Métallurgie des Alliages Légers (Aluminium & Magnésium) 2024-2025 PDF

METALLURGIE DES ALLIAGES LEGERS (ALUMINIUM & MAGNESIUM) 2024-2025 ECAM 4 étudiant/alternance  Auteur : MALHAIRE Jean-Marie Département : Sciences et Génie des Matériaux...

METALLURGIE DES ALLIAGES LEGERS (ALUMINIUM & MAGNESIUM) 2024-2025 ECAM 4 étudiant/alternance  Auteur : MALHAIRE Jean-Marie Département : Sciences et Génie des Matériaux Page 1 sur 33  SOMMAIRE I – METALLURGIE DE l’ALUMINIUM Chapitre 1 : Extraction et production de l’Aluminium Chapitre 2 : Propriétés de l’Aluminium Chapitre 3 : Traitements et mise en forme de l’Aluminium Chapitre 4 : Les alliages d’Aluminium Chapitre 5 : Les Mécanismes de Durcissement des Alliages d'Aluminium II – METALLURGIE DU MAGNESIUM Chapitre 1 : Propriétés physiques et chimiques du magnésium Chapitre 2 : Obtention du Magnésium Chapitre 3 : Alliages de magnésium Chapitre 4 : Traitements thermiques et traitements de surface Chapitre 5 : Applications industrielles du magnésium Chapitre 6 : Défis et perspectives ANNEXE Mécanisme D’OROWAN Page 2 sur 33  I – METALLURGIE DE L’ALUMINIUM Chapitre 1 : Extraction et Production de l'Aluminium 1.1. Les Minerais d'Aluminium L'aluminium se trouve principalement sous forme de bauxite, qui est le minerai le plus important pour la production d'aluminium. La bauxite contient principalement des hydroxydes d'aluminium, tels que la gibbsite (Al(OH)₃), la boehmite (γ-AlO(OH)) et la diaspore (α-AlO(OH)). La composition typique de la bauxite comprend environ 30 à 60 % d'oxyde d'aluminium (Al₂O₃). Minerai de Bauxite 1.2. Procédé Bayer Le procédé Bayer est la méthode la plus couramment utilisée pour extraire l'alumine (Al₂O₃) de la bauxite. Le procédé se déroule en plusieurs étapes : Dissolution : La bauxite est broyée et mélangée avec une solution concentrée de soude caustique (NaOH). À haute température et pression, l'alumine se dissout sous forme d'aluminate de sodium soluble. Précipitation : La solution est refroidie, ce qui provoque la précipitation de l'hydroxyde d'aluminium. Calcination : L'hydroxyde d'aluminium précipité est ensuite chauffé dans des fours rotatifs pour obtenir de l'alumine anhydre. Procédé BAYER 1.3. Procédé Hall-Héroult Le procédé Hall-Héroult est utilisé pour réduire l'alumine en aluminium métallique. Ce procédé électrolytique implique les étapes suivantes : Page 3 sur 33  Fusion de l'Alumine : L'alumine est dissoute dans un bain de cryolithe fondue (Na₃AlF₆), à environ 950°C. Électrolyse : Un courant électrique est passé à travers le bain, ce qui entraîne la réduction de l'alumine en aluminium métallique qui se dépose au fond de la cuve, tandis que l'oxygène est libéré à l'anode en carbone. Procédé Hall-Heroult Page 4 sur 33  Chapitre 2 : Propriétés de l'Aluminium 3.1. Propriétés de l'Aluminium L'aluminium possède plusieurs propriétés notables qui le rendent utile dans de nombreuses industries : Légèreté : L'aluminium a une densité par rapport à l’eau d'environ 2,7, soit environ un tiers de celle de l'acier (7,9). Conductivité : C'est un excellent conducteur d'électricité et de chaleur, utilisé dans les câbles électriques et les échangeurs thermiques. Page 5 sur 33  Classification des métaux selon IACS Résistance à la Corrosion : L'aluminium forme spontanément une couche d'oxyde à sa surface qui le protège de la corrosion. Ductilité et Malléabilité : L'aluminium peut être facilement travaillé par des procédés de déformation plastique, tels que le laminage et l'extrusion. Cristallographie : A température ordinaire, la maille cristalline de l’Aluminium est CFC Page 6 sur 33  Chapitre 3 : Traitement et Mise en Forme de l'Aluminium 3.1. Traitements Thermomécaniques Après la production de l'aluminium primaire, plusieurs traitements thermomécaniques peuvent être appliqués pour améliorer ses propriétés mécaniques : Trempe et Revenu/Trempe et Maturation : Ces traitements visent à ajuster la dureté et la ductilité de l'aluminium en fonction des applications prévues. Trempe : Processus : Après la dissolution des éléments d'alliage à haute température (mise en solution), l'alliage est refroidi rapidement (par immersion dans de l'eau ou de l'huile) pour former une solution solide sursaturée. Effet : La trempe conserve les éléments d'alliage dissous, préparant le matériau pour le durcissement par précipitation. Revenu : Processus : le traitement de revenu s'effectue une température nettement inférieure à celle de la trempe et est suivi d'un refroidissement naturel. Effet : Le revenu stabilise les phases créées lors de la trempe. Maturation : Pour certains alliages, on effectue une trempe, mais pas de revenu. Dans ce cas, il y a « maturation » (exemple : 5 jours à 20 °C pour les alliages de fonderie), c'est-à-dire que l'on considère que l'alliage atteint ses caractéristiques mécaniques seulement après cette période. Tout essai de dureté ou de résistance mécanique avant ces 5 jours n'est pas significatif. 