Mécanique Et Résistance Des Matériaux PDF

Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux
Rappel
Chapitre 1-Structure de la matière
Chapitre 2-Propriétés mécaniques
Chapitre 3-Elaboration des métaux
Chapitre 4-diagrammes et équilibre des phases
Chapitre 5-Alliage Fer carbone
Chapitre...

Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux
Rappel
Chapitre 1-Structure de la matière
Chapitre 2-Propriétés mécaniques
Chapitre 3-Elaboration des métaux
Chapitre 4-diagrammes et équilibre des phases
Chapitre 5-Alliage Fer carbone
Chapitre 6-Traitement des matériaux
Chapitre 7-Désignation normalisée des aciers
Chapitre 8-Corrosion des métaux
Chapitre 9-Aciers à outils & Aciers inoxydables
Références :
Aide-mémoire science des matériaux – Michel Dupeux – DUNOD
Guide de mécanique sciences et technologies industrielles – Jean-Louis - FANCHON 1 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Historique
Le fer est l'un des métaux les plus abondants de la croûte terrestre.
On le trouve un peu partout, combiné à de nombreux autres éléments, sous forme de minerai.
En Europe, la fabrication du fer remonte à 1 700 avant J.C. Depuis les Hittites jusqu'à la fin du Moyen Age, l'élaboration du fer resta la même : on chauffait ensemble des couches alternées de minerai et de bois (ou de charbon de bois) jusqu'à obtenir une masse de métal pâteuse qu'il fallait ensuite marteler à chaud pour la débarrasser de ses impuretés - et obtenir ainsi du fer brut, prêt à être forgé. 2 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Historique
La forge était installée à quelques pas du foyer où s'élaborait le métal.
D'abord simple trou conique dans le sol, le foyer se transforma en un four, le "bas-fourneau", perfectionné petit à petit : De l'ordre de quelques kilos à l'origine, les quantités obtenues pouvaient atteindre 50 à 60 kilos au Moyen Age.
On fabriqua aussi dès le début, de petites quantités d'acier, à savoir du fer enrichi en carbone. Un matériau qui se révéla à la fois plus dur et plus résistant. 3 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Historique
Au XVème siècle, la génération des premiers "hauts fourneaux" de 4 à 6 mètres de haut propagea une découverte fortuite mais majeure : un métal ferreux à l'état liquide, la fonte, qui se prêtait à la fabrication de toutes sortes d'objets (marmites, boulets de canons, chenets, tuyau).
La fonte permettait également de produire du fer en abondance, grâce à l'affinage : le lingot de fonte était chauffé et soumis à de l'air soufflé, ce qui provoquait la combustion du carbone contenu dans la fonte et un écoulement du fer goutte à goutte, formant une masse pâteuse de fer brut.
..Et enfin l'acier 4 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Historique
En 1786, Berthollet, Monge et Vandermonde, trois savants français, établirent la définition exacte du trio Fer-Fonte-Acier et le rôle du carbone dans l'élaboration et les caractéristiques de ces trois matériaux.
Toutefois, il fallut attendre les grandes inventions du XIXème siècle (les fours Bessemer, Thomas et Martin) pour que l'acier, jusqu'alors fabriqué en faible quantité à partir du fer, connaisse un développement spectaculaire et s'impose rapidement comme le métal-roi de la révolution industrielle. 5 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Historique
Au début du XXème siècle, la production mondiale d'acier atteignit 28 millions de tonnes, soit six fois plus qu'en 1880. Et à la veille de la première guerre mondiale, elle grimpa à 85 millions de tonnes.
En quelques décennies, l'acier permit d'équiper puissamment l'industrie et supplanta le fer dans la plupart de ses applications. 6 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Historique
La teneur en carbone est de moins de 0,10% dans le fer, de 0,10 à 2% dans l'acier et de 2,5 à 6% dans la fonte.
Aujourd'hui, on ne parle plus de fer mais d'aciers "à très bas carbone".
L'acier, c'est du fer additionné de carbone, depuis un taux proche de 0%, correspondant à des traces infimes, jusqu'à 2%.
Le dosage en carbone influe sur les caractéristiques du métal. 7 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Historique
On distingue 2 grandes familles d'acier : les aciers alliés et les aciers nonalliés. Il y a alliage lorsque les éléments chimiques autres que le carbone sont additionnés au fer selon un dosage minimal variable pour chacun d'eux.
