe.

6) Donner à l'acier certaines propriétés spéciales : Lorsqu'une certaine quantité d'éléments d'alliage spécifiques est ajoutée à l'acier, la structure et les propriétés de l'acier subissent des modifications uniques, ce qui permet d'obtenir un acier allié doté de propriétés spéciales, telles que l'acier inoxydable, l'acier résistant à la chaleur et l'acier résistant à l'usure.

(2) Types d'acier allié

L'acier allié peut être classé en acier allié de construction, acier allié d'outillage et acier à performances spéciales, en fonction de son utilisation. En fonction de la teneur en éléments d'alliage, l'acier allié peut être classé en acier faiblement allié (wM<5%), acier moyennement allié (wM=5%~10%), et l'acier fortement allié (wM>10%).

(3) Désignations, propriétés mécaniques et applications des aciers alliés de construction

L'acier allié de construction comprend l'acier destiné aux ouvrages d'art et à la fabrication de machines. Les désignations des aciers alliés de construction sont généralement composées de la fraction massique moyenne du carbone (exprimée en dix millièmes) + le symbole de l'élément d'alliage + la fraction massique de l'élément d'alliage (exprimée en pourcentages), bien qu'il y ait des exceptions.

Le tableau 1-8 donne des exemples de désignations d'aciers alliés de construction couramment utilisés, de leurs propriétés mécaniques et de leurs applications.

Tableau 1-8 : Exemples de désignations, de propriétés mécaniques et d'applications des aciers alliés de construction couramment utilisés

Catégorie d'acierGradeTraitement thermique Température/°CPropriétés mécaniquesExemple d'utilisation
TrempeTrempeσb/MPaσs/MPaδ5(%)
Acier de construction à haute résistance faiblement alliéQ345 Q390--510~660 530~680345 39022
20
Ponts, navires, appareils à pression, etc.
Acier allié de cémentation20Cr 20CrMnTi880 (eau, huile) 860 (huile)200
200
834
1079
539 83410
10
Engrenages, axes de piston, engrenages de transmission pour automobiles (tracteurs), etc.
Acier allié trempé et revenu40Cr 35CrMo850 (huile) 850 (huile)500
550
1000 1000800 8509
12
Broches de machines-outils, vilebrequins, bielles, engrenages, etc.
Acier à ressort allié60Si2Mn 50CrVA850 (huile) 850 (huile)480
500
981
1274
785 11275(δ10) 10(δ10)Ressorts à lames, ressorts hélicoïdaux, etc. sur automobiles (tracteurs)

1) Acier de construction à haute résistance faiblement allié. Ce type d'acier est dérivé d'un acier à faible teneur en carbone auquel on a ajouté une petite quantité d'éléments d'alliage (wM <5%). Généralement utilisé dans les structures d'ingénierie, il conserve une résistance relativement faible, mais possède une plasticité, une ténacité et une soudabilité excellentes. Abordable et généralement utilisé à l'état laminé à chaud, il subit un traitement de normalisation si nécessaire pour améliorer sa résistance.

L'acier de construction à haute résistance faiblement allié est principalement utilisé dans la fabrication de ponts, de navires, de chaudières, de cuves à haute pression, d'oléoducs et de grandes structures en acier.

2) Acier allié cémenté. L'acier allié cémenté fait référence à l'acier allié utilisé après un traitement de cémentation. Ce type d'acier présente une fraction massique de carbone plus faible (0,15%~0,25%) afin de garantir que le cœur de la pièce présente une résistance et une ténacité élevées, tandis que la surface, après cémentation et trempe à basse température, présente une dureté élevée (58~64HRC) et une résistance à l'abrasion.

L'acier allié cémenté est principalement utilisé dans la fabrication de pièces nécessitant une résistance élevée à l'usure et à la charge dynamique, telles que les engrenages des transmissions de voitures et de tracteurs, les arbres à cames des moteurs à combustion interne, etc. Les aciers alliés cémentés couramment utilisés sont le 15Cr, le 20Cr, le 20CrMnTi, etc.

3) Acier allié trempé. Ce type d'acier a généralement une teneur en carbone de 0,25%~0,45%. Après la trempe et le revenu à haute température (revenu), il développe une structure de sorbite trempée, ce qui lui confère une bonne combinaison de résistance et de ténacité.

