Introduction à la science des matériaux/Les métaux et alliages non ferreux

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Résumé

Étude d'alliages ne contenant pas de fer, ou bien ne contenant du fer que comme élément d'alliage, minoritaire.

Introduction

L'argent, l'or et le plomb, le cuivre et les bronzes ont été découverts avant le fer ; cependant, celui-ci les a largement supplantés en raison de son bien meilleur rapport résistance mécanique/poids, permettant d’avoir des outils, armes et casques plus légers et plus résistants.

L'acier et la fonte, du fait de leurs propriétés mécaniques et de la grande disponibilité des minerais, se sont imposés comme les alliages les plus utilisés, ils ne sont toutefois pas les plus performants selon les applications. Le XX^e siècle a vu la découverte d’autre métaux ayant un meilleur rapport résistance/poids, l'aluminium et le titane, mais avec des ressources naturelles moins abondantes et un coût plus élevé.

Désignation symbolique

Chaque type d'alliage a sa propre désignation numérique ; par contre, la désignation symbolique est la même pour tous.

Dans les normes européennes, la désignation de l'alliage est fait comme suit :

• symbole chimique du composant majoritaire ;
• symboles chimiques des éléments d'alliage suivi de leur teneur moyenne en pourcentage massique.

Dans l'ancienne norme française, on utilise les « symboles métallurgiques » en lieu et place des symboles chimiques.

Principaux symboles métallurgiques

Élément	Symbole chimique	Symbole métallurgique
Aluminium	Al	A
Cuivre	Cu	U
Étain	Sn	E
Magnésium	Mg	G
Nickel	Ni	Ni
Silicium	Si	S
Soufre	S	F
Zinc	Zn	Z

Par exemple :

• CuZn27Ni10 (U-Z27Ni10) : alliage de cuivre, contenant 27 % de zinc et 10 %de nickel ;
• AlSi5Cu3 (A-S5U3) : alliage d'aluminium, contenant 5 % de silicium et 3 % de cuivre ;
• MgAl6Zn3 (G-A6Z3) : alliage de magnésium contenant 6 % d'aluminium et 3 % de zinc ;
• ZnAl4Cu3 (Z-A4U3) : alliage de zinc contenant 4 % d'aluminium et 3 % de cuivre.

Le cuivre et ses alliages

Avantages et inconvénients des alliages de cuivre

Avantages	Inconvénients
facile et bon marché à obtenir (réduction du minerai), à mettre en forme par fonderie (bronzes et laitons), à déformer (cuivre pur très ductile), à usiner
	lourd
excellent conducteur électrique
excellent conducteur électrique, diamagnétique
bactériostatique, antifongique	vert-de-gris toxique

Le cuivre a une température de fusion modérée (1 084 °C) qui le rend intéressant pour faire des pièces moulées. Par ailleurs, il a une structure cristalline cubique à faces centrées, et est donc très malléable, ce qui facilite le travail de formage. Il est donc très utilisé en plomberie (tuyaux jusqu'à 16 cm de diamètre extérieur). C'est par ailleurs un excellent conducteur électrique et de chaleur, il est utilisé en électricité (fils de cuivre, connecteurs) et pour les échangeurs de chaleur. Enfin, il a une bonne résistance à la corrosion : il forme une couche d'oxyde Cu₂O compacte et protectrice ; il réagit également avec le dioxyde de carbone pour former le vert-de-gris.

• 
  bobine de fil de cuivre
• 
  raccords de plomberie en cuivre

L'ajout de zinc donne du laiton ; l'ajout d'étain donne du bronze. Laitons et bronzes sont moins chers (le zinc et l'étain sont moins chers que le cuivre), ont un point de fusion plus bas et une meilleure ductilité. Ces alliages sont donc très utilisés pour les pièces moulées et embouties, comme les cloches, les statues, les hélices de bateau, la robinetterie — les robinets sont souvent recouverts de nickel qui leur donne un aspect argenté — ou la serrurerie. Par ailleurs, le bronze a un très faible coefficient de frottement avec l'acier, il est donc utilisé pour les engrenages et pour guider les mouvements de pièces (paliers lisses). Le « maillechort » (de Maillot et Chorier, ses inventeurs) est un alliage contenant du zinc et du nickel (typiquement CuZn27Ni10), utilisé pour la serrurerie, l'orfèvrerie, les pièces de précision, les ressorts et les résistances électriques.