3.2. Mise en Forme L'aluminium peut être mis en forme par divers procédés : Laminage : Ce procédé permet de produire des tôles d'aluminium de différentes épaisseurs. Page 7 sur 33  Extrusion : L'aluminium est poussé à travers une matrice pour former des profils complexes. Fonderie : Ce procédé est utilisé pour produire des pièces solides et résistantes à partir de l'aluminium en fusion. 3.3. Traitement de Surface Pour améliorer la résistance à la corrosion et l'apparence, plusieurs traitements de surface peuvent être appliqués : Anodisation : Processus électrochimique qui épaissit la couche d'oxyde naturel à la surface de l'aluminium, améliorant ainsi sa résistance à la corrosion. Revêtements : Des revêtements organiques, inorganiques ou métalliques peuvent être appliqués pour des propriétés spécifiques, comme l'esthétique ou la protection contre la corrosion. Page 8 sur 33  Chapitre 4 : Les Alliages d'Aluminium 4.1. Pourquoi allier l'Aluminium ? L'aluminium pur présente d'excellentes propriétés telles que la légèreté, la résistance à la corrosion et la conductivité thermique et électrique. Cependant, ses propriétés mécaniques sont relativement limitées, ce qui limite son utilisation dans certaines applications industrielles. Pour surmonter ces limitations, des éléments d'alliage sont ajoutés à l'aluminium pour : Augmenter la résistance mécanique : Les éléments d'alliage peuvent augmenter la limite d'élasticité Re et la résistance à la traction Rm. Améliorer la résistance à la corrosion : Certains alliages offrent une meilleure résistance aux environnements corrosifs. Améliorer la dureté : L'ajout d'éléments d'alliage peut améliorer la dureté et la résistance à l'usure de l'aluminium. Optimiser les propriétés thermiques : Les alliages peuvent avoir des propriétés spécifiques adaptées aux applications à haute ou basse température. 4.2. Classification des Alliages d'Aluminium Les alliages d'aluminium sont classés en deux grandes catégories : Alliages de corroyage : Ces alliages sont façonnés par des procédés mécaniques tels que le laminage, l'extrusion et le forgeage. Ils sont généralement utilisés dans les applications nécessitant une grande résistance mécanique. Alliages de fonderie : Ces alliages sont coulés dans des moules pour former des pièces. Ils sont souvent utilisés pour fabriquer des composants complexes et de grandes dimensions. 4.3. Système de Désignation des Alliages d'Aluminium Les alliages d'aluminium sont désignés par des codes numériques, qui sont standardisés par l'Aluminium Association (AA). Les alliages de corroyage sont identifiés par un chiffre à quatre chiffres (par exemple, 6061), tandis que les alliages de fonderie sont identifiés par un nombre à trois chiffres suivis d'une décimale (par exemple, 356.0). Les chiffres indiquent la série de l'alliage et, par extension, les principaux éléments d'alliage utilisés. Page 9 sur 33 4.4. Les Alliages de Corroyage 4.4.1. Série 1000 (Aluminium pur) Composition : Plus de 99 % d'aluminium. Propriétés : Excellente conductivité thermique et électrique, grande résistance à la corrosion, mais faible résistance mécanique. Applications : Câbles électriques, échangeurs thermiques, et applications nécessitant une haute conductivité. 4.4.2. Série 2000 (Alliages aluminium-cuivre) Composition : Principalement alliés avec du cuivre (Cu). Propriétés : Haute résistance mécanique comparable à celle de certains aciers, mais faible résistance à la corrosion. Applications : Aéronautique, structures à haute résistance. Page 10 sur 33 4.4.3. Série 3000 (Alliages aluminium-manganèse) Composition : Principalement alliés avec du manganèse (Mn). Propriétés : Bonne résistance à la corrosion, bonnes propriétés mécaniques. Applications : Applications dans le bâtiment, appareils électroménagers, emballage. 4.4.4. Série 5000 (Alliages aluminium-magnésium) Composition : Principalement alliés avec du magnésium (Mg). Propriétés : Excellente résistance à la corrosion, bonne soudabilité, propriétés mécaniques moyennes. Applications : Marine, transport, réservoirs, structures soudées. Page 11 sur 33 4.4..5. Série 6000 (Alliages aluminium-magnésium-silicium) Composition : Alliés avec du magnésium (Mg) et du silicium (Si). Propriétés : Bonne combinaison de résistance mécanique, résistance à la corrosion, et aptitude au traitement thermique. Applications : Structures aéronautiques, cadres de véhicules, éléments architecturaux. Page 12 sur 33 4.4.6. Série 7000 (Alliages aluminium-zinc) Composition : Principalement alliés avec du zinc (Zn), souvent avec du magnésium et du cuivre. Propriétés : Très haute résistance mécanique, utilisée dans les applications où le poids est critique. Applications : Aéronautique, équipement sportif, structures très sollicitées. Page 13 sur 33 4.5. Les Alliages de Fonderie Les alliages de fonderie sont conçus pour être coulés dans des moules. Ils contiennent souvent du silicium, du cuivre, du magnésium et/ou du zinc pour améliorer la coulabilité et les propriétés mécaniques des pièces moulées. 