Il est principalement utilisé pour la fabrication de pièces qui supportent des charges alternées importantes et diverses contraintes complexes, telles que les bielles, les arbres de transmission, les broches de machines-outils, les engrenages, les cames, etc. sur les voitures et les tracteurs. Les aciers alliés trempés couramment utilisés sont le 40Cr, le 35CrMo, le 40CrNiMo et d'autres.

4) Acier allié pour ressorts. L'acier allié pour ressorts désigne le type d'acier allié utilisé dans la fabrication de divers ressorts et composants élastiques. Ce type d'acier a généralement une fraction massique de carbone de 0,50%-0,65% et contient des éléments d'alliage tels que Mn, Si, Cr et V.

Après la trempe et le revenu à moyenne température, il développe une structure de troostite tempérée, présentant une limite élastique et une limite d'élasticité élevées. Les aciers alliés pour ressorts couramment utilisés sont, entre autres, le 65Mn et le 50CrV.

(4) Nuances, propriétés mécaniques et applications des aciers à outils alliés

L'acier allié pour outils, qui comprend l'acier pour outils de coupe, l'acier pour matrices et l'acier pour outils de mesure, est formé par l'ajout d'éléments d'alliage à l'acier pour outils au carbone. Les nuances d'acier à outils allié sont généralement composées de la fraction massique moyenne de carbone dans l'acier (exprimée en permillage) + le symbole de l'élément d'alliage + la teneur de l'élément d'alliage.

Si la fraction massique du carbone dépasse 1,0%, elle n'est pas indiquée dans la nuance. Le tableau 1-9 donne des exemples de nuances, de traitements thermiques et d'applications pour les aciers à outils alliés couramment utilisés.

1) Acier allié pour outils de coupe. L'acier allié pour outils de coupe est utilisé pour fabriquer divers outils de coupe, tels que des outils de tournage, des fraises, des forets, des tarauds, des matrices, etc. Les aciers alliés couramment utilisés pour les outils de coupe comprennent les aciers faiblement alliés pour outils de coupe et les aciers rapides pour outils.

L'acier à outils de coupe faiblement allié présente généralement une fraction de masse de carbone (wC) de 0,75% à 1,45%. Son traitement thermique consiste en une trempe et un revenu à basse température. La température maximale d'utilisation de ce type d'acier ne dépasse pas 300°C.

Il n'est utilisé que pour la fabrication d'outils de coupe à faible vitesse ou d'outils ayant des exigences élevées en matière de résistance à l'usure, tels que les rabots, les tarauds, les matrices, les mèches, etc. Les nuances courantes d'acier faiblement allié pour outils de coupe comprennent le 9SiCr, le CrWMn, etc.

L'acier à outils rapide est un type d'acier fortement allié à haute teneur en carbone, avec une fraction de masse de carbone (wC) de 0,7% à 1,6%, et contient une grande quantité de W, Cr, Mo, V et d'autres éléments d'alliage. Le traitement thermique de l'acier à outils rapide implique une trempe suivie d'un revenu multiple à haute température, résultant en une structure martensite + carbure.

Après une trempe normale, la dureté est généralement de 63~66HRC, ce qui démontre une bonne résistance à la chaleur. Les outils fabriqués à partir d'acier à outils rapide conservent une dureté élevée d'environ 60 HRC à une température de coupe de 600°C, et conviennent donc à la coupe à grande vitesse. Les nuances les plus courantes sont W18Cr4V, W6Cr5Mo4V2, etc.

Tableau 1-9 : Exemples de nuances d'aciers à outils alliés courants, de conditions de traitement thermique et d'applications