Par exemple : 0,50% pour le silicium, 0,08% pour le molybdène, 10,5% pour le chrome. Ainsi un alliage à 17% de chrome + 8% de Nickel est un acier inoxydable.
C'est pourquoi il n'y a pas un acier mais des aciers. 8 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Historique
On dénombre aujourd'hui près de 3 000 nuances (compositions chimiques) répertoriées, sans compter toutes celles créées sur mesure, le tout contribuant à faire de l'acier le matériau le mieux placé pour relever les défis du futur. 9 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Place des aciers dans le contexte des matériaux
Dans cette course objective, technique et non technique, les aciers occupent une place privilégiée dans la production et la consommation mondiale de matériau.
On cite comme exemple la consommation en masse de différents matériaux par un pays développée.
Ciment: 40% - Aciers: 36% - Papier et carton: 11,5% - Plastiques: 4,4% Céramiques: 3% - Verre: 2% - Aluminium: 1,5% - Caoutchouc: 0,75% -Cuivre: 0,5% - Zinc: 0,25 - Plomb: 0,1 %. 10 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Place des aciers dans le contexte des matériaux
D'ailleurs, il n'est pas un hasard que le degré de développement d'un pays peut se mesurer entre autres par la quantité d'acier consommée par tête d'habitant.
La figure illustre ce cas pour différents pays entre 1987 et 1992. 11 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Place des aciers dans le contexte des matériaux
L'emploi des aciers ne s’arrête pas uniquement pour leurs hautes performances structurelles qui restent toujours leur domaine d'excellence. On cite l'exemple des organes machines. Mais par leur développement ils ont pu conquérir facilement des applications pour leurs performances fonctionnelles.
Les aciers inoxydables, les aciers à hautes limites élastique (HLE) en sont quelques exemples pour ce cas.
Dans les deux positions les critères techniques de choix des aciers sont soutenus surtout par le bas prix de revient, leur facilité de récupération et leur recyclage. 12 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Présentations générale des aciers
L’industrie sidérurgie a été incontestablement la base de développement du monde actuel.
La recherche scientifique et technologique dans ce domaine a permis de développer les matériaux et leurs procédés d’élaborations et de mise en forme.
Les aciers représentent une part prépondérante parmi les matériaux développés. 13 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Présentations générale des aciers
La consommation mondiale de ces matériaux en est le témoin. En effet, la production mondiale de ces matériaux en 1860 était de 1,5 Mt (million de tonnes), elle passait en 1970 à 750 MT. 14 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Présentations générale des aciers
Les aciers restent privilégiés dans la plupart des applications industrielles, malgré la concurrence des autres matériaux.
Cet atout est lié à plusieurs critères objectifs qui ne sont pas d'ailleurs les moindres.
Matière première
Méthodes de production
Techniques de transformation
Propriétés
… 15 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Présentations générale des aciers
La matière première : les minerais de fer sont abondamment répandus dans toute la planète.
L'énergie nécessaire pour la production d'aciers est inférieure comparée à celle des autres matériaux.
Méthodes de production : la production des aciers se réalise par plusieurs procédés. Leur industrialisation est devenue accessible et maîtrisée convenablement. Elle est automatisée entièrement ce qui permet l'optimisation de la production.
La production des aciers compte environ 30% de matière de récupération ce qui rend cette opération facile et rentable. C'est un avantage économique et écologique.
Les techniques de transformation des aciers sont beaucoup plus maîtrisées que celles des autres matériaux.
Les propriétés des aciers répondent à de larges gammes d'application en comparaison avec celles des autres matériaux.
Les nuances disponibles normalisées ou non normalisées sont nombreuses et variées. 16 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Présentations générale des aciers
Les aciers, matériaux métalliques par excellence avec leurs ressources connues et leurs multiples possibilités, sont-ils les plus classiques ou les plus nouveaux des grands matériaux de notre époque?
Le développement du secteur des aciers lors de ces dernières décennies montre qu'ils demeurent toujours jeunes avec des perspectives d'applications constantes. Ils restent encore étroitement liés à l'homme pour son besoin quotidien. 17 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Présentations générale des aciers
Les aciers comptent aujourd'hui par milliers et la liste n'est pas close. La diversité des industries sans cesse en évolution exigent des matériaux véritablement performants.