4.5.1. Alliages Silumins (Al-Si) Composition : Aluminium avec un pourcentage élevé de silicium (jusqu'à 12-13 %). Propriétés : Excellente coulabilité, bonne résistance à la corrosion, faible coefficient de dilatation. Applications : Pièces automobiles, blocs moteurs, composants de machines. 4.5.2. Alliages Al-Si-Cu Composition : Alliages de silicium avec du cuivre ajouté pour augmenter la résistance. Propriétés : Bonnes propriétés mécaniques, résistance améliorée à haute température. Applications : Applications automobiles, composants de moteurs. Page 14 sur 33 4.5.3. Alliages Al-Cu Composition : Aluminium avec une teneur élevée en cuivre. Propriétés : Très haute résistance mécanique, mais résistance à la corrosion plus faible. Applications : Pièces critiques nécessitant une haute résistance. 4.6. Propriétés des Alliages d'Aluminium Les propriétés des alliages d'aluminium varient en fonction des éléments d'alliage et des traitements thermiques appliqués : Résistance Mécanique : Les alliages des séries 2000, 6000 et 7000 présentent des résistances élevées, ce qui les rend adaptés aux applications structurales. Résistance à la Corrosion : Les alliages des séries 1000, 3000, et 5000 sont particulièrement résistants à la corrosion, ce qui est essentiel pour les applications marines et chimiques. Soudabilité : Les alliages des séries 5000 et 6000 sont les plus adaptés au soudage. Formabilité : Les alliages des séries 1000 et 3000 sont très malléables, ce qui les rend idéaux pour des applications nécessitant une grande déformation plastique. Page 15 sur 33 4.7.Conclusion Les alliages d'aluminium sont des matériaux polyvalents qui combinent les avantages intrinsèques de l'aluminium avec des propriétés mécaniques et chimiques améliorées grâce à l'ajout d'éléments d'alliage. Leur large éventail d'applications, allant de l'aéronautique à la construction, en passant par l'automobile, illustre l'importance de la maîtrise de ces matériaux dans le domaine industriel. Le choix du bon alliage dépend des exigences spécifiques de chaque application, en termes de résistance, de poids, de résistance à la corrosion, et d'autres propriétés essentielles L'aluminium est utilisé dans une variété d'industries, grâce à ses propriétés avantageuses : Aéronautique : Utilisé pour les structures d'avions en raison de son rapport résistance/poids élevé. Automobile : Employé dans les carrosseries, les blocs moteurs, et les jantes pour réduire le poids des véhicules et améliorer l'efficacité énergétique. Construction : Utilisé dans les fenêtres, les portes, les façades et les toitures pour sa résistance à la corrosion et son entretien minimal. Emballage : L'aluminium est couramment utilisé pour les emballages alimentaires, comme les canettes et les feuilles, en raison de sa barrière contre la lumière, l'air et l'humidité. Électronique : Utilisé dans les composants électroniques et les dissipateurs thermiques grâce à sa conductivité thermique. Page 16 sur 33  Chapitre 5 : Les Mécanismes de Durcissement des Alliages d'Aluminium Le durcissement des alliages d'aluminium est un processus crucial qui permet d'améliorer leurs propriétés mécaniques, notamment la résistance à la traction, la dureté, et la résistance à la fatigue. Le durcissement peut être réalisé par plusieurs mécanismes, chacun répondant à des besoins spécifiques selon l'application industrielle. Ce chapitre explore les différentes méthodes de durcissement des alliages d'aluminium, leurs principes sous-jacents, et leurs effets sur les propriétés des matériaux. 5.1. Dislocations : Concepts de Base 5.1.1. Nature des Dislocations o Dislocations Coin (Edge Dislocations) : Un plan atomique supplémentaire inséré dans la structure cristalline, créant une distorsion. o Dislocations Vis (Screw Dislocations) : Résultent d'une découpe dans le cristal où un plan atomique se déplace, causant une torsion hélicoïdale. o Mouvement des Dislocations : Les dislocations se déplacent par glissement sous l'effet de contraintes cisaillantes, facilitant la déformation plastique du matériau. 5.1.2. Importance du Blocage des Dislocations o Résistance Mécanique : Le blocage des dislocations augmente la contrainte nécessaire pour la déformation plastique, renforçant ainsi le métal. o Applications : Des mécanismes efficaces de blocage des dislocations sont essentiels dans les industries aérospatiales, automobiles et de construction pour développer des matériaux à haute résistance. 