Types d'acierNotesTraitement thermique et duretéExemple d'utilisation
TrempeTrempe
Température de chauffage / ℃Dureté HRCTempérature de chauffage / ℃Dureté HRC
Acier à outils faiblement allié9SiCr
CrWMn
860~880 (trempe à l'huile)
820~840 (trempe à l'huile)
≥62 
≥62
150~200 140~16060~62 62~65Tarauds, matrices, alésoirs, etc.
Acier à outils à haute vitesseW18Cr4V
W6Mo5Cr4V2
1280 (trempe à l'huile)
1220 (trempe à l'huile)
60~65 ≥64560 
560
63~66 64~66Fraises, outils de tournage, mèches, rabots, etc.
Acier pour matriçage à chaud5CrNiMo
3Cr2W8V
830~860 (trempe à l'huile)
1050~1100 (trempe à l'huile)
≥47 
>50
530~550 560~58030~47 45~48Grandes dimensions Matrices de forgeageMatrices de presse à chaud, lames de cisailles à chaud, matrices de moulage sous pression, etc.
Acier matricé pour le travail à froidCr12
Cr12MoV
950~1000 (trempe à l'huile)
1020~1040 (trempe à l'huile)
62~65 62~63180~220 160~18060~62 61~62Froid Matrices de poinçonnageLes outils de coupe, les outils de tréfilage, les outils de bordures, les outils de perles, etc.

2) Acier allié pour matrices. L'acier allié pour matrices est divisé en deux catégories : l'acier pour matrices à chaud et l'acier pour matrices à froid.

L'acier pour filière à chaud est utilisé pour fabriquer diverses filières de forgeage à chaud, filières d'extrusion à chaud et filières de moulage sous pression, etc., la température de la surface de la cavité atteignant plus de 600℃ pendant le fonctionnement ; l'acier pour filière à froid est utilisé pour fabriquer diverses filières de poinçonnage à froid, filières de frappe à froid, filières d'extrusion à froid et filières de tréfilage, etc. dont la température de travail n'excède pas 300℃.

L'acier pour matrices de travail à froid a une fraction massique de carbone wc ≥1,0% et les éléments d'alliage ajoutés peuvent renforcer la matrice, former des carbures et améliorer la dureté et la résistance à l'usure de l'acier. Après la trempe et le revenu à basse température, l'acier pour matrices de travail à froid obtient une structure de martensite et de carbure granulaire. Les aciers pour matrices utilisés couramment pour le travail à froid comprennent Cr12, Cr12MoV, etc.

La fraction de masse de carbone de l'acier pour matrices de travail à chaud est généralement de 0,3%~0,6%, et les éléments d'alliage ajoutés peuvent améliorer la trempabilité, la résistance à la chaleur et la résistance à la fatigue thermique de l'acier.

Après la trempe et le revenu à haute température ou à moyenne température, l'acier pour travail à chaud obtient une structure de sorbite ou de troostite trempée. Les aciers pour travail à chaud couramment utilisés sont le 5CrNiMo, le 3Cr2W8V, etc.

(5) Aciers spéciaux à haute performance

Les aciers à performances spéciales sont des aciers dont les propriétés d'utilisation sont uniques. Il existe de nombreux types d'aciers à performances spéciales, mais cette section ne présentera que ceux qui sont couramment utilisés dans l'industrie mécanique : l'acier inoxydable, l'acier résistant à la chaleur et l'acier résistant à l'usure.

1) Acier inoxydable.

L'acier inoxydable est un acier capable de résister aux milieux atmosphériques ou corrosifs. Les types les plus courants sont l'acier inoxydable martensitique 12Cr13, l'acier inoxydable ferritique 10Cr17 et l'acier inoxydable austénitique chrome-nickel 18-8.

L'acier inoxydable martensitique est souvent utilisé pour des produits nécessitant des propriétés mécaniques élevées et une résistance à la corrosion relativement faible ; l'acier inoxydable ferritique est largement utilisé dans les industries de l'acide nitrique, des engrais azotés et de l'acide phosphorique, ainsi que comme matériau résistant à l'oxydation à haute température ; l'acier inoxydable austénitique est le type d'acier inoxydable le plus largement utilisé dans l'industrie, mais la corrosion intergranulaire doit être évitée.

2) Acier résistant à la chaleur.

L'acier résistant à la chaleur est un acier qui conserve une stabilité chimique et une résistance thermique élevées à des températures élevées. La stabilité chimique fait référence à la capacité de l'acier à résister à diverses corrosions chimiques à des températures élevées, tandis que la résistance thermique fait référence à la performance de résistance de l'acier à des températures élevées.

Les aciers résistants à la chaleur couramment utilisés sont l'acier perlitique résistant à la chaleur, l'acier martensitique résistant à la chaleur et l'acier austénitique résistant à la chaleur.