Ils sont définis comme alliages de fer. Ils comportent essentiellement du carbone en teneur inférieure à 2.11% en masse et aussi des éléments d'addition métalliques (Ni, Cr, Mo, V, W,. ) ou / et non métalliques (N, 0.. C...). 18 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Présentations générale des aciers
Ces aciers, grâce à trois opérations considérées essentielles qu'on applique soit séparément soit combinées, à savoir :
la composition chimique;
les traitements thermiques;
les procédés spéciaux (revêtement de surface, grenaillage,...) doivent conférer à ces matériaux des caractéristiques spécifiques que l'on désire obtenir; il s'agit entre autres:
des propriétés mécaniques (résistance, limite élastique, ductilité...) ;
de la résistance à la corrosion. 19 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Présentations générale des aciers : Composition chimique des aciers
La composition chimique des aciers caractérise la qualité des éléments présents et la quantité respective à chacun d'eux.
Cette donnée est essentielle pour toute utilisation de matière. Elle nous permet de tirer un certain nombre d'informations. Il s'agit à titre indicatif:
du comportement à l'équilibre de l'alliage au cours du chauffage et du refroidissement à partir de son diagramme d'équilibre.
des données sur les caractéristiques de l'acier en se référant aux normes nationales ou internationales
des données spécifiques sur le comportement de l'acier suite aux traitements thermiques à partir des courbes (TTT, TRC, Jominy, de revenu...). 20 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Présentations générale des aciers : Traitements thermiques des aciers
Les traitements thermiques des aciers sont considérés comme des opérations déterminantes pour son application.
Ils consistent à lui faire subir un certain cycle température/temps dans un environnement défini.
La structure cristalline et les propriétés qui en résultent sont liées à la définition des conditions du traitement. 21 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Présentations générale des aciers : Procédés spéciaux
Les procédés spéciaux regroupent les opérations de parachèvement d'une pièce déjà traitée.
Il peut s'agir de revêtement de surface pour la protéger contre la dégradation (rayure, corrosion, fatigue,...). 22 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Comment fabrique-t-on l’acier ?
Étape 1 : des matières premières à l’acier liquide
ajuster la composition chimique de l’acier
deux procédés : filière «fonte» et filière «ferrailles»
Étape 2 : de l’acier liquide aux demi-produits
solidification de l’acier et ébauches de formes
deux procédés : coulée continue principalement, mais aussi coulée en lingots
Étape 3 : des demi-produits aux produits finis
mise en forme et mise à dimensions par laminage, finitions diverses avant la livraison
deux familles de produits :
les produits plats : tôles fortes, tôles minces laminées à chaud, tôles laminées à froid
l les produits longs : barres, fils machine, ronds à tubes, profilés moyens et lourds, rails.
Tous les aciers ne sont pas mis en forme par laminage. Ils peuvent également être moulés, forgés, compactés à partir de poudre… 23 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Fabrication de l’acier : des matières premières à l’acier liquide Cette première étape vise à combiner, selon des dosages précis, les composants chimiques de l’acier : fer et carbone (composants de base) et éventuels additifs qui vont différencier les qualités de l’acier en fonction de son utilisation future.
Deux procédées
Filière fonte et aciérie à l’oxygène
Filière ferrailles et four électrique 24 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Fabrication de l’acier : de l’acier liquide aux demi-produits A la fin de l’opération d’élaboration de l’acier (acier «à l’oxygène» ou acier «électrique»), celui-ci est recueilli à l’état liquide dans une poche métallique garnie de réfractaires et transporté ainsi jusqu’au lieu de coulée.
Deux procédées
l’un en régression, mais qui reste irremplaçable pour certaines applications : la coulée en lingots,
l’autre prédominant : la coulée continue. 25 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Fabrication de l’acier : des demi-produits aux produits finis Cette transformation consiste principalement à laminer les demi-produits, c’est-à-dire à étirer et écraser le métal pour lui donner les dimensions et formes souhaitées..
Deux grandes familles
Les produits plats : les plaques, les tôles à chaud, les produits plats laminés à froid
Les produits logs : rails, poutrelles, palplanches, fils machine, ronds à béton, laminés marchands 26 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Fabrication de l’acier 27 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Qualités des aciers
Le choix d'une nuance d'acier est fait selon l'application industrielle dans laquelle elle va évoluer. Elle doit s'adapter à deux impératifs essentiels, à savoir les exigences de service et les exigences de transformation.