5.1.3. Mécanismes de Blocage des Dislocations 1. Blocage par Solide Solution o Principe : Les atomes d'impuretés ou d'alliages créent des distorsions locales dans le réseau cristallin, interagissant avec les dislocations et les bloquant. o Effet : Les atomes plus grands ou plus petits que ceux de la matrice créent un champ de contraintes autour d'eux, ce qui perturbe le mouvement des dislocations. Page 17 sur 33  o Exemple : L'ajout de cuivre dans l'aluminium ou de carbone dans le fer pour former de l'acier. 2. Blocage par Précipitation o Principe : De fines particules de précipitation dans la matrice métallique agissent comme des barrières physiques au mouvement des dislocations. o Mécanismes : ▪ Cisaillement des Précipités : Si les précipités sont petits et cohérents avec la matrice, les dislocations peuvent les cisailler. ▪ Contournement des Précipités (Mécanisme de Orowan) : Si les précipités sont incohérents ou grands, les dislocations contournent les précipités en formant une boucle, augmentant la résistance du métal. o Exemple : Les alliages de la série 7000 d'aluminium, utilisés en aéronautique, où des précipités de MgZn2 bloquent les dislocations. 3. Blocage par Interaction de Dislocations o Principe : Les dislocations peuvent s'interagir entre elles, créant des empilements qui limitent leur mouvement ultérieur. o Mécanismes : ▪ Forêts de Dislocations : Des dislocations croissantes créent un réseau dense qui bloque le mouvement des dislocations ultérieures. ▪ Formation de jonctions : Lorsque deux dislocations de différents types se rencontrent, elles peuvent former une jonction stable difficile à dissocier. o Exemple : Durcissement par écrouissage, où la déformation plastique à froid augmente la densité de dislocations, augmentant la résistance du matériau. 4. Blocage par Particules Dispersées o Principe : Des particules non solubles et thermiquement stables (comme des oxydes ou des carbures) sont dispersées dans la matrice métallique pour bloquer les dislocations. o Mécanisme : Les dislocations doivent contourner ou franchir ces particules, ce qui augmente la résistance mécanique. o Exemple : Les aciers ODS (Oxide Dispersion Strengthened), utilisés à haute température, où des oxydes ultrafins bloquent les dislocations. 5. Blocage par Limites de Grains o Principe : Les dislocations ont du mal à traverser les limites de grains en raison des orientations cristallographiques différentes de chaque grain. o Mécanisme : Les dislocations s'accumulent aux limites de grains, ce qui augmente la contrainte nécessaire pour leur mouvement ultérieur. o Effet du Raffinage des Grains : Une taille de grain plus petite augmente la densité des limites de grains, améliorant la résistance du métal (Relation de Hall-Petch). o Exemple : Les aciers à grains fins ou les alliages d'aluminium avec un raffinement des grains pour améliorer la résistance. 5.1.4. Implications Pratiques du Blocage des Dislocations 1. Choix des Mécanismes de Durcissement o Les mécanismes de blocage des dislocations sont souvent combinés pour optimiser la résistance d'un métal. o Exemple : Les aciers inoxydables peuvent être durcis par solide solution, précipitation, et écrouissage pour maximiser la résistance et la dureté. 2. Effet sur les Propriétés Mécaniques o Ductilité : Un blocage efficace des dislocations augmente la résistance, mais peut réduire la ductilité. o Résistance à la Rupture : Le durcissement améliore la résistance à la rupture, essentielle pour les applications structurelles. 3. Applications Industrielles o Aéronautique : Les alliages durcis par précipitation sont utilisés pour les structures aéronautiques en raison de leur légèreté et de leur haute résistance. o Construction : Les aciers renforcés par des dislocations et des précipités sont utilisés pour les bâtiments et les ponts en raison de leur robustesse et de leur durabilité. Page 18 sur 33  Distorsion du Réseau Cristallin : Les atomes d'alliage, en se substituant aux atomes d'aluminium ou en occupant les sites interstitiels, provoquent des distorsions du réseau cristallin, ce qui empêche le mouvement des dislocations. Effet sur la Résistance : Cette entrave au mouvement des dislocations augmente la résistance mécanique du matériau. 5.1.5. Facteurs Influant sur le Durcissement Concentration d'Éléments d'Alliage : Plus la concentration d'éléments d'alliage est élevée, plus le durcissement par solution solide sera efficace. Taille des Atomes d'Alliage : Les atomes plus grands ou plus petits que ceux de l'aluminium créent des distorsions plus importantes et donc un durcissement plus marqué. Le blocage des dislocations est un aspect fondamental de la science des matériaux, essentiel pour comprendre et améliorer les propriétés mécaniques des métaux. Les divers mécanismes de blocage des dislocations, qu'ils soient dus à des particules, des précipités, des interactions entre dislocations ou des limites de grains, permettent aux ingénieurs de concevoir des métaux avec des performances optimisées pour des applications spécifiques. Une compréhension approfondie de ces mécanismes est cruciale pour l'innovation et le développement de nouveaux matériaux à haute performance. 