L'acier perlitique résistant à la chaleur fonctionne à des températures comprises entre 450 et 550°C et est principalement utilisé pour la fabrication de pièces soumises à de faibles charges dans les appareils électriques, comme les tubes en acier des chaudières ; l'acier martensitique résistant à la chaleur fonctionne à des températures comprises entre 550 et 600°C et est principalement utilisé pour la fabrication d'aubes de turbines, de soupapes d'échappement de moteurs diesel, etc. ; l'acier austénitique résistant à la chaleur fonctionne à des températures comprises entre 600 et 700°C, et peut atteindre 850°C, et est principalement utilisé pour la fabrication de turbines de moteurs à réaction et de tuyaux d'échappement. Les aciers résistants à la chaleur les plus courants sont le 12Cr1MoV, le 42Cr9Si2 et le 4Cr13Ni8Mn8MoVNb.

3) Acier résistant à l'usure.

L'acier résistant à l'usure désigne généralement un acier à haute teneur en manganèse qui subit un durcissement sous l'effet des charges d'impact. Ses principaux composants sont : wc=1,0%-1,3%, wMn=11%-14%. Il est coulé en forme, et après traitement thermique, il obtient une structure entièrement austénitique, qui présente une bonne ténacité et une bonne résistance à l'usure.

Les aciers à haute teneur en manganèse les plus courants sont ZGMn13, ZGMn13Cr2, etc. L'acier à haute teneur en manganèse est largement utilisé dans la fabrication de pièces qui supportent des impacts ou des pressions importants, comme les godets d'excavateurs, les chenilles de réservoirs, etc. En outre, l'acier à haute teneur en manganèse n'est pas fragile dans les climats froids, ce qui permet de l'utiliser dans les régions glaciales.

Métaux non ferreux et alliages

Aluminium et alliages d'aluminium

L'aluminium pur a une couleur blanc argenté, une structure cristalline cubique à face centrée et aucune transformation allotropique. Il se caractérise par un point de fusion bas (660℃), une faible densité (2,7g/cm3), faible résistance (σb=80MPa), une grande plasticité (ψ=80%) et une excellente conductivité électrique et thermique.

L'aluminium pur n'est donc pas adapté aux structures porteuses. Il est principalement utilisé pour la fabrication de fils, de câbles, d'ustensiles peu résistants et de divers alliages d'aluminium. L'aluminium pur est chimiquement actif et a tendance à former un film d'oxyde solide et dense à sa surface, ce qui lui confère une bonne résistance à la corrosion dans l'air et l'eau douce.

Les alliages d'aluminium peuvent être divisés en alliages d'aluminium déformés et en alliages d'aluminium coulés en fonction de leurs caractéristiques de traitement. La figure 1-41 présente un diagramme de classification des alliages d'aluminium. Les alliages situés à gauche du point D se présentent, lorsqu'ils sont chauffés, sous la forme de solutions solides monophasées présentant une bonne plasticité et convenant à la transformation sous pression.

On parle alors d'alliages d'aluminium déformés. Les alliages situés à droite du point D, qui contiennent une fraction massique plus importante d'éléments d'alliage et ont des structures eutectiques, se caractérisent par des températures de fusion plus basses et une bonne fluidité, ce qui les rend adaptés au moulage. Ils sont appelés aluminium moulé alliages.

Les alliages d'aluminium déformés sont généralement transformés en divers produits semi-finis tels que des tôles, des barres, des tubes, des fils, des profilés et des pièces forgées. Parmi les alliages d'aluminium déformés, les alliages des séries Al-Mg et Al-Mn ont pour la plupart une structure monophasée et ne peuvent pas être renforcés par traitement thermique. Ils se caractérisent par une bonne résistance à la corrosion, une bonne soudabilité et une bonne plasticité, ainsi que par d'excellentes performances à basse température.

Ces propriétés les rendent prometteurs dans des domaines tels que l'aérospatiale. Les alliages des séries Al-Cu-Mg et Al-Cu-Mn ont une forte capacité de durcissement par vieillissement et une grande résistance, mais leur résistance à la corrosion et leur soudabilité sont inférieures. Ils sont principalement utilisés comme composants structurels. Les alliages de la série Al-Mg-Cu-Zn ont la plus grande résistance à température ambiante parmi les alliages d'aluminium, mais ils se ramollissent rapidement à haute température et ont une mauvaise résistance à la corrosion.

