Alliage — Métaux, Matériaux et Métallurgie

Livre de référence

Métallurgie · Matériaux · Technique

Aide-mémoire Métallurgie — 3e éd.

Guy Murry & Robert Lévêque

Éditeur

DUNOD

Édition

3e édition

Publication

17 mai 2019

Pages

416 pages

Format

Broché

Langue

Français

ISBN-10

2100798995

ISBN-13

978-2100798995

Cet aide-mémoire rassemble les informations de base essentielles au choix et à l'utilisation des métaux. Il rappelle les notions de métallurgie physique indispensables et aborde de manière détaillée la spécificité et le comportement des métaux, les propriétés mécaniques, les différents modes de durcissement, les principaux types d'alliages et leurs domaines d'utilisation, ainsi que les traitements thermiques et les relations structures/propriétés.

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Fondamentaux

Qu'est-ce qu'un alliage ?

Un alliage est un mélange homogène de deux métaux ou plus, ou d'un métal et d'un non-métal, obtenu par fusion ou par des procédés métallurgiques spécifiques. L'objectif est d'obtenir des propriétés supérieures à celles des éléments pris isolément : meilleure résistance mécanique, dureté accrue, résistance à la corrosion, ductilité améliorée ou conductivité ajustée.

L'histoire des alliages est intimement liée à celle de la civilisation humaine. Du bronze (cuivre + étain) de l'Antiquité au superalliage de nickel qui équipe les moteurs d'avion modernes, la science des alliages n'a cessé de progresser pour repousser les limites de l'ingénierie.

+3000

Alliages industriels répertoriés

5000

Ans d'histoire des alliages

70%

Des métaux utilisés sont des alliages

118

Éléments du tableau périodique

Classification

Les grands types d'alliages

⚙️

Aciers et fontes

Les alliages fer-carbone forment la famille la plus utilisée en génie mécanique. L'acier (C < 2,1 %) se distingue de la fonte par sa meilleure ductilité et sa soudabilité. On distingue les aciers de construction, les aciers inoxydables (Cr, Ni) et les aciers à outils (W, Mo, V).

✈️

Alliages d'aluminium

Légers, résistants à la corrosion, les alliages d'aluminium (séries 1000 à 7000) sont omniprésents dans l'aéronautique, l'automobile et l'emballage. Le Duralumin (Al-Cu-Mg) constitue un exemple historique fondamental dans la construction des premiers avions.

🔩

Alliages de cuivre

Bronze (Cu-Sn) et laiton (Cu-Zn) sont les plus anciens alliages connus de l'humanité. Leurs excellentes propriétés tribologiques, leur bonne conductivité et leur résistance à la corrosion marine les maintiennent indispensables en plomberie, électronique et marine.

🚀

Superalliages

Les superalliages à base de nickel, cobalt ou fer-nickel maintiennent leurs propriétés mécaniques au-delà de 1000 °C. Ils équipent les turbines de réacteurs d'avion et les centrales électriques, là où aucun autre matériau ne résiste aux contraintes thermiques et mécaniques combinées.

🦷

Alliages biomédicaux

Titane (Ti-6Al-4V), aciers inoxydables 316L et alliages cobalt-chrome sont les piliers des implants orthopédiques et dentaires. Leur biocompatibilité, leur résistance à la fatigue et leur inertie chimique en font des matériaux de choix pour le corps humain.

🔋

Alliages pour l'énergie

Du zircaloy des gaines de combustible nucléaire aux alliages magnétiques des générateurs éoliens, en passant par les alliages à mémoire de forme, la transition énergétique s'appuie massivement sur des alliages aux propriétés spécifiques soigneusement optimisées.

Comparatif

Propriétés comparées des alliages courants

Alliage	Composition principale	Résistance (MPa)	Densité (g/cm³)	Applications
Acier inox 316L	Fe-Cr18-Ni12-Mo2	485 – 620	7,99	Médical Marine
Alliage 7075	Al-Zn5,6-Mg2,5-Cu1,6	500 – 570	2,81	Aéro
Ti-6Al-4V	Ti-Al6-V4	895 – 1000	4,43	Médical Aéro
Inconel 718	Ni-Cr19-Fe18-Nb5	1000 – 1400	8,19	Turbines
Bronze CuSn8	Cu-Sn8	300 – 450	8,80	Mécanique
Laiton CuZn37	Cu-Zn37	300 – 400	8,44	Robinetterie

Procédés

Traitements thermiques des alliages

Les traitements thermiques permettent de modifier profondément la microstructure d'un alliage et donc ses propriétés mécaniques, sans changer sa composition chimique.

Recuit

Chauffage puis refroidissement lent pour éliminer les contraintes résiduelles, améliorer la ductilité et l'usinabilité.

Trempe

Refroidissement brutal depuis la température d'austénitisation pour piéger la martensite, structure très dure mais fragile.

Revenu

Traitement après trempe à température intermédiaire pour réduire la fragilité de la martensite tout en conservant une dureté élevée.

Cémentation

Enrichissement superficiel en carbone d'un acier faiblement allié. Idéal pour les engrenages et arbres de transmission.

Vieillissement

Traitement multi-étapes pour alliages d'aluminium. La précipitation de phases secondaires augmente fortement la résistance.

Science

Propriétés mécaniques clés

La compréhension des propriétés mécaniques est fondamentale pour le choix d'un alliage dans une application donnée. Les principales grandeurs caractérisant un alliage structural sont la limite d'élasticité (Re) — contrainte à partir de laquelle la déformation devient permanente — et la résistance à la traction (Rm), contrainte maximale supportée avant rupture.

La dureté (mesurée par les tests Vickers, Brinell, Rockwell) est liée à la résistance à l'indentation. La ténacité (KIC) mesure la résistance à la propagation de fissures : un alliage peut être très dur mais avoir une ténacité médiocre, ce qui le rend fragile sous chocs.

Enfin, la fatigue est le mode de défaillance le plus fréquent des pièces mécaniques : sous sollicitations cycliques, des microfissures s'amorcent et se propagent progressivement jusqu'à la rupture finale. La limite d'endurance définit le seuil en dessous duquel une durée de vie illimitée est envisageable.