• 
  engrenages hélicoïdaux en bronze
• 
  paliers lisses en bronze
• 
  cloche en bronze
• 
  raccords de plomberie en laiton

La désignation numérique européenne se fait comme suit : C + lettre + référence, la lettre étant B ou C pour une pièce moulée (block, cast), W pour une pièce corroyée (wrought, litt. martelé, c'est-à-dire extrudé ou laminé), et M pour un alliage mère (master alloy, utilisé comme base d'un autre alliage). La référence est un groupe de trois chiffres et une lettre, par exemple

• CW 008A = cuivre pur désoxydé ;
• CW 612N = Cu Zn 39 Pb 2 ;
• CB 750S = Cu Zn 33 Pb 2.

L'aluminium et ses alliages

Avantages et inconvénients des alliages d'aluminium

Avantages	Inconvénients
alliage léger
facile à mettre en forme par fonderie, déformation (ductilité) et usinage (faible dureté), coût de fabrication faible	minerai difficile à réduire (procédé complexe et onéreux), coût de matière première élevé
tenue mécanique correcte	mauvaise tenue à l'abrasion, à la fatigue
bonne tenue à basses températures (applications cryogéniques)	mauvaise tenue à haute température (faible température de fusion)
bonne conductivité électrique (à masse égale, conductivité double du cuivre), paramagnétique (« amagnétique »)
bonne conductivité thermique
bonne tenue à la corrosion atmosphérique, en particulier après anodisation
très réfléchissant (96 % de réflexion dans le domaine visible pour de l'aluminium pur poli), caractère esthétique (aspect dépoli, teintage après anodisation)
qualité alimentaire (ne pénètre pas facilement dans l'organisme)	toxicité supposée s'il pénètre dans l'organisme
facilement recyclable (triage magnétique par courant de Foucault, faible température de fusion)

L'aluminium est un métal de structure cubique à faces centrées, donc intrinsèquement ductile (A% = 40 % pour l'aluminium pur recuit). Cela permet d’avoir des pièces de forme complexe par laminage et extrusion, notamment des profilés (barres ayant une section de forme complexe). Par ailleurs, il a une faible température de fusion (660 °C), ce qui permet d’avoir facilement des pièces moulées. Par contre, comme tous les cristaux cfc, il ne présente pas de limite d'endurance en fatigue et a une faible résistance à l'usure.

Outre sa bonne formabilité, l'aluminium est un métal léger (ρ = 2 700 kg/m³, d = 2,7), résistant à la corrosion atmosphérique et aqueuse — il réagit avec le dioxygène de l'air pour former une couche d'oxyde Al₂O₃ protectrice — et bon conducteur d'électricité (σ_e = 38 × 10⁶ S/m pour l'aluminium pur). Mais son coût est élevé : les ressources en minerai sont peu abondantes, et le procédé métallurgique est très gourmand en électricité.

L'aluminium est utilisé lorsque l’on désire avoir des pièces légères (aéronautique, cadre de vélo haut de gamme, automobile) ou bien lorsque l’on veut une bonne résistance à la corrosion (alimentaire, menuiserie : portes, fenêtres, véranda). On l'utilise également comme conducteur d'électricité pour les forts courants : sa conductivité est moins bonne que celle du cuivre donc il faut un conducteur de plus forte section, mais la pièce finale est plus légère et moins chère.

Des ajouts de cuivre, silicium et zinc forment des précipités durcissant (durcissement structural). Ces alliages sont dits « trempant », pourtant, ce n’est pas la trempe elle-même qui provoque le durcissement, mais la maturation lors du revenu qui forme les précipités. Les alliages avec le manganèse et le magnésium ne sont pas trempant, mais le magnésium améliore le durcissement par le silicium. Les alliages non trempants peuvent être durcis par écrouissage. On peut ainsi atteindre de limites élastiques de l’ordre de 700 MPa (similaire à un acier ½ dur).