Ils sont principalement utilisés pour les structures et les pièces importantes soumises à de lourdes charges. Les alliages des séries Al-Mg-Si-Cu et Al-Cu-Mg-Fe-Ni ont une bonne thermoplasticité, une bonne coulabilité et des propriétés mécaniques relativement élevées. Ils sont principalement utilisés pour les pièces complexes de l'aérospatiale et des instruments et peuvent également être utilisés comme alliages résistants à la chaleur.

Les alliages d'aluminium des séries Al-Cu-Mg, Al-Cu-Mn, Al-Mg-Cu-Zn, Al-Mg-Si-Cu et Al-Cu-Mg-Fe-Ni peuvent tous être renforcés par traitement thermique. Le tableau 1-10 présente des exemples d'alliages d'aluminium déformés couramment utilisés, leur composition chimique, leurs propriétés mécaniques et leurs utilisations.

Tableau 1-10 : Exemples d'alliages d'aluminium déformés couramment utilisés, y compris leurs désignations, compositions chimiques, propriétés mécaniques et applications

CatégorieCodeComposition chimique (%)Traitement thermique

Théorie
Propriétés mécaniquesExemples d'applications
WCuWMgWMnWZnσb/MPaδ(%)Dureté
HBW
Alliage d'aluminium inoxydable5A054.5~5.50.3~0.6M2702370Pièces à charge moyenne, rivets, réservoirs d'huile soudés, tuyaux d'huile, etc.
3A211.0~1.61302330
Alliage d'aluminium dur2A012.2~3.00.2~0.5CZ3002470Résistance moyenne et température de travail inférieure à 100°C Matériau du rivet
2A113.8~4.80.4~0.80.4~0.842018100Pièces et composants structurels de résistance moyenne, tels que cadres, pales d'hélice, rivets, etc.
2A123.8~4.91.2~1.80.3~0.947017105Composants et pièces à haute résistance fonctionnant à moins de 150°C, tels que les cadres, les poutres, etc.
Alliage d'aluminium très dur7A041.4~2.01.8~2.80.2~0.65~7CS60012150Principales structures porteuses, telles que les poutres d'avion, les fermes, les cadres de renforcement, les trains d'atterrissage, etc.
Alliage d'aluminium forgé2A501.8~2.60.4~0.80.4~0.842013105Formes complexes et pièces forgées de résistance moyenne, pièces forgées sous pression, etc.
2A701.9~2.71.4~1.844012120Pièces forgées complexes et pièces structurelles travaillant à haute température, pistons de moteurs à combustion interne, etc.
2A143.9~4.80.4~0.80.4~1.048019135Formes simples, pièces forgées à forte charge, pièces forgées sous pression, etc.

Note : M-cuisson ; CZ-trempe + vieillissement naturel ; CS-trempe + vieillissement artificiel.

Cuivre et alliages de cuivre

Le cuivre pur a une densité de 8,94g/cm³ et un point de fusion de 1083℃. Il a une structure cristalline cubique à faces centrées et ne présente pas d'allotropie. Le cuivre pur présente une bonne conductivité électrique, une bonne conductivité thermique et une bonne résistance à la corrosion. Si le cuivre pur présente une bonne ductilité, sa résistance et sa dureté sont faibles, ce qui le rend impropre à une utilisation directe en tant que matériau structurel.

Il est souvent utilisé pour fabriquer des matériaux conducteurs et thermoconducteurs, des dispositifs résistants à la corrosion, et il peut également servir de matière première pour la fabrication d'alliages de cuivre. Le cuivre pur ne peut pas être renforcé par un traitement thermique. En fonction des différentes compositions chimiques, les alliages de cuivre peuvent être divisés en trois catégories : le laiton, le bronze et le cuivre blanc.

