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الجمهوريــــــــــــــــــــــة الجزائريـــــــــــة الديمقراطيـــــــــة الشعب

الجمهوريــــــــــــــــــــــة الجزائريـــــــــــة الديمقراطيـــــــــة الشعبيـــــــة وزارة التعليـــــــــــم العـــــــــــالي و البحـــــــــث العلـــــــمي ـ والتكنولوجيا محمد بوضياف جامعة وهران للعلوم République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur Et de la Recherche Scientifique Université des Sciences et de la Technologie d’Oran Mohamed BOUDIAF Faculté de Génie Mécanique Département des Mines et Métallurgie LES ALLIAGES LEGERS CARACTERISTIQUES ET DOMAINES D’APPLICATION Réalisé par : Sous la direction de KAID MOURAD Mme.K.BOUHRIRA SEMCHA SETTI NOUR EL HOUDA Année universitaire 2019/2020 TABLE DES MATIERES : I. HISTORIQUE :..............................................................................................................1 I.1. Les découvertes du XIXe siècle :.............................................................................1 I.2. Fabrication de l’aluminium :..................................................................................3 II. L’ALUMINIUM :.........................................................................................................5 II.1. Introduction :.........................................................................................................5 II.1.1. Propriétés physiques :.....................................................................................5 II.1.2. Propriétés mécaniques :..................................................................................6 II.1.3. Propriétés de mise en forme :.........................................................................7 II.1.4. Résistance à la corrosion:................................................................................7 II.2. Les alliages d’Aluminium :....................................................................................7 II.3. Diagramme d’équilibre des phases du système binaire Al-Mg :.........................9 II.4. Solidification dans les alliages Al-Mg :...............................................................10 III. DOMAINES D’APPLICATIONS :............................................................................12 III.1 Secteur de construction :.....................................................................................12 III.2 Secteur d’aviation et vaisseaux spatiaux :..........................................................13 III.3 Secteur d’industrie automobile :........................................................................14 III.4 Secteur transformation et emballage des aliments :.........................................14 IV. CONCLUSION :.........................................................................................................14 I. HISTORIQUE : L’apparition de l’aluminium et de ses alliages au début du XXe siècle a été un élément important du développement de l’aéronautique comme en témoigne son utilisation croissante jusqu’à devenir prédominante après la Seconde Guerre mondiale. Dès 1903, le carter du Wright Flyer des frères Wright est en aluminium (Figure 1). Mais le métal pur est encore trop mou pour être utilisé dans la structure des appareils soumis à de fortes contraintes mécaniques. C'est donc seulement avec la mise au point du Duralumin par Alfred Wilm entre 1906 et 1909, que les alliages d'aluminium ont atteint la résistance mécanique suffisante pour être largement utilisés dans la construction aéronautique. Le choix dans l’utilisation à grande échelle industrielle des matériaux solides dépend de plusieurs critères dont les caractéristiques mécaniques et physicochimiques, les caractéristiques de mise en œuvre et économiques avec compatibilité avec l’environnement. Les structures métalliques légères à base d'aluminium et d'alliages d'aluminium sont largement utilisées dans une variété d'applications technologiques et plus spécialement comme matériaux légers de structure dans les domaines aéronautiques et spatiaux, les véhicules motorisés, les industries d'agriculture et domestiques. L'aluminium pur qui se distingue par une bonne conductivité électrique et thermique est trop mou pour la plupart des applications métalliques structurales dures et légères, pour cela il est fréquemment utilisé en alliages comme matériau de base en combinaison avec un ou plusieurs éléments d'alliage simples ou oxydes pour améliorer ses propriétés microstructurales et mécaniques. [1] Figure.I.1 : vol du 17 décembre 1903 du Wright Flyer sur la plage de Kitty Hawk en Caroline du Nord. The United States Library of Congress's Prints and Photographs division. http://loc.gov/pictures/resource/cph.3a53266/. I.1. Les découvertes du XIXe siècle : A l’état naturel, l’aluminium pur n’existe pas. Très abondant dans la nature, ce métal se présente sous forme de silicates, argiles, kaolin, feldspaths, micas, de fluorures, cryolithe, d’oxydes, émeri, corindon, de sulfates, alunite, de chlorures et surtout d’hydroxydes. Après sa découverte en 1808 par le physicien anglais Humphry Davy (1778_1829), l’aluminium fut LES ALLIAGES LEGERS, CARACTERISTIQUES ET DOMAINES D’APPLICATION Page 1 isolé pour la première fois par Friedrich Wöhler en 