On effectue parfois une anodisation : il s'agit d'une oxydation de surface faite par électrolyse, et destinée à avoir une couche d'oxyde plus épaisse. Cela renforce la protection contre la corrosion et durcit la surface (anodisation dite « dure ») ; par ailleurs, la surface obtenue est poreuse et peut être teintée (anodisation esthétique).

On distingue deux types d'alliage : les alliages pour corroyage (laminage, tréfilage), et les alliages de fonderie, ou fonte d'aluminium.

La désignation européenne commence par EN A. Puis suit une lettre indiquant le procédé de formage : W pour du corroyé (wrought, litt. forgé), B pour coulé en lingot (block), C pour une pièce moulée (cast), M pour un alliage mère (master alloy, matière première pour un autre alliage). Dans le cas d'un alliage corroyé, on utilise une désignation numérique de quatre chiffres, éventuellement suivie d'une description chimique entre crochets. Dans le cas d'un alliage de fonderie, on peut utiliser une désignation numérique de cinq chiffres et/ou la désignation symbolique.

Pour la désignation numérique :

• alliage corroyé (EN AW) :
  • aluminium pur (plus de 99 % en masse d'Al) : le 1^er chiffre est « 1 », suit un indice de pureté (0 à 9), puis les décimales de la teneur en aluminium (par exemple « 50 » si l’on a 99,50 %),
  • alliage d'aluminium : le 1^er chiffre indique le ou les éléments d'alliage (2 pour le cuivre, 3 pour le manganèse, …), puis suit un numéro d'identification de l'alliage de deux chiffres ;
• alliage de fonderie (EN AB, EN AC, EN AM) : numéro d'identification de cinq chiffre, dont les deux premiers désignent le ou les éléments d'alliage (21xxx pour le cuivre, 41xxx pour Al Si Mg Ti, …).

Par exemple :

• EN AW-1050, ou EN AW-1050 [Al99,5] (A5 dans l'ancienne NF) : aluminium pur contenant moins de 0,5 % d'impuretés ;
• EN AW-2017, ou EN AW-2017 [AlCu4MgSi] (A-U4G) : « duralumin », alliage corroyé au cuivre, contenant 4 % de cuivre ainsi que du magnésium et du silicium ;
• EN AW-2024, ou EN AW-2024 [AlCu4Mg1] (A-U4G1) : autre « duralumin » ;
• EN AW-6060, ou EN AW-6060[AlMgSi0,5] (A-GS) : alliage fréquemment utilisé pour les profilés, contenant du magnésium et du silicium ;
• EN AC-21000, ou AC-21000[AlCu4MgTi], AC-AlCu4MgTi (A-U5GT) : alliage pour pièce moulée au cuivre, contenant 4 % de cuivre, du magnésium et du titane
• EN AC-45400, ou EN AC-45400 [AlSi5Cu3], ou EN AC-AlSi5Cu3 (A-S5U3) : alliage pour pièce moulée au silicium et cuivre, contenant 5 % de Si et 3 % de Cu.

L'alliage corroyé le plus couramment utilisé est le 2017 (A-U4G, duralumin). On utilise souvent des nom commerciaux pour désigner les alliages, comme Fortal (EN AW-7022 et -7075), Avional (série EN AW-2000), Anticorodal (série 6000), Certal (EN AW-7022), Technal, …

Pour les alliages corroyés, on parle souvent de « séries », qui indique le début de la désignation numérique, par exemple :

• série 2000 (p. ex. EN AW-2017A, EN AW-2024) : alliage contenant du cuivre, s'usine bien, mais pas adapté à l'anodisation ;
• série 5000 (p. ex. EN AW-5083) : alliage contenant du magnésium, résistance mécanique modérée mais se soude bien et adapté à l'anodisation ;
• série 6000 (p. ex. EN AW-6060) : alliage contenant du silicium et du magnésium, adapté à l'anodisation ;
• série 7000 (p. ex. EN AW-7022, EN AW-7075) : alliage contenant du zinc, rigide et bien adapté à l'anodisation.

Voir la page b:fr:Désignation normalisée des alliages d'aluminium.