(1) Laiton

Les alliages de cuivre dont le zinc est le principal élément d'alliage sont appelés laiton. En fonction de sa composition chimique, le laiton peut être divisé en laiton simple et laiton spécial. Le laiton simple est un alliage binaire de cuivre et de zinc. Lorsque la fraction massique de zinc est comprise entre 30% et 32%, sa structure est une solution solide cubique α à faces centrées, connue sous le nom de laiton monophasé.

Ce type de laiton présente une excellente aptitude à la forge et au soudage, ainsi qu'une bonne aptitude à l'étamage. Lorsque la fraction massique de zinc dépasse 32% (mais pas plus de 45%), sa structure est une structure biphasée α+β, connue sous le nom de laiton biphasé.

Ce laiton présente une bonne ductilité à haute température et convient au traitement à chaud. La désignation du laiton ordinaire consiste en "H+numéro", où H représente le laiton et le numéro indique la fraction de masse du cuivre. Par exemple, H80 est un laiton ordinaire contenant 80% de cuivre et 20% de zinc.

Les laitons spéciaux sont formés en ajoutant d'autres éléments d'alliage à l'alliage cuivre-zinc. Outre le zinc, les éléments d'alliage courants sont le plomb, l'aluminium, le manganèse, l'étain, le fer, le nickel, le silicium, etc. L'ajout de ces éléments d'alliage améliore la solidité, la résistance à la corrosion et la résistance à l'usure du laiton.

En fonction des éléments d'alliage primaires ajoutés, le laiton spécial peut être divisé en laiton au plomb, laiton à l'aluminium, laiton au manganèse, etc. La désignation du laiton spécial consiste en "H+ symbole de l'élément d'alliage primaire + fraction de masse du cuivre + fraction de masse de l'élément d'alliage primaire".

Par exemple, HPb59-1 représente un laiton spécial avec une fraction massique de 59% de cuivre et 1% de plomb, le reste étant du zinc. Les désignations, les compositions chimiques, les propriétés mécaniques et les exemples d'applications des laitons couramment utilisés sont indiqués dans le tableau 1-11.

(2) Bronze

Le bronze désigne les alliages de cuivre dont les principaux éléments d'alliage sont autres que le Zn et le Ni. Sa désignation est composée de "Q+ symbole de l'élément d'alliage primaire + fraction de masse de l'élément d'alliage primaire". S'il s'agit d'un bronze coulé, un "Z" est ajouté avant la désignation. Le bronze peut être divisé en bronze ordinaire et en bronze spécial.

Tableau 1-11 : Désignations représentatives, compositions chimiques, propriétés mécaniques et exemples d'applications des alliages d'aluminium déformés couramment utilisés

CatégorieGradeComposition chimique (%)Propriétés mécaniquesExemples d'application
WCuWPbWSiWAlWMnσb/MPaδ(%)Dureté
HBW
Laiton communH9088~913205253Revêtements et décorations, etc.
H6867~706603150Boîtiers de cartouches, tubes à condensateur, etc.
H6260.5~63.56003164Rondelles, ressorts, vis, etc.
Laiton spécialLaiton de plombHPb59-157~600.8~1.965016140Goupilles, vis et autres pièces estampées ou usinées
Aluminium LaitonHAl59-3-257~602.5~3.565015150Pièces à haute résistance et chimiquement stables
Manganèse LaitonHMn58-257~601.0~2.070010175Pièces pour bateaux et utilisation électrique faible

Le bronze ordinaire désigne le bronze à l'étain, dont l'étain (Sn) est le principal élément d'alliage. La fraction massique de l'étain est déterminante pour les performances du bronze d'étain. Le bronze d'étain avec une fraction massique d'étain de 5% à 7% a la meilleure plasticité, convenant au traitement de la déformation à froid et à chaud. Le bronze d'étain dont la fraction massique d'étain est supérieure à 10% présente une résistance élevée, mais une plasticité médiocre, et ne convient qu'au moulage.

Le bronze à l'étain présente une excellente résistance à la corrosion dans l'atmosphère, l'eau de mer et les solutions salines inorganiques, mais une moins bonne résistance à la corrosion dans l'ammoniac, l'acide chlorhydrique et l'acide sulfurique.