5.2. Durcissement par Précipitation (Durcissement Structural) Le durcissement par précipitation, également appelé vieillissement structural, est l'un des mécanismes de durcissement les plus efficaces pour les alliages d'aluminium. Il repose sur la formation de particules fines et dispersées d'un second composé à l'intérieur de la matrice métallique. 5.2.1. Principe du Durcissement par Précipitation Solution Solide Supersaturée : L'alliage est d'abord chauffé à une température élevée pour dissoudre les éléments d'alliage, puis refroidi rapidement pour former une solution solide supersaturée. Précipitation : Le matériau est ensuite vieilli à une température plus basse, ce qui provoque la formation de précipités nanométriques dans la matrice. Effet sur les Dislocations : Ces précipités gênent le mouvement des dislocations, augmentant ainsi la résistance du matériau. 5.2.2. Stades du Durcissement par Précipitation Trempe : L'alliage est chauffé à une température suffisamment élevée pour dissoudre tous les éléments d'alliage, puis refroidi rapidement pour éviter la formation de précipités. Vieillissement Naturel : Certains alliages peuvent durcir à température ambiante par précipitation naturelle. Vieillissement Artificiel : Pour un durcissement maximal, l'alliage est vieilli à une température spécifique pendant un temps déterminé, favorisant la formation de précipités fins et homogènes. Page 19 sur 33 5.3. Durcissement par Travail à Froid Le durcissement par travail à froid, ou écrouissage, se produit lorsqu'un alliage d'aluminium est déformé plastiquement à température ambiante. Ce procédé augmente la densité des dislocations dans le matériau, ce qui augmente sa résistance mécanique. Page 20 sur 33 5.3.1. Principe du Durcissement par Travail à Froid Déformation Plastique : Lors de la déformation à froid (par laminage, étirage, ou forgeage), les dislocations se multiplient et s'interagissent, rendant le mouvement des dislocations plus difficile. Effet sur la Dureté : La multiplication des dislocations augmente la dureté et la résistance du matériau, mais au prix d'une ductilité réduite. 5.3.2. Applications et Limites Applications : Le travail à froid est couramment utilisé pour renforcer les alliages des séries 1000, 3000, et 5000. Limites : L'excès de travail à froid peut rendre le matériau fragile. Un recuit peut être nécessaire pour restaurer la ductilité perdue. 5.4. Durcissement par Dispersion Le durcissement par dispersion est obtenu en ajoutant des particules non solubles (comme les oxydes ou les carbures) dans la matrice d'aluminium. Ces particules bloquent les dislocations, augmentant ainsi la résistance du matériau. 5.4.1. Principe du Durcissement par Dispersion Particules de Renfort : Les particules dispersées dans la matrice créent des obstacles au mouvement des dislocations, augmentant la résistance du matériau. Effet sur les Propriétés : Ce type de durcissement est particulièrement efficace à haute température, où les autres formes de durcissement pourraient s'atténuer. 5.4.2. Exemples de Particules Utilisées Oxydes : L'oxyde d'aluminium (Al₂O₃) et l'oxyde de titane (TiO₂) sont couramment utilisés. Carbures : Le carbure de silicium (SiC) et le carbure de titane (TiC) sont également utilisés pour renforcer les alliages d'aluminium. 5.5. Applications Industrielles Les alliages d'aluminium durcis sont utilisés dans diverses applications industrielles où des propriétés mécaniques élevées sont essentielles. 5.5.1. Aéronautique Alliages Utilisés : Les séries 2000 et 7000 sont particulièrement prisées pour les structures d'avions, en raison de leur excellent rapport résistance/poids. Exigences : La haute résistance est cruciale pour supporter les charges et les contraintes en vol, tandis que la légèreté réduit la consommation de carburant. 5.5.2. Automobile Alliages Utilisés : Les alliages de la série 6000 sont couramment utilisés pour les châssis et les composants de carrosserie. Exigences : Les véhicules exigent des matériaux qui offrent à la fois résistance à l'impact et durabilité, tout en étant légers pour améliorer l'efficacité énergétique. Page 21 sur 33 5.5.3. Marine Alliages Utilisés : Les alliages de la série 5000 sont privilégiés pour leur résistance à la corrosion en environnement marin. Exigences : La durabilité et la résistance à la corrosion sont essentielles pour les structures marines exposées à des conditions rigoureuses. 5.6. Conséquences du Durcissement sur la Fabrication Le durcissement des alliages d'aluminium influence grandement les processus de fabrication. 5.6.1. Usinabilité Effets : Le durcissement peut rendre l'usinage plus difficile en augmentant la dureté et la résistance du matériau, nécessitant des outils plus résistants et des stratégies d'usinage spécifiques. 