Pour l'impératif de service, la nuance d'acier doit répondre sans faille aux sollicitations multiples et variées auxquelles elle sera soumise en service. 28 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Qualités des aciers
Ces exigences de service de la pièce doivent faire l'objet d'une identification minutieuse par :
la préparation d'un cahier de charges du client;
le dimensionnement de la pièce tenant compte des caractéristiques métallurgiques suite aux traitements thermiques;
l'identification du mode de sollicitations appliquées statiques ou dynamiques, ainsi que l'ordre de grandeur de ces sollicitations. On cite parmi ces sollicitations:
traction, compression, flexion, torsion;
chocs continus ou accidentels, abrasion;
fatigue, fatigue thermique, corrosion, effet de température. 29 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Qualités des aciers
Pour l'impératif de transformation, la pièce de conception, de forme et de dimensions données, est mise en forme par l'intervention de procédés.
Procédés de transformation par enlèvement de matière: usinage.
On compte des aciers à usinabilité améliorée qui présentent une faible teneur de plomb ou de soufre.
Procédés de transformation sans enlèvement de matière: le formage.
Il se réalise soit à chaud, soit à froid. Les aciers transformés par ces procédés doivent présenter des garanties contre tout type de défauts macroscopiques (soufflures, écrouissage,...).
Procédés d'assemblage: soudage.
Il est pratiqué sur des aciers soudables.
Traitements thermiques: ils sont appliqués entre les étapes de fabrication ou à la fin.
Les aciers sont choisis en fonction des propriétés qu'ils ont à la suite de traitements thermiques. Il est tenu compte notamment des variations dimensionnelles et de l'état de surface qui en découlent. 30 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Qualités des aciers
Ces deux impératifs doivent concorder pour assurer la détermination de la nuance d'acier convenable de résister efficacement à l'application.
Il faut signaler en outre que les applications sont regroupées en familles qui correspondent également au même regroupement des aciers.
Aciers pour constructions métallique et mécanique; ces aciers sont caractérisés essentiellement par:
les meilleures propriétés mécaniques: résistance à la rupture et la limite élastique, allongement pourcent, résilience etc... ;
la possibilité aisée de mise en œuvre à froid et à chaud avec et sans enlèvement de matière;
la facilité de soudage;
la résistance à la corrosion atmosphérique.
Aciers inoxydables; ces nuances sont connues pour:
leur parfaite résistance à la corrosion dans des milieux agressifs;
leurs bonnes caractéristiques mécaniques;
la facilité de leur mise en œuvre.
Aciers à outils; ils doivent acquérir:
une parfaite résistance à chaud et à froid pour pouvoir mettre en forme les autres matériaux ;
de bonnes possibilités de mise en œuvre pour être façonnés. 31 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Mise en forme de l’acier
A part le moulage, cas particulier de la coulée, la mise en forme de l’acier à l’état solide se fait par laminage.
Le laminage consiste en une série d’opérations transformant les brames ou les blooms obtenus par coulée continue en divers produits, de formes et de dimensions déterminées.
Un laminoir est composé de plusieurs cages comprenant des cylindres entre lesquels passe le métal qui y subit un écrasement progressif. Les cylindres tournent en sens inverses et sont groupés par paires. Ils sont lisse pour l’obtention de produits plats, et cannelés pour les autres formes. Les vitesses de sortie peuvent atteindre 90 km.h-1 pour les tôles et 360 km.h-1 pour les fils. Le laminage se fait à chaud ou bien à froid. 32 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Mise en forme de l’acier : Laminage à chaud
L’objectif primaire de laminage à chaud est de réduire progressivement la section initiale de la pièce.
Les brames ou les blooms sont réchauffés dans un four de réchauffage. Le laminage est effectué à l’état austénitique particulièrement malléable. Le dégrossissage a lieu entre 1100°C et 1200°C et la finition peut se faire à des températures descendant jusqu’à 800°C.
les tôles minces et les fils sont enroulés en bobines ; Les tôles fortes, les larges plats et les profilés sont débités à longueur.
La moitié environ des produits laminés sont commercialisés à l’état laminé à chaud. 33 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Mise en forme de l’acier : Laminage à froid
Les produits minces sont obtenus par laminage à froid des produits laminés à chaud.