Les bronzes spéciaux sont des bronzes qui ne contiennent pas de Sn. En fonction de l'élément d'alliage primaire, il peut être divisé en bronze d'aluminium, bronze de béryllium, bronze de silicium, etc. Le bronze d'aluminium a une fraction massique d'aluminium de 5% à 10%, une grande stabilité chimique, une bonne résistance à la corrosion et à l'usure, une résistance et une plasticité plus élevées, et une bonne usinabilité.

Il est principalement utilisé pour les pièces résistantes à l'usure à haute résistance travaillant dans l'eau de mer ou à haute température. Le bronze au béryllium a une fraction massique de béryllium de 1,7% à 2,5%. Il peut subir un renforcement par mise en solution et un durcissement par vieillissement, ce qui lui confère une grande solidité, une résistance à l'usure et à la corrosion, ainsi qu'une conductivité électrique et thermique.

Il possède également des propriétés spéciales telles que l'antimagnétisme et l'absence d'étincelles en cas d'impact. Il est principalement utilisé pour les éléments élastiques des instruments de précision et les pièces antidéflagrantes des moteurs. Le bronze au silicium a une fraction massique de silicium de 3% à 4,6%, avec des propriétés mécaniques plus élevées que le bronze à l'étain et de bonnes performances en matière de moulage et de traitement à froid et à chaud.

L'ajout de nickel au bronze au silicium peut améliorer considérablement sa solidité et sa résistance à l'usure. Il est principalement utilisé dans l'industrie aéronautique et dans les lignes téléphoniques aériennes à longue distance, les lignes électriques, etc. Le numéro de marque, la composition chimique, les propriétés mécaniques et les exemples d'applications du bronze couramment utilisé sont indiqués dans le tableau 1-12.

(3) Maillechort

Le maillechort, également connu sous le nom de cuivre blanc, désigne une catégorie d'alliages de cuivre principalement composés de nickel. Il existe deux types de maillechort : le maillechort ordinaire et le maillechort spécial.

Tableau 1-12 : Exemples de nuances de bronze courantes, de compositions chimiques, de propriétés mécaniques et d'utilisations

CatégorieGradeComposition chimique (%)Propriétés mécaniquesExemples d'utilisation
WSnWAlWSiAutresσb/MPaδ(%)Dureté
Bronze ordinaireQSn4-33.5~4.5Zn :
2.7~3.3
350~5504~4060~160
HBW
Éléments élastiques, résistants à l'usure, anti

Composants magnétiques
QSn6.5-0.16.0~7.0P :
0.10~0.25
350~45060~7070~90
HBW
Pièces de contact, ressorts, pièces résistantes à l'usure
Bronze spécialBronze au bérylliumQBe2Be:1.8~2.1
Ni:0,2~0,5
500~8503~4090~250
HV
Ressorts importants, éléments élastiques

Roulements, etc.
Bronze au siliciumQSi3-12.7~
3.5
Mn :
1~1.5
80~180
HV
Ressorts et pièces fonctionnant en milieu corrosif

Le maillechort ordinaire, qui ne contient que du cuivre et du nickel, possède une bonne résistance et une excellente plasticité. Il peut être soumis à un traitement sous pression à froid et à chaud. Sa résistance à la corrosion est excellente et il possède une résistivité électrique élevée avec un faible coefficient de résistance à la température.

Il est principalement utilisé pour la fabrication de pièces d'instruments navals, de pièces de machines chimiques et d'équipements médicaux, entre autres. La qualité du maillechort est composée de "B + fraction massique moyenne de Ni". Par exemple, B19 représente le maillechort ordinaire avec une teneur en nickel de 19%.

Le maillechort spécial est produit en ajoutant d'autres éléments d'alliage au maillechort. Les propriétés et les utilisations du maillechort varient en fonction du type d'élément d'alliage ajouté. Par exemple, le maillechort au manganèse avec une fraction massique élevée de manganèse peut être utilisé pour fabriquer des fils de thermocouple, des instruments de mesure, etc. Par exemple, BZn15-20 représente un maillechort spécial avec une teneur en silicium de 15% et une teneur en zinc de 20%.

Titane et alliages de titane

Le titane pur a une densité de 4,5g/cm³ et un point de fusion de 1667°C, subissant une allotropie. En dessous de 882,5 °C, le titane pur présente une structure cristalline hexagonale à empilement serré, connue sous le nom d'α-Ti. Au-dessus de 882,5 °C, il présente une structure cristalline cubique centrée sur le corps, appelée β-Ti.