5.6.2. Soudabilité Effets : Certains alliages durcis, notamment ceux des séries 2000 et 7000, présentent des difficultés de soudage dues à la formation de fissures et à la perte de résistance dans la zone affectée par la chaleur. 5.6.3. Mise en Forme Effets : Le travail à froid peut réduire la formabilité du matériau, nécessitant des recuits intermédiaires pour permettre une mise en forme supplémentaire. 5.7. Optimisation du Durcissement pour les Applications Spécifiques La sélection des méthodes de durcissement doit être optimisée en fonction des exigences spécifiques de l'application. 5.7.1. Durcissement Maximisé Approche : Pour des applications nécessitant la résistance maximale, comme en aéronautique, le durcissement par précipitation avec vieillissement artificiel est privilégié. 5.7.2. Équilibre Résistance/Ductilité Approche : Dans les applications où un équilibre entre résistance et ductilité est nécessaire, une combinaison de travail à froid et de traitement thermique est utilisée. Conclusion Le durcissement des alliages d'aluminium est un domaine complexe qui englobe plusieurs mécanismes et techniques pour améliorer les propriétés mécaniques du matériau. Le choix de la méthode de durcissement dépend de l'application finale, et une compréhension approfondie des principes sous- jacents est essentielle pour optimiser la performance des alliages d'aluminium dans diverses industries. Que ce soit par solution solide, précipitation, travail à froid ou dispersion, chaque technique offre des avantages spécifiques qui peuvent être exploités pour répondre aux exigences industrielles les plus rigoureuses. Page 22 sur 33  II – METALLURGIE DU MAGNESIUM Introduction La métallurgie du magnésium est un domaine essentiel dans l'industrie des matériaux, en raison des propriétés uniques de ce métal, telles que sa légèreté et sa bonne résistance mécanique. Le magnésium (Mg) est le huitième élément le plus abondant dans la croûte terrestre et le troisième le plus commun dans l'eau de mer, ce qui en fait une ressource relativement accessible pour l'industrie. Ce cours couvre les aspects principaux de la métallurgie du magnésium, de son extraction à ses applications industrielles. Chapitre 1 : Propriétés physiques et chimiques du magnésium Le magnésium est un métal léger, avec une densité par rapport à l’eau de 1,74, soit environ 33 % plus léger que l'aluminium. Il présente une excellente conductivité thermique et une bonne conductivité électrique, bien qu'inférieure à celle du cuivre ou de l'aluminium. Ses principales propriétés incluent : Légèreté : Le magnésium est le métal structurel le plus léger. Résistance spécifique : Le rapport résistance/poids du magnésium est supérieur à celui de nombreux autres métaux. Conductivité thermique : Bonne conductivité thermique, ce qui le rend utile pour les applications nécessitant la dissipation de chaleur. Réactivité chimique : Le magnésium réagit facilement avec l'oxygène et l'eau, formant une couche d'oxyde de magnésium qui protège le métal de la corrosion dans certaines conditions. Page 23 sur 33 Page 24 sur 33  Chapitre 2 : Obtention du Magnésium 2.1. Sources Les sources principales de magnésium sont les minerais tels que la magnésite (MgCO₃), la dolomite (CaMg(CO₃)₂), ainsi que l'eau de mer et les saumures naturelles. Les méthodes d'extraction varient en fonction de la source : Magnésite : La magnésite est calcinée pour produire de l'oxyde de magnésium, qui peut ensuite être réduit pour obtenir du magnésium métallique. Dolomite : La dolomite est également calcinée pour produire un mélange d'oxydes de magnésium et de calcium, qui est ensuite traité thermiquement pour extraire le magnésium. Eau de mer : Le magnésium est extrait de l'eau de mer par précipitation du Mg(OH)₂, puis transformé en chlorure de magnésium, lequel est électrolysé pour obtenir du magnésium métallique. 2.2. Extraction du magnésium Il existe principalement deux procédés industriels pour l'extraction du magnésium : Procédé électrolytique : Le chlorure de magnésium est fondu, puis soumis à une électrolyse. Ce procédé est principalement utilisé pour extraire le magnésium de l'eau de mer. Le magnésium est récupéré sous forme métallique à la cathode, tandis que le chlore est dégagé à l'anode. Procédé thermique (Procédé Pidgeon) : Utilisé principalement pour les minerais comme la dolomite. L'oxyde de magnésium est réduit par le silicium à haute température pour produire du magnésium sous forme gazeuse, qui est ensuite condensé en magnésium métallique. Ces procédés ont chacun leurs avantages et inconvénients en termes de coût, d'efficacité énergétique et d'impact environnemental. 