Le laminage à froid augmente la dureté et la limite d’élasticité, améliore l’état de surface, mais réduit la formabilité. 34 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Réalisation d’une pièce finie de machine : Forme et dimensions
Études mécaniques et calculs de résistance des matériaux
Conception de la pièce et dessin
Choix des matériaux à partir des propriétés fixées par les calculs et les contraintes d'application 35 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Réalisation d’une pièce finie de machine : Procédés de fabrication de la pièce
A partir d'un matériau liquide
Fonderie: en sable; en coquille; injection; centrifugation ;...
A partir d'un matériau solide
Sans enlèvement de matière, par déformation à chaud et à froid
forgeage; laminage; emboutissage; matriçage; tréfilage ; filage; extrusion; ...
Avec enlèvement de matière: usinage
tournage; fraisage; perçage; meulage; électroérosion ; ...
Avec addition de matière : soudage
à l'arc; brasage; autogène; ... 36 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Réalisation d’une pièce finie de machine : Traitements thermiques de la pièce
Traitements thermiques:
recuits;
trempe dans la masse;
trempe superficielle;
revenu;
cémentation;
nitruration; 37 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Réalisation d’une pièce finie de machine : Mise à la côte et traitement de finition
Usinage: rectification; polissage; ...
Traitements mécaniques: grenaillage ; ...
Traitements de protection de la surface: galvanisation; chromage ; nickelage ; peinture; ... 38 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Questions
Préciser les étapes d’élaboration des fontes
Préciser les étapes d’élaboration des aciers
Quels sont les matières premières 39 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux Question
La figure suivante, présente un résumé du cycle d’élaboration des aciers, compléter la figure par les termes suivants:
Four électrique ; Haut fourneau ; Brame ; Coke ; Filière électrique ; Convertisseur à oxygène ; Station d’affinage ; Laminoir à chaud ; Filière fente ; Coulée continue ; Cokerie ; Usine d’agglomération 40 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux L'aluminium et ses alliages : Introduction
Rappelons que, l'aluminium est le métal le plus abondant dans la croûte terrestre (8,8 %). Il figure en troisième place parmi les éléments, après l’oxygène et le silicium.
Ce n'est cependant qu'à la fin du XIXème siècle que l’Aluminium est devenu un métal industriel avec la mise au point des techniques de réduction par électrolyse.
Le marché de l'aluminium a connu, et continue à connaître, une expansion très importante qui en fait, de très loin, le métal le plus utilisé après les aciers. 41 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux L'aluminium et ses alliages : Introduction
Les qualités principales de l'aluminium sont :
Sa bonne ductilité résultant de sa structure CFC ;
Sa faible masse volumique (2,7 kg/dm3 soit près du tiers de celle de l'acier) ;
Sa bonne résistance à la corrosion et à l'oxydation atmosphérique grâce à la formation d’une couche oxyde très étanche ;
Sa faible résistivité électrique et thermique ;
Son pouvoir réflecteur élevé à l'état poli ;
Son caractère amagnétique (non magnétique)
Son absence de toxicité !!!!! 42 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux L'aluminium et ses alliages : Introduction
Le plus grand marché pour l'aluminium est le secteur du bâtiment : laminés pour le recouvrements de toitures ou de panneaux muraux, profilés extrudés pour fenêtres et portes. Le secteur du transport vient ensuite.
L'aluminium est le matériau de l'aéronautique par excellence. Depuis 30 ans, il entre pour près de 80 % dans la fabrication des cellules d'avions modernes, civils ou militaires. La structure de l'Airbus A310, par exemple, présente environ 34% sont de l'aluminium. 43 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux L'aluminium et ses alliages : Introduction
A côté de l'aviation, on trouve également les automobiles où l'aluminium est utilisé partout : roues, les pompes à eau, les radiateurs, le bloc moteur. Actuellement, chaque voiture contient, en moyenne 50 kg d'aluminium.
On peut citer ensuite les applications électriques où l'aluminium est notamment utilisé pour les câbles haute tension (avec éventuellement une âme en acier pour assurer la résistance mécanique).
Enfin, l'aluminium connait grand nombre d'applications dans l'industrie de l'emballage : canettes de boissons, papier aluminium, etc... 44 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux L'aluminium et ses alliages : La métallurgie extractive de l'aluminium
Malgré l'abondance de l'aluminium dans la croûte terrestre, il n'existe qu'un seul minerai permettant d'extraire le métal dans des conditions économiques : la bauxite qui est une alumine hydratée et impure, riche notamment en oxydes de fer.
