Alliages sont deux légers et ferreux
Bien que les alliages fassent partie de la pratique industrielle depuis l’Antiquité (le bronze, alliage de cuivre et d’étain, est utilisé depuis des milliers d’années), le développement systématique des alliages date du milieu du XIXe siècle. En raison de l’amélioration des techniques d’analyse chimique et de l’essor des tests systématiques des propriétés des matériaux, les principes théoriques de base des alliages ont été développés à la fin des années 1800.
D’une manière générale, le développement et l’utilisation des alliages au XXe siècle étaient essentiellement une extension des découvertes faites au XIXe siècle. L’amélioration de la pureté des matériaux d’origine, les essais systématiques de différentes combinaisons d’alliages et de méthodes de traitement thermique, ainsi que l’amélioration des techniques de fabrication ont permis d’améliorer considérablement les propriétés des matériaux. Cependant, aucun nouveau principe fondamental qui a conduit à des percées radicales n’a été découvert au cours du XXe siècle.
Au cours du XXe siècle, l’acier était le matériau d’ingénierie dominant dans le monde industrialisé en raison de son faible coût et de sa polyvalence. Une grande partie de cette polyvalence est due à une classe d’aciers connus sous le nom d’aciers alliés. En ajoutant d’autres métaux au mélange de base de fer et de carbone que l’on trouve dans l’acier, les propriétés des aciers alliés peuvent être modifiées sur une large gamme.
Les aciers alliés offrent un potentiel de résistance, de dureté et de résistance à la corrosion accrus par rapport à l’acier au carbone ordinaire. La principale limitation de l’utilisation des aciers alliés était qu’ils coûtaient généralement plus cher que les aciers au carbone ordinaires, bien que cet écart de prix ait diminué au cours du XXe siècle.
Bien que l’acier ait été le matériau d’ingénierie dominant au XXe siècle, un certain nombre d’autres alliages développés au cours du XXe siècle ont été largement utilisés dans des applications particulières.
L’augmentation des coûts limitait l’utilisation des alliages spéciaux à des applications particulières où leurs propriétés matérielles étaient essentielles pour des raisons d’ingénierie. Cette rubrique couvre l’utilisation des alliages dans les applications mécaniques. Les alliages utilisés dans les applications électriques sont abordés dans l’entrée Alliages magnétiques.
Définitions
Un alliage est un mélange de deux ou plusieurs éléments métalliques ou d’éléments métalliques et non métalliques fusionnés ou se dissolvant les uns dans les autres lorsqu’ils sont fondus. Le mélange est physique et n’implique pas la formation de liaisons moléculaires.
À proprement parler, l’acier est un alliage, puisqu’il s’agit d’un mélange de fer et de carbone, mais n’est normalement pas désigné de cette manière. Au contraire, lorsque l’on parle d’acier allié, on fait référence à l’acier (fer plus carbone) avec d’autres éléments ajoutés à celui-ci.
La définition formelle de l’acier allié est un acier dont la teneur maximale en éléments d’alliage dépasse une ou plusieurs des limites suivantes : 1,6 % de manganèse, 0,6 % de silicium ou 0,6 % de cuivre. De plus, les aciers alliés sont reconnus comme contenant des quantités spécifiques (minimales ou non) d’aluminium, de bore, de chrome (jusqu’à 3,99 %), de cobalt, de nickel, de titane, de tungstène, de vanadium, de zirconium ou de tout autre élément d’alliage ajouté afin d’obtenir l’effet d’alliage souhaité.
De manière quelque peu déroutante, un certain nombre d’alliages communément appelés aciers alliés ne contiennent en fait pas de carbone du tout. Par exemple, l’acier maraging est un alliage sans carbone de fer et de nickel, en plus allié avec du cobalt, du molybdène, du titane et d’autres éléments.
Autre communément utilisé industrie terme est l’acier « spécial » (ou aux États-Unis « spécial »). La plupart des aciers spéciaux, mais pas tous, sont des aciers alliés, et les deux termes sont souvent utilisés de manière interchangeable. D’autres termes de l’industrie font référence aux propriétés de l’acier plutôt qu’à la composition d’un matériau spécifique. Par exemple, l’acier « à haute résistance » fait référence à tout acier qui peut résister à des charges de plus de 1241 MPa, tandis que l’acier « à outils et matrices » fait référence à tout acier suffisamment dur pour être utilisé pour des outils de coupe, des matrices d’emboutissage ou des applications similaires.