2.3. Raffinage et production industrielle Le magnésium brut extrait doit souvent être raffiné pour obtenir un métal de haute pureté. Les techniques courantes incluent : Distillation sous vide : Le magnésium est chauffé sous vide pour éliminer les impuretés volatiles. Raffinage électrolytique : Amélioration de la pureté du magnésium par électrolyse dans une solution d’électrolyte appropriée. Ensuite, le magnésium est transformé en divers produits par des procédés de mise en forme tels que : Coulée : Le magnésium fondu est versé dans des moules pour produire des pièces de formes variées. Forgeage : Utilisation de forces mécaniques pour façonner le magnésium en produits finis. Extrusion : Poussée du magnésium à travers une filière pour créer des profils longs et réguliers. Page 25 sur 33  Chapitre 3 : Alliages de magnésium Le magnésium est souvent allié à d'autres éléments pour améliorer ses propriétés mécaniques et sa résistance à la corrosion. Les principaux éléments d'alliage comprennent l'aluminium, le zinc, le manganèse, et le zirconium. Les propriétés des alliages de magnésium varient en fonction de leur composition, mais ils partagent généralement les caractéristiques suivantes : Légèreté accrue : Les alliages de magnésium sont parmi les plus légers des alliages métalliques utilisés industriellement. Résistance à la traction : L'ajout d'aluminium et de zinc augmente la résistance à la traction. Résistance à la corrosion : Bien que le magnésium pur soit sensible à la corrosion, certains alliages, particulièrement ceux contenant de l'aluminium, offrent une meilleure résistance en milieu corrosif. Page 26 sur 33  Chapitre 4 : Traitements thermiques et traitements de surface Les alliages de magnésium peuvent être soumis à divers traitements thermiques pour améliorer leurs propriétés mécaniques, à l’identique des alliages d’aluminium : Trempe : Refroidissement rapide pour augmenter la dureté. Recuit : Chauffage suivi d’un refroidissement lent pour adoucir le matériau et améliorer sa ductilité. Vieillissement : Chauffage à une température modérée pour précipiter des particules durcissantes. En plus des traitements thermiques, des traitements de surface sont souvent appliqués pour protéger les alliages de magnésium contre la corrosion : Anodisation : Création d'une couche d'oxyde protectrice par électrolyse. Revêtements polymères ou métalliques : Application de revêtements pour améliorer la résistance à la corrosion et l'adhérence de la peinture. Page 27 sur 33  Chapitre 5 : Applications industrielles du magnésium Le magnésium et ses alliages sont utilisés dans diverses industries en raison de leur combinaison unique de légèreté, de résistance et de capacité à dissiper la chaleur. Les principales applications comprennent : Industrie automobile : Utilisation dans les pièces de moteurs, les boîtiers de transmission et les roues pour réduire le poids des véhicules, améliorant ainsi l'efficacité énergétique. Aéronautique et aérospatial : Utilisation dans les composants structurels des avions et des engins spatiaux où la réduction de poids est cruciale. Page 28 sur 33  Électronique : Emploi dans les boîtiers d'appareils électroniques comme les ordinateurs portables et les téléphones portables en raison de sa légèreté et de ses propriétés de dissipation thermique. Biomédical : Utilisation dans les implants biodégradables grâce à sa biocompatibilité et à sa capacité à se résorber dans le corps humain. Page 29 sur 33  Chapitre 6 : Défis et perspectives Bien que le magnésium offre de nombreux avantages, il présente également des défis : Réactivité chimique élevée : Le magnésium est inflammable et réagit facilement avec l'humidité, ce qui pose des défis lors du stockage et de la manipulation. Coût de production : Le coût de production du magnésium est plus élevé que celui de l'aluminium, limitant ainsi son adoption. Recyclage : Bien que le magnésium soit recyclable, les défis techniques et économiques liés à son recyclage doivent encore être surmontés. Les perspectives incluent le développement de nouveaux alliages avec une meilleure résistance à la corrosion, une amélioration des techniques de recyclage, et une expansion des applications dans les technologies durables, telles que les batteries et les énergies renouvelables. Conclusion La métallurgie du magnésium est un domaine dynamique relativement récent qui continue de se développer avec les avancées technologiques. Ses propriétés uniques en font un matériau de choix pour des applications où la légèreté et la résistance sont essentielles. Cependant, des efforts continus sont nécessaires pour surmonter les défis liés à son extraction, son traitement, et son utilisation dans des environnements divers. Avec les innovations actuelles et futures, le magnésium pourrait jouer un rôle encore plus important dans les industries de pointe telles que l’aéronautique et l’automobile. Page 30 sur 33  ANNEXE MECANISME D’OROWAN Le mécanisme d'Orowan est un concept clé dans le durcissement des métaux, en particulier dans le contexte du blocage des dislocations par des particules ou des précipités dispersés dans la matrice métallique. Ce mécanisme explique comment les dislocations interagissent avec des obstacles (tels que des précipités incohérents) qu'elles ne peuvent pas cisailler et doivent contourner. 