1827, par action du potassium sur le chlorure d’aluminium. Le chimiste allemand obtint par ce procédé une poudre noirâtre ne présentant aucun intérêt industriel. Après des semaines de labeur, Wöhler obtint le premier kilogramme d’aluminium pur, une bizarrerie comme le canard à trois pattes ou la femme à barbe. On put analyser les propriétés physiques et chimiques du nouveau corps. Chimiquement pur, ce métal, possède une densité inhabituelle : 2,7. Trois fois moindre que le fer ! Plus tard, on isole le silicium et le magnésium, encore plus légers, deux produits qui n’existent pas non plus à l’état pur dans la nature. [2] Figure.I.2 : Friedrich Wöhler (1800-1882). Disciple de Marcelin Berthelot, le chimiste français Henri Saint-Claire Deville, dans son laboratoire de l’Ecole Normale Supérieure à Paris, prépara en 1854 de l’aluminium en quantité, susceptible d’être utilisable industriellement. Son procédé consistait à partir du chlorure double d’aluminium qu’il attaquait par du sodium. Jusqu’en 1886, cette méthode de laboratoire fut sa seule utilisée pour produire de l’aluminium. Selon le procédé de Saint-Claire Deville, une exploitation industrielle commence en 1856 dans un usine située à Paris, quai de Javel, puis à Nanterre. On y produit chaque année quelques kilos d’aluminium, 500 kg en 1860, 742 kg en 1861. Quand en 1860 l’ingénieur Berthier ouvre l’usine de Salindres (Gard), berceau de la Compagnie d’Alès, Froges et Camargue, la production augmente sensiblement, pour atteindre 4 150 kg en 1888. Ces trois usines en France sont pendant trente ans les seules à produire. La bauxite d’où on tire l’aluminium doit son nom à la localité des Baux de Provence, près d’Arles où le minerai d’hydroxyde d’alumine fut découvert en 1821 par Berthier. Cet hydrate d’alumine impur (Al2O3, nH2O) contient de l’alumine, de la silice, de l’oxyde de fer et de l’acide titanique. Le 23 avril 1886, le jeune chimiste français Paul Louis Toussaint Héroult (1863- 1914) dépose un brevet permettant d’obtenir de l’aluminium par un nouveau procédé, l’électrolyse de l’alumine dissoute dans la cryolithe, en même temps que l’Américain Charles Martin Hall LES ALLIAGES LEGERS, CARACTERISTIQUES ET DOMAINES D’APPLICATION Page 2 (1863-1914) utilisant le même procédé. En deux ans, dans toute l’Europe, aux Etats-Unis et au Canada des brevets sur les procédés d’obtention de l’aluminium sont déposés. En 1887, Carl-Joseph Bayer fait breveter un procédé de transformation du minerai de bauxite et alumine. A partir de 1890, toute l’Europe produit le métal précieux, la France dans différentes usines dans l’Isère (Société Electrométallurgique Française), en Suisse aux usines de Martigny, Chippis et Neuhausen, aux Etats-Unis, dans les usines de Badin, Tennessee, Alcoa, Niagara-Falls et Massena, en Allemagne dans les usines de Lauta (Lautawerke) et Grevenbroich (Erftwerk), en Angleterre à Dollgarog en Ecosse à Kinlochleven, en Italie dans les usines de Mori, Borgofranco et Porto-Marghera. A partir de 1890, la production mondiale fait un bond en avant spectaculaire et le prix au kilo s’effondre (Tableau .I.1). [3] Tableau I.1 : Production mondiale d’aluminium. (Source : Larousse de l’industrie). En 1930, moment où la construction d’avions passe au tout métal, les pays qui produisent l’aluminium sont, par ordre d’importance les Etats-Unis (90 000 tonnes), le Canada (35 000 tonnes), la France (32 000 tonnes), l’Allemagne (30 000 tonnes), la Norvège (25 000 tonnes) et la Suisse (20 000 tonnes). La France où cette industrie est née n’occupe plus que la troisième place. I.2. Fabrication de l’aluminium : La seule méthode utilisée entre 1900 et 1930, c’est-à- dire lors de l’essor de la construction aéronautique, nécessite deux phases, qui sont réparties entre les usines : la transformation de la bauxite et alumine pure, d’une part, réalisée dans des usines situées près des mines d’extraction de la bauxite, ravitaillées par des wagonnets, et ensuite la phase d’électrolyse de cette alumine dissoute dans un bain de cryolithe fondue. Cette seconde opération s’effectue dans des usines placées près des sources d’énergie. Entre les deux types d’usines, le minerai doit être transporté par rail. Cette contrainte fait que les usines ne peuvent pas être implantées partout (Figure I.3). LES ALLIAGES LEGERS, CARACTERISTIQUES ET DOMAINES D’APPLICATION Page 3 Figure .I.3 : Coulée de l’aluminium fondu, 1924. (Source : Larousse de l’industrie). La méthode de Saint-Claire Deville est abandonnée peu à peu entre 1900 et 1930 au profit de la méthode Bayer, plus simple, moins dangereuse et surtout moins coûteuse. Dans les deux procédés, l’alumine est mise en solution aqueuse, sous forme d’aluminate de sodium, tandis que les principales impuretés demeurent insolubles et sont séparées par filtration : le fer est extrait sous forme d’oxyde, la silice sous forme de silicate double d’aluminium et de sodium. Cette dernière, si elle est trop présente dans le minerai, le déprécie fortement. Après son extraction, il faut donc « préparer » l’aluminium. Le danger vient de la manipulation de produits dangereux, toxiques, très combustibles (le sodium et l’aluminium sont très combustibles), dans des fours électriques géants, portés à des températures élevées