Les noms des alliages non sidérurgiques sont généralement définis par les noms de leurs principaux métaux constitutifs. Par exemple, l’alliage nickel-chrome est constitué d’un mélange d’environ 80 % de nickel et de 20 % de chrome. Les alliages de titane sont principalement du titane mélangé à de l’aluminium, du vanadium, du molybdène, du manganèse, du fer ou du chrome.
Cependant, certains alliages sont désignés par des noms commerciaux qui font désormais partie du vocabulaire standard de l’ingénierie. Un bon exemple est l’Invar, un alliage de 64 % de fer et de 36 % de nickel. Le nom est une contraction du mot « invariable », ce qui reflète le très faible taux de dilatation thermique de l’Invar.
Les alliages sont utiles à des fins industrielles car ils possèdent souvent des propriétés que les métaux purs n’ont pas. Par exemple, les alliages de titane ont des limites d’élasticité jusqu’à cinq fois supérieures à celles du titane pur, mais leur densité reste très faible. Même lorsque les alliages ont les mêmes propriétés que les matériaux purs, les matériaux alliés, en particulier les aciers alliés, sont souvent moins chers qu’un matériau pur pour un usage donné.
Les différences de propriétés entre un matériau pur et ses alliages sont dues à des modifications de la microstructure atomique provoquées par le mélange de deux ou plusieurs types d’atomes. L’ajout même de petites quantités d’un élément d’alliage peut avoir un impact majeur sur l’arrangement des atomes dans un matériau et leur degré d’arrangement ordonné.
En particulier, les éléments d’alliage affectent la façon dont les dislocations se forment au sein des microstructures. Ces changements de microstructure entraînent des changements à grande échelle dans les propriétés du matériau et modifient souvent la façon dont un matériau réagit au traitement thermique.
Il est important de noter que l’ajout d’éléments d’alliage peut avoir des effets positifs et négatifs sur les propriétés d’un matériau d’un point de vue technique. Dans la fabrication d’alliages, il est souvent tout aussi important d’éviter ou d’éliminer certains éléments chimiques que d’en ajouter. Un contrôle minutieux de la composition chimique des matières premières et diverses techniques de traitement sont utilisés pour minimiser la présence d’éléments indésirables.
Acier allié
Le développement de l’acier allié trouve son origine dans le procédé du creuset, perfectionné par Benjamin Huntsman en Angleterre vers 1740. En faisant fondre du fer en barre et du carbone dans des pots en argile, puis en versant des lingots, Huntsman a créé un acier de qualité supérieure avec du carbone uniformément dispersé dans tout le métal. Utilisé pour la coutellerie, les poinçons et les outils de coupe de métal ; L’acier au creuset a été le premier acier spécial.
En 1868, Robert F. Mushet, le fils d’un maître de forges écossais, a découvert que l’ajout de tungstène finement pulvérisé à l’acier du creuset pendant sa fusion rendait l’acier beaucoup plus dur. Adapté aux outils de coupe de métal pouvant fonctionner à grande vitesse, l’acier à outils au tungstène Mushet a été le premier acier allié commercial.
Le métallurgiste et sidérurgiste anglais Sir Robert Hadfeld est généralement considéré comme le fondateur de la pratique moderne de l’acier allié, avec son invention de l’acier au manganèse en 1882. Cet acier, contenant 12 % de manganèse, a la propriété de devenir plus dur au fur et à mesure qu’il est travaillé.
Cela le rendait idéal pour certains types de machines, telles que les équipements d’excavation. Hadfeld a également inventé l’acier au silicium, qui a des propriétés électriques qui le rendent utile pour la construction de transformateurs. Ses travaux ont montré de manière concluante que l’ajout contrôlé d’éléments d’alliage à l’acier pouvait conduire à de nouveaux produits spécialisés importants.
Les découvertes de Hadfeld, qui ont été bien médiatisées, ont conduit de nombreux autres ingénieurs et sidérurgistes à expérimenter l’utilisation d’éléments d’alliage, et la période entre 1890 et 1930 a été très active pour le développement de nouveaux alliages.
La première étude hautement systématique des aciers alliés a été menée par Frederick W. Taylor et Maunsel White à l’aciérie de Bethlehem dans les années 1890. En plus de tester diverses compositions d’alliages, les deux hommes ont également comparé l’impact de différents types de traitement thermique.