Le magnésium et ses alliages

Le magnésium est un métal à bas point de fusion (T_f = 650 °C) et faible masse volumique (ρ = 1738 g/L, d = 1,738). C'est un métal utilisé pour faire des pièces de fonderie (donc de forme complexe), en raison de sa bonne fluidité à chaud, et légères. Il amortit bien les vibrations (donc les bruits). Son inconvénient essentiel est sa combustibilité, qui pose des problèmes de sécurité : risque d'inflammation des copeaux lors de l'usinage, comportement lors d'un incendie (pièces pour automobile). Cette propriété est parfois utilisée à dessein :

• le magnésium en poudre était utilisé pour les flashs photographiques ;
• on utilise toujours un ruban de magnésium pour amorcer la soudure par aluminothermie (p. ex. soudure de rails de chemins de fer).

Il est usinable, forgeable, soudable, résiste bien à la corrosion atmosphérique mais mal à la corrosion aqueuse.

On l'utilise rarement pur, mais allié avec de l'aluminium, qui améliore sa résistance mécanique, et avec du zinc, qui améliore sa ductilité et sa fluidité. Le point de fusion de ces alliages est de l’ordre de 400-550 °C.

Les principales nuances sont :

• MgAl6Zn3 (G-A6Z3) : pièces courantes ;
• MgAl9Zn (G-A9Z) : carters, roues, pièces aéronautiques ;
• MgZn5Th2Zr : carters complexes ;
• MgZr : machines d'essai, appareils de bureautique.

Le zinc et ses alliages

Le zinc est un métal à bas point de fusion (T_f = 420 °C). Il présente une bonne résistance à la corrosion atmosphérique : il réagit avec l'air (humidité, dioxygène, dioxyde de carbone) pour former une couche de carbonates compacte, adhérente et protectrice (patine). Par contre, l'oxyde ZnO qui se forme dans de l'eau stagnante est pulvérulent et donc non protecteur ; on parle de « rouille blanche ». Il est utilisé pour des pièces de fonderie (donc de forme complexe), on peut le mouler avec des tolérances très serrées donc sans nécessité d'usinage. Il a une masse volumique comparable à l'acier (ρ = 7 140 kg/m³, d = 7,14).

Le zinc est utilisé pur pour les revêtements anti-corrosion — galvanisation, poudre pour les peintures, anodes sacrificielles — et pour les toitures et gouttières (laminé). Il est utilisé allié avec de l'aluminium et du cuivre (Zamaks, Kayems).

Les principales nuances sont :

• Zamak 2 (ou ZP2) : ZnAl4Cu3 (Z-A4U3), pour pièces dures et résistantes ;
• Zamak 3 (ZP3) : ZnAl4 (Z-A4), pour pièces mécaniques (carters, poignées, carburateurs) ;
• Zamak 5 (ZP5) : ZnAlCu1 (Z-A4U1), pour pièces de frottement (bagues, engrenages) ;
• Kayem 1 : ZnAl4Cu3 (Z-A4U3), pour poinçons et matrices de découpage, moules d'injection plastique ;
• ZA8 (ZnAl8Cu1), ZA12 (ZnAl11Cu1), ZA27 (ZnAl27Cu2) : pièces de précision en grande série.

Le nickel et ses alliages

Le nickel est un métal de forte masse volumique (ρ = 8 908 kg/m³, d = 8,908), avec un point de fusion relativement haut (T_f = 1 455 °C) et une très bonne résistance à la corrosion (il forme une couche d'oxyde NiO compacte, adhérente et protectrice). Il a une structure cubique à faces centrées, c’est donc un métal ductile. Il est ferromagnétique (µ_r = 600 pour du nickel pur).

Toutefois, il présente un problème d'allergie de contact, et une exposition chronique est cancérigène.

Pur, il est utilisé en plaquage de l'acier et des alliages de cuivre (nickelage : aspect brillant, résistance à la corrosion), et pour certaines pièces de monnaie (francs français par exemple). Il est allié avec du fer et du chrome pour former des superalliages à base nickel ; ces alliages sont très résistants à haute température (résistance mécanique et à la corrosion) et aux basses températures (jusqu'à −200 °C). Ce sont des alliages à durcissement structural : les éléments d'alliage forment des précipités qui renforcent la matrice. Ils sont utilisés dans la pétrochimie, pour les appareils à pression, dans l'armement et l'aérospatiale. Les alliages contenant de l'aluminium forment un précipité intermétallique Ni₃Al (structure ordonnée) qui assure un excellent renforcement à haute température (aubes de turbines de moteurs d'avion).