Le processus métallurgique comporte deux étapes : l'extraction de l'alumine pure de la bauxite et la réduction de cette alumine pour obtenir l'aluminium pur. 45 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux L'aluminium et ses alliages : La métallurgie extractive de l'aluminium
L'alumine est extraite par attaque, à haute pression et à haute température, par une lessive de soude concentrée.
Pour permettre sa réduction par électrolyse, l'alumine pure est ensuite alliée à un fondant - la cryolithe Na3 AlF6 - ce qui conduit à une transformation eutectique à 935°C pour une teneur de 18,5 % d'alumine.
L'électrolyse s'effectue dans des cuves servant de cathode au dessus desquelles se trouvent des anodes en carbone. L’aluminium réduit se dépose au fond de la cuve-cathode tandis que l'oxygène produit à l’anode brûle le carbone pour former du CO et du CO2. L'ensemble du procédé s'effectue à Température voisine de 960°C. 46 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux L'aluminium et ses alliages : La métallurgie extractive de l'aluminium
Le métal est extrait de la cuve par syphonnage sous vide.
L'aluminium sortant des cuves a une teneur de l'ordre de 99,7 %.
Pour produire une tonne d’aluminium il faut 4 tonnes de bauxite (qui donnent 2 tonnes d'alumine), environ 40 kg de carbone et 13.000 à 14.500 kWh d'énergie électrique. 47 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux L'aluminium et ses alliages : L’aluminium non-allié
L’aluminium commercial le plus courant a une teneur de 99,5 % d'aluminium.
Les contenues sont principalement le silicium et le fer (qui sont les principaux éléments dans les minerais).
On trouve aussi du cuivre, du manganèse et du zinc qui résultent du circuit de récupération et de recyclage des alliages d'aluminium.
Les propriétés de cet aluminium commercial sont très faibles à l'état recuit : limite élastique= 10-20 MPa, ductilité = 50-60 %. Cet aluminium est notamment utilisé dans l'électroménager et dans l'industrie de l'emballage. 48 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux L'aluminium et ses alliages : L’aluminium non-allié
Une application très importante de l'aluminium non-allié est son emploi pour les conducteurs électriques.
L'aluminium est en effet le meilleur conducteur électrique après le cuivre l’argent, et l'or. Si on le compare au cuivre, on peut dire que, pour conduire la même quantité de courant, on a besoin d'un volume d'aluminium une fois et demi supérieur, ce qui correspond par contre à un poids la moitié moindre.
En conséquence, le cuivre est surtout utilisé pour les applications bassetension, telles que les moteurs, où le volume des conducteurs doit être maintenu aussi faible que possible (sous peine de devoir augmenter la taille de toutes les autres parties du dispositif). 49 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux L'aluminium et ses alliages : L’aluminium non-allié
On choisira par contre de préférence l’Aluminium pour les applications haute-tension, parce que son poids plus faible permet un plus grand espacement des pylônes.
Cependant, les câbles haute-tension en aluminium contiendront toujours une âme en acier car un câble en aluminium pur est trop peu résistant pour porter son propre poids.
L'aluminium est également utilisé pour les câbles téléphoniques sousmarins. 50 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux L'aluminium et ses alliages : L’aluminium non-allié
Comme le montre la figure suivante, les impuretés en solution diminuent la conductivité de l’aluminium..
Les applications électriques exigent donc un aluminium plus pur que l’aluminium commercial. 51 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 33-Elaboration des métaux L'aluminium et ses alliages : L’aluminium non-allié
De plus, il est important que les impuretés résiduelles soient sous les précipités et non pas en solution sursaturée.
Prenons par exemple le cas du fer qui a une solubilité très faible dans l'aluminium à température ambiante. 1 % de fer sous forme de Al3Fe augmente la résistance de 2 % tandis que la même teneur en solution saturée (obtenue en refroidissant l'alliage très rapidement depuis une température où la solubilité du fer est supérieure à 1 %) l'augmente de 60 %.
L'aluminium très pur est également plus déformable que l'aluminium commercial.
On l’utilise notamment pour la fabrication de tubes (dentifrices, ...). 52 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux
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Aide-mémoire science des matériaux – Michel Dupeux – DUNOD
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