Les expériences qu’ils ont menées ont conduit à la mise au point de l’acier rapide, un acier allié où le tungstène et le chrome sont les principaux éléments d’alliage, ainsi que le molybdène, le vanadium et le cobalt dans les alliages, légers et ferreux.
quantités variables. Ces aciers ont permis le développement d’outils de coupe du métal qui pouvaient fonctionner à des vitesses trois fois plus rapides que les outils précédents. L’acier rapide a été principalement utilisé au cours du XXe siècle pour la fabrication de trépans.
Les applications militaires ont également été un facteur majeur dans le développement des aciers alliés. La demande d’une meilleure plaque de blindage, de canons plus solides et d’obus plus durs capables de pénétrer le blindage a conduit à la création de laboratoires de recherche dans de nombreuses grandes entreprises sidérurgiques.
Cela a joué un rôle important dans le développement de la science de la métallurgie, avec de grandes entreprises comme Vickers au Royaume-Uni et Krupps en Allemagne finançant la recherche métallurgique. La découverte la plus notable de ce travail a été l’utilisation du nickel comme élément d’alliage.
Le nickel en quantités comprises entre 0,5 et 5,0 % augmente la ténacité de l’acier, en particulier lorsqu’il est allié avec du chrome et du molybdène. Le nickel ralentit également le processus de durcissement et permet ainsi de traiter thermiquement avec succès de plus grandes sections.
La jeune science de la métallurgie a progressivement commencé à jouer un rôle plus important dans les domaines non militaires, notamment dans l’ingénierie automobile. L’acier au vanadium, découvert indépendamment par les métallurgistes Kent Smith et John Oliver Arnold du Royaume-Uni et Le’on Guillet de France juste après le début du XXe siècle, a permis la construction de châssis de voitures plus légers.
Des recherches ont montré que l’ajout d’aussi peu que 0,2 % de vanadium augmentait considérablement la résistance de l’acier aux contraintes dynamiques, cruciales pour les composants automobiles soumis aux chocs causés par de mauvaises routes.
En 1905, les constructeurs automobiles britanniques et français utilisaient de l’acier au vanadium dans leurs produits. Plus important encore, Henry Ford a appris les propriétés du vanadium de Kent Smith et a utilisé de l’acier allié au vanadium dans la construction du modèle T. L’acier au vanadium était moins cher que d’autres aciers aux propriétés équivalentes et pouvait être facilement traité thermiquement et usiné.
En conséquence, environ 50 % de tout l’acier utilisé dans le modèle T original était un alliage de vanadium. Lorsque le prix du vanadium a augmenté après la Première Guerre mondiale, Ford et d’autres constructeurs automobiles l’ont remplacé par d’autres alliages, mais le vanadium avait créé un précédent en utilisant de l’acier allié.
En 1923, par exemple, l’industrie automobile consommait plus de 90 % de la production d’acier allié des États-Unis, et la voiture particulière moyenne utilisait environ 320 kilogrammes d’acier allié.
L’utilisation intensive d’aciers alliés par l’industrie automobile a conduit à l’établissement de normes pour la composition de l’acier. Élaborées pour la première fois par la Society of Automotive Engineers (SAE) en 1911 et affinées au cours de la décennie suivante, ces normes pour la description de l’acier ont été largement adoptées et utilisées dans l’ensemble de l’industrie dans les années 1920, et ont continué à être utilisées pendant le reste du siècle.
Le système impose un code numérique, où les chiffres initiaux décrivent la composition de l’alliage de l’acier et les chiffres finaux le pourcentage de carbone dans l’acier. Les spécifications décrivaient également les propriétés physiques que l’on pouvait attendre de l’acier, ce qui facilitait grandement la spécification et l’utilisation des aciers alliés pour les consommateurs d’acier.
L’un des objectifs des ingénieurs automobiles dans les années 1910 et 1920 était de mettre au point un acier allié dit « universel », c’est-à-dire un acier qui aurait de vastes applications à des fins d’ingénierie. Bien qu’il n’existe pas d’acier allié unique pour répondre à tous les besoins, la recherche d’un acier universel a conduit à l’adoption généralisée de l’acier allié au chrome et au molybdène, ou acier « chrome-molybdène ». Cet alliage combine une résistance et une ténacité élevées, et est relativement facile à usiner et à emboutir, ce qui en fait le choix par défaut pour de nombreuses applications.