1 - Principe du Mécanisme d'Orowan 1. Interaction des dislocations avec les Précipités o Lorsque les dislocations se déplacent dans la matrice métallique, elles rencontrent des précipités qui sont plus grands, incohérents, ou fortement liés à la matrice, et qu'elles ne peuvent pas cisailler directement. o Ces précipités agissent comme des barrières physiques au mouvement des dislocations. 2. Contournement des Précipités o Plutôt que de cisailler les précipités, les dislocations doivent les contourner. Ce contournement nécessite une énergie supplémentaire et augmente la résistance du matériau. o Pendant ce processus, la dislocation commence à se courber autour du précipité, formant un arc ou une boucle. 3. Formation de Boucles de dislocation (a) o Lorsque la dislocation a complètement contourné le précipité, elle se reconnecte à elle- même de l'autre côté du précipité, formant une boucle de dislocation autour de celui-ci. o Cette boucle reste autour du précipité, tandis que la dislocation continue son mouvement. 4. Conséquence : Durcissement du Matériau o Le processus de contournement des précipités par les dislocations, selon le mécanisme d'Orowan, augmente la contrainte nécessaire pour déplacer les dislocations à travers le matériau. o Plus la distance entre les précipités est petite, plus le métal sera durci, car les dislocations devront contourner un plus grand nombre de précipités. Page 31 sur 33 2 - Formulation Mathématique L'effet des particules en tant qu'obstacle au mouvement des dislocations est à l'origine du durcissement par dispersion. Le mécanisme d'Orowan ne se produit pas pour des particules incluses de manière cohérente dans la matrice (c'est-à-dire qu'elles prennent la place d'autres atomes sans perturber la matrice). Les dislocations gênées par les particules s'enroulent alors autour de celles-ci pour se recombiner de l'autre côté et continuer à avancer en laissant une boucle de dislocation autour de la particule. Si une nouvelle dislocation se présente devant les particules, elle "verra" la particule + la boucle de dislocation comme un obstacle à part entière. Le rayon de l'obstacle est alors plus important que la particule seule. C'est ce qui conduit à la scission (ou au contournement) de cette dernière, lorsque suffisamment de dislocations se sont accumulées. La dislocation, en s'allongeant, produit un demi-cercle entre les particules, dont le rayon R est le suivant (avec r le rayon des particules et l la distance séparant le centre de chaque particule)  La contrainte critique crit nécessaire pour que la dislocation passe les particules s'exprime alors par : où : G est le module de cisaillement du matériau. b est le vecteur de Burgers de la dislocation (qui représente la magnitude de la distorsion due à la dislocation). l est la distance moyenne entre les centres des précipités. Cette formule montre que plus la distance entre les précipités (l-2r) est petite, plus la contrainte nécessaire pour le mouvement des dislocations est élevée, ce qui augmente la résistance du matériau. 3 - Exemple et Applications 1. Alliages Durcis par Précipitation o Dans les alliages d'aluminium de la série 7000 (par exemple, Al-Zn-Mg-Cu), les précipités de MgZn2 sont dispersés dans la matrice et les dislocations doivent contourner ces précipités selon le mécanisme d'Orowan, ce qui renforce l'alliage. o Les aciers à haute résistance et les superalliages à base de nickel utilisent également le mécanisme d'Orowan pour améliorer la résistance à haute température. 2. Effet de la Taille et de la Distribution des Précipités o Le mécanisme d'Orowan est particulièrement efficace lorsque les précipités sont suffisamment grands pour ne pas être cisaillés, mais suffisamment petits et nombreux pour contraindre le mouvement des dislocations. o Le contrôle de la taille et de la distribution des précipités à travers le traitement thermique est crucial pour optimiser le durcissement d'un alliage. Page 32 sur 33 4 - Conclusion Le mécanisme d'Orowan est un concept fondamental pour comprendre le durcissement des métaux par précipitation. En forçant les dislocations à contourner les précipités, ce mécanisme augmente la résistance du matériau, ce qui est essentiel pour de nombreuses applications industrielles. Le contrôle précis de ce mécanisme permet de concevoir des matériaux aux propriétés mécaniques sur mesure, répondant aux exigences strictes de performance, en particulier dans les secteurs où la résistance et la durabilité sont critiques. Page 33 sur 33