Introduction à la science des matériaux/Bilan sur les métaux

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Nous possédons maintenant tous les éléments permettant de faire le choix d'un métal.

Par défaut, on choisit comme acier de base un acier au carbone de construction (acier à ferrer les ânes), le S235 (NF E24, SAE 1010) : peu onéreux, facilement formable, facilement usinable, soudable, éventuellement moulable.

Contrainte de forme

Si l’on doit réaliser une pièce de forme complexe en un seul bloc, on choisit un alliage facilement moulable : fonte, laiton, bronze, alliage d'aluminium pour fonderie. S'il faut une excellent tenue mécanique, on peut avoir recours à du forgeage (acier).

On peut aussi envisager d’avoir recours à la métallurgie des poudres (frittage) : on obtient des tolérances dimensionnelles serrées brut de fabrication, et l’on a besoin de moins chauffer.

Contrainte de légèreté

Le terme « alliage léger » fait référence à un alliage d'aluminium (corroyé ou de fonderie) ; ce sont des alliages de choix lorsque l’on veut une pièce légère. Le titane est également très léger, et a une excellente tenue mécanique, mais est très cher.

Contraintes environnementales (résister à la corrosion)

Pour résister à la corrosion, la première méthode consiste à surdimensionner les pièces, pour prévoir la dissolution du métal, et à changer les pièces en maintenance préventive. Si toutefois on désire limiter la taille et la masse des pièces et éviter la maintenance, on peut avoir recours à plusieurs méthodes selon les cas :

• corrosion atmosphérique, pas d'érosion : peinture (éventuellement précédé d'une phosphatation), galvanisation ;
• pièce immergée : protection « cathodique » en vissant une « électrode sacrificielle » (soluble) en zinc ou magnésium, ou en imposant un courant électrique avec une électrode immergée ;
• risque d'érosion, pièce immergée : alliage inoxydable (acier inox, alliage d'aluminium, alliage de nickel, alliage de cuivre) ;
• domaine alimentaire et pharmaceutique : acier inox, alliage d'aluminium ;
• milieu chloruré (maritime par exemple) : acier inoxydable bas carbone au molybdène (p. ex. 316L/X2CrNiMo17-12-2), alliage de nickel au chrome et au molybdène, alliage d'aluminium, alliages de titane et de cuivre ;
• pièces obtenues par formage à froid (estampage, roulage, pliage) : acier ferritique si l'épaisseur est faible (p. ex. 430/X6Cr17), austénitique (au nickel) si l'épaisseur est forte (p. ex. 304/X5CrNi18-10, 316/X2CrNiMo17-12-2), alliage de zinc ou de cuivre ;
• haute température : acier réfractaire, alliage de titane (TiAl6V4/T-A6V), superalliage à base nickel (Inconels).

Contrainte thermique (résister à la chaleur)

Il existe des aciers réfractaires. Pour les applications à très hautes températures, on utilise des alliages à base de nickel (Inconels).

Sollicitation mécanique dans la masse

Graphique de choix : comparaison des propriétés mécaniques et économiques des métaux : prix au kilogramme en fonction de la limite élastique spécifique (R_e/ρ)

Par « sollicitation dans la masse », on entend que toute la pièce subit une déformation (traction, compression, cisaillement, torsion, flexion), les contraintes ne sont pas localisées. Il suffit de prendre une pièce suffisamment massive. Si l’on veut réduire la masse ou l'encombrement de la pièce, il faut utiliser un alliage à haute limite élastique, un acier trempé et revenu voire un alliage à durcissement structural, par ordre de résistance croissante pour les non-inox :

1. acier au carbone (tôle bleue) C30 et suivants ;
2. acier faiblement allié (p. ex. 25CrMo4, 36CrNiMo16, 100Cr6) ;
3. acier maraging (p. ex. X2NiCoMo18-9-5) ;
4. alliages de titane α+β (TiAl6V4/T-A6V) ;
5. pour les températures élevées, les aciers rapides spéciaux (HSS).

Pour les nuances inoxydables :

1. acier austénitique (les moins résistants mécaniquement, p. ex. 304/X5CrNi18-10, 316/X5CrNiMo17-12-2) ;
2. acier duplex (austéno-ferritique, p. ex. 2205/X2CrNiMoN22-5-3, 2507 « SuperDuplex »/X2CrNiMoN25-7-4) ;
3. acier ferritique (les moins chers, p. ex. 430/X6Cr17) ;
4. acier martensitique (p. ex. 403/X6Cr13, 420/X20Cr13) ;
5. alliages de titane α+β (TiAl6V4/T-A6V).

Si la sollicitation est dynamique (la charge varie fréquemment), il peut se produire un phénomène de fatigue qui impose de bien choisir l'alliage. En particulier, on proscrit les aciers austénitiques (qui ne présentent pas de limite d'endurance) et certains aciers à durcissement structural (certains précipités peuvent constituer des amorces de fissures, d'autres au contraire améliorent les propriétés), et on divise par principe la limite élastique par 2. Le grenaillage peut améliorer le comportement en mettant la surface en compression.

Sollicitation mécanique de surface par pression

Dans certaines circonstances, seule la surface est sollicitée, par une pression sur une petite surface. On peut avoir un matage (déformation plastique, « métal repoussé ») voire une rupture. Pour éviter ces problèmes, il faut avoir une limité élastique élevée, donc

• un acier à haute limite élastique, voir précédemment ;
• acier Hadfield (p. ex. X120Mn12) ;
• un acier « standard » ayant subi un traitement de surface :
  • trempe superficielle (aciers C30 à C80),
  • cémentation + trempe superficielle (aciers C22 à C30),
  • nitruration (acier faiblement allié au chrome, molybdène, …),
  • carbonitruration,
  • chromisation dure,
  • boruration,
  • sulfonitruration ;
• alliage à durcissement structural : alliages de titane α+β (TiAl6V4/T-A6V), alliage de nickel au cuivre et titane (Monel).

Si la surface est soumise à des chocs, il faut de plus que le matériau ait une bonne ténacité, ce qui signifie en général que le matériau est ductile.

Sollicitation mécanique de surface par frottement

Lorsqu’il y a frottement entre deux pièces, il peut se produire un grippage — immobilisation — ou une usure par abrasion. Pour éviter l'abrasion, il faut avoir une limité élastique élevée, cf. cas précédent. Des traitements de surface améliorent en outre le glissement et l'action d'un lubrifiant :

• chromisation dure ;
• sulfonitruration ;
• phosphatation.

Enfin, on peut envisager l'interposition d'un pièce d'usure (à changer en maintenance préventive) avec un matériau ayant un faible coefficient de frottement avec l'acier, en général un bronze, éventuellement un polymère si la charge est faible (nylon, PTFE/Téflon).

Synthèse

Faites ces exercices : Reconception d'une pièce mécanique.

Faites ces exercices : Évaluation en métallurgie.