La dernière grande classe d’acier allié à être découverte était l’acier inoxydable. L’invention de l’acier inoxydable est revendiquée pour une dizaine de candidats différents en Europe et aux États-Unis dans les années autour de 1910. Ces différentes personnes ont toutes constaté que des niveaux élevés de chrome (12 % ou plus) donnaient des niveaux exceptionnels de résistance à la corrosion.
Le terme « inoxydable » est un peu exagéré : les alliages d’acier inoxydable se corrodent dans des conditions extrêmes, mais à un rythme beaucoup plus lent que les autres aciers. C’est cette résistance à la corrosion, combinée à la résistance et à la ténacité, qui a rendu les aciers inoxydables si importants sur le plan commercial au XXe siècle.
Les premiers aciers inoxydables commerciaux ont été vendus en 1914 pour être utilisés dans les couverts et les aubes de turbine, et dans les années 1920, le matériau était couramment utilisé dans l’industrie chimique pour les cuves de réacteur et la tuyauterie. L’acier inoxydable a ensuite trouvé une large application dans l’industrie de la transformation des aliments, en particulier dans la transformation des produits laitiers et la fabrication de la bière. À la fin du XXe siècle, l’acier inoxydable était l’acier allié le plus produit.
Après les années 1920, le développement des alliages d’aciers était en grande partie une question de raffinement plutôt que de nouvelles découvertes importantes. L’expérimentation systématique a conduit à des changements dans le mélange de divers alliages et à la substitution d’un alliage par un autre au fil du temps.
Le facteur le plus important a été le coût et la disponibilité des éléments d’alliage, dont certains sont disponibles en quantités limitées dans seulement quelques endroits. Par exemple, les pénuries d’éléments particuliers en temps de guerre ont poussé les chercheurs à développer des alternatives.
Pendant la Seconde Guerre mondiale, les métallurgistes ont découvert que l’ajout de très petites quantités de bore (aussi peu que 0,0005 %) permettait de réduire de moitié les autres éléments d’alliage dans une variété d’aciers à faible et moyenne teneur en carbone. Cela a lancé une tendance qui s’est poursuivie après la guerre des tentatives de minimiser l’utilisation d’éléments d’alliage pour des raisons de coût et de réglementer plus précisément le traitement thermique pour produire des résultats plus cohérents.
La fabrication des aciers alliés a considérablement changé au cours de la période 1900-1925. L’introduction généralisée de la fabrication de l’acier électrique a remplacé l’utilisation de fours à creuset pour le traitement de l’acier allié. Les fours électriques ont augmenté l’échelle de fabrication de l’acier allié et ont permis l’ajout facile d’éléments d’alliage lors de la fusion de l’acier.
En conséquence, l’acier produit électriquement avait une composition uniforme et pouvait être facilement adapté à des exigences spécifiques. En particulier, la fabrication de l’acier électrique a rendu possible la production de masse d’acier inoxydable, et le matériau est devenu suffisamment bon marché dans l’entre-deux-guerres pour pouvoir être utilisé pour des applications à grande échelle comme la production de wagons et le revêtement des gratte-ciel Chrysler et Empire State à New York.
Un raffinement majeur dans la fabrication de l’acier, le dégazage sous vide, a été introduit dans les années 1950 et s’est généralisé dans les années 1970. En soumettant l’acier fondu à un vide intense, les gaz indésirables et les éléments volatils ont pu être éliminés de l’acier. Cela a amélioré la qualité de l’acier allié, ou a permis des niveaux inférieurs de matériaux d’alliage pour les mêmes propriétés physiques.
À la suite des innovations industrielles, l’acier allié est progressivement devenu moins cher et plus largement utilisé au cours du XXe siècle. Dès les années 1960, la distinction entre l’acier en vrac et l’acier spécial s’est estompée, car les aciers en vrac étaient produits selon des normes plus strictes et les aciers spéciaux étaient produits en plus grandes quantités. À la fin du XXe siècle, près de la moitié de toute la production d’acier était constituée d’aciers spéciaux.
Autres alliages
Une variété de matériaux en alliage non acier ont été développés au cours du XXe siècle pour des applications d’ingénierie particulières. Les plus importants d’entre eux sur le plan commercial étaient les alliages de nickel et les alliages de titane. Les alliages de nickel, en particulier les alliages nickel-chrome, sont particulièrement utiles dans les applications à haute température. Les alliages de titane sont légers ALLIAGES, LÉGERS ET FERREUX
et très solides, ce qui les rend utiles pour les applications aéronautiques et spatiales. L’utilisation des deux matériaux a été limitée en grande partie par le coût et, dans le cas du titane, par les difficultés de traitement.