Le titane pur (α-Ti) a un module d'élasticité relativement faible, une bonne résistance aux chocs, une résistance spécifique élevée et une excellente plasticité, mais ses propriétés mécaniques sont extrêmement sensibles aux impuretés.

Les principales caractéristiques des alliages de titane sont une grande solidité, une faible densité, une bonne résistance à la chaleur et à la corrosion. Cependant, ils sont peu usinables, sensibles à l'usure et relativement chers. Les alliages de titane sont classés en types α (TA), β (TB) et α+β (TC) en fonction de leur structure recuite.

Le tableau 1-13 présente des exemples de nuances, de compositions chimiques, de propriétés mécaniques et d'utilisations des alliages de titane couramment utilisés.

(1) Alliages de titane de type α

La structure recuite des alliages de titane de type α est une solution solide α monophasée, et ils ne peuvent pas être renforcés par un traitement thermique. Ces alliages ont des structures stables, une excellente résistance à la corrosion, une bonne plasticité et une bonne formabilité. Ils présentent également d'excellentes performances de soudage et des propriétés à basse température.

Ils sont couramment utilisés pour fabriquer des peaux et des cadres d'avions, des disques et des aubes de compresseurs de moteurs, des carters de turbines et des conteneurs à ultra-basse température.

Tableau 1-13 : Exemples d'alliages de titane couramment utilisés, leurs compositions chimiques, leurs propriétés mécaniques et leurs applications

CatégorieGradeGroupe de composition chimiqueTraitement thermiquePropriétés mécaniques à température ambiantePropriétés mécaniques à haute températureExemples d'utilisation
σb/MPaδ(%) pas moins deTempérature d'essai/℃Instantané

La force
/MPa
Force d'endurance  /MPa
Alliage de titane alphaTA28Ti-3AlRecuit70012Travailler en dessous de 500℃

Pièces telles que le carburant des missiles

Réservoirs, carcasses de turbines d'avion, etc.
TA5Ti-4Al-0.005BRecuit70015
TA6Ti-5AlRecuit70012~20350430400
Alliage de titane BetaTB2Ti-5Mo-5V-8Cr-3AlTrempe100020Travailler en dessous de 350℃

Pièces telles que les lames du compresseur

Arbres, disques et autres pièces rotatives à forte charge, composants d'aéronefs, etc.
Trempe + vieillissement13508
Alliage de titane alpha + bêtaTC1Ti-2Al-1,5MnRecuit600~80020~25350350350Travailler en dessous de 400℃

Pièces telles que les composants de moteur présentant une certaine résistance à haute température ; fusées à basse température, réservoirs d'hydrogène liquide pour missiles, etc.
TC2Ti-4Al-1,5MnRecuit70012~15350430400
TC3Ti-5Al-4VRecuit9008~10500450200
TC4Ti-6Al-4VRecuit95010400630580
Trempe + vieillissement12008

①持久强度表示材料在给定温度下经过100h后,试样发生断裂时的应力值。

(2) Alliages de titane bêta

Les alliages de titane en phase bêta ont une structure recuite en phase bêta. La trempe permet d'obtenir des alliages de titane en phase bêta métastable. Ces alliages peuvent être traités thermiquement pour améliorer leur résistance, ont une résistance élevée à température ambiante et de bonnes propriétés de déformation à froid. Cependant, ces alliages ont une densité élevée, leur structure n'est pas assez stable et ils ont une mauvaise résistance à la chaleur. Les alliages de titane bêta sont principalement utilisés pour fabriquer des composants aéronautiques qui ne nécessitent pas de températures élevées mais qui ont besoin d'une grande résistance, tels que les ressorts, les fixations et les composants à section épaisse.

(3) Alliages de titane Alpha + Beta

La structure recuite des alliages de titane alpha + bêta est la phase (alpha + bêta), qui combine les caractéristiques des alliages de titane alpha et bêta. Ils présentent d'excellentes propriétés mécaniques globales et sont les alliages de titane les plus largement utilisés. Par exemple, le TC4 (Ti-6Al-4V) est largement utilisé dans l'aérospatiale et d'autres secteurs industriels.

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