On fait souvent référence aux marques Inconel Hastelloy. Les nuances les plus utilisées sont :

• Inconel 600 : NiCr15Fe6 ;
• Inconel 625, Haynes 625 : NiCr22Mo9Fe5b ;
• Inconel 718, Haynes 718 : NiCr19Fe18Mo3 ;
• Hastelloy B : NiMo28 ;
• Hastelloy C : NiMo16Cr15.

Les alliages nickel-chrome (nichrome, NiCr20) et nickel-chrome-aluminium (NiCrAl) sont également utilisés pour les applications à haute température.

Les alliages contenant du cuivre (Monel NiCu35, NiCu35AlTi) présentent une excellente résistance en milieu marin. Ils sont utilisés par exemple pour le rivetage en aéronautique, les échangeurs de chaleur, la pétrochimie, et l'électronique (résistances électriques).

Citons enfin les alliages contenant environ 15 % de fer qui présentent une grande perméabilité magnétique :

• molybdenum permalloy : NiFe17Mo2 ;
• mu-métal : NiFe15Mo5, NiFe15Cu5Mo3.

Le 45 permalloy est un alliage contenant majoritairement du fer (FeNi45) mais qui entre dans la même famille.

Les permalloys et mu-métaux sont utilisés pour le blindage magnétique et les têtes de lecture de bandes magnétiques. On les désigne par les termes permalloy ou mu-métal (µ-métal).

Le titane et ses alliages

Le titane est un métal léger (ρ = 4 507 kg/m³, d = 4,507) et à température de fusion élevée (T_f = 1 668 °C). Pur, il a une limite élastique comparable à celle d'un acier au carbone (mais est 42 % plus léger), et il résiste très bien à la corrosion (il forme une couche d'oxyde TiO₂ compacte, adhérente et protectrice), mieux que les aciers inoxydables. Il s'usine et se soude bien.

Du fait de son excellent rapport résistance mécanique/masse, il est beaucoup utilisé dans l'aéronautique et l'aérospatiale. En raison de sa résistance à la corrosion, en particulier à haute température, il est utilisé dans l’industrie chimique et de l'énergie. Il est par ailleurs biocompatible et l'os adhère bien dessus, il est donc utilisé pour de nombreux implants et prothèses. Le grand public connaît quant à lui les cadres de vélo haut de gamme et les montures de lunette.

À température ambiante, il est de structure α (hexagonale compacte), et se transforme en structure β (cubique centrée) au-dessus de 882 °C. L'ajout d'éléments d'alliage permet d’avoir une structure mixte α+β métastable (bêtagènes, en particulier le vanadium) ; ce sont les alliages les plus utilisés.

L'alliage le plus courant est le TiAl6V4 (ou T-A6V), qui a une structure α+β. Lors de traitements thermiques, il se forme des précipités intermétalliques Ti₃Al, TiAl et TiAl₃ qui durcissent l'alliage (durcissement structural) et permet d'atteindre une haute limite élastique (R_e = 900 MPa pour un recuit et 1 050 MPa pour une trempe + revenu). Citons également les alliages α TiAl5Sn (T-A5E), TiAl8MoV (TA8DV), TiAl6Zn5Mo (TA6ZD) et TiAl6V6Sn (TA6V6E).

La principale limitation à son utilisation est le prix (75 EUR/kg en 2007 pour le TiAl6V4, soit 150 fois plus cher qu'un acier au carbone).

Voir aussi

• matériel pédagogique :
  • [html] • [licence Copyright] • (fr) • lien vers le document • vidéo L'Aluminium, France Télévisions (29 avril 2001)
  • [html] • [licence Copyright] • (fr) • lien vers le document • vidéo Le cuivre : les bons tuyaux, France Télévisions (6 février 2005)