L’alliage nickel-chrome a joué un rôle important dans le développement du moteur à turbine à gaz dans les années 1930. Cet alliage, composé d’environ 80 % de nickel et de 20 % de chrome, résiste à l’oxydation, maintient sa résistance à haute température et résiste à la fatigue, en particulier à l’encassement.
Il a été constaté plus tard que l’ajout de petites quantités d’aluminium et de titane ajoutait de la résistance par durcissement par précipitation. Plus tard au XXe siècle, ces alliages ont été principalement utilisés dans les éléments chauffants et les composants d’échappement tels que les soupapes d’échappement et les bougies de préchauffage diesel, ainsi que dans les aubes de turbines à gaz.
Le titane pur est à peu près aussi résistant que l’acier, mais près de 50 % plus léger. Lorsqu’il est allié, sa résistance est considérablement augmentée, ce qui le rend particulièrement adapté aux applications où le poids est critique. Le titane a été découvert par le révérend William Gregor de Cornouailles, au Royaume-Uni, en 1791.
Cependant, le métal élémentaire pur n’a été fabriqué qu’en 1910 par le métallurgiste américain Matthew A. Hunter, né en Nouvelle-Zélande. Le métal est resté une curiosité de laboratoire jusqu’en 1946, lorsque William Justin Kroll du Luxembourg a montré que le titane pouvait être produit commercialement en réduisant le tétrachlorure de titane (TiCl4) avec du magnésium. La production de titane métallique jusqu’à la fin du XXe siècle était basée sur cette méthode.
Après la Seconde Guerre mondiale, des études de l’US Air Force ont conclu que les alliages à base de titane étaient potentiellement d’une grande importance. Le besoin émergent d’un rapport résistance/poids plus élevé dans les structures et les moteurs des avions à réaction ne pouvait être satisfait efficacement ni par l’acier ni par l’aluminium.
En conséquence, le gouvernement américain a subventionné le développement de l’industrie du titane. Une fois les besoins militaires satisfaits, la disponibilité immédiate du métal a donné naissance à des opportunités dans d’autres industries, notamment le traitement chimique, la médecine et la production d’énergie.
Le rapport résistance/poids du titane et sa résistance à la plupart des formes de corrosion ont été les principales motivations pour l’utilisation du titane dans l’industrie, remplaçant les aciers inoxydables, les alliages de cuivre et d’autres métaux.
Le principal alliage utilisé dans l’industrie aérospatiale était le titane 6.4. Il est composé de 90 % de titane, 6 % d’aluminium et 4 % de vanadium. Le titane 6.4 a été développé dans les années 1950 et est connu sous le nom de titane de qualité aéronautique. Le titane de qualité aéronautique a une résistance à la traction.
résistance jusqu’à 1030MPa et une valeur de dureté Brinell de 330. Mais la faible ductilité des 6,4 rendait difficile l’extraction dans les tubes, de sorte qu’un alliage plus maigre appelé 3-2,5 (3 % d’aluminium, 2,5 % de vanadium, 94,5 % de titane) a été créé, qui pouvait être traité par des machines spéciales de fabrication de tubes.
En conséquence, pratiquement tous les tubes en titane dans les avions et l’aérospatiale sont constitués d’un alliage 3-2,5. Son utilisation s’est répandue dans les années 1970 aux produits sportifs tels que les manches de golf, et dans les années 1980 aux fauteuils roulants, aux bâtons de ski, aux queues de billard, aux cadres de vélo et aux raquettes de tennis.
Le titane est cher, mais pas parce qu’il est rare. En fait, c’est le quatrième élément métallique structurel le plus abondant dans la croûte terrestre après l’aluminium, le fer et le magnésium. Les coûts élevés de raffinage, les coûts d’outillage élevés et la nécessité de fournir une atmosphère sans oxygène pour le traitement thermique et le recuit expliquent pourquoi le titane a toujours été beaucoup plus cher que les autres métaux structurels.
En raison de ces coûts élevés, le titane a toujours été utilisé dans des applications où son faible poids justifiait cette dépense supplémentaire. À la fin du XXe siècle, l’industrie aérospatiale continuait d’être le principal consommateur d’alliages de titane. Par exemple, un Boeing 747 utilise plus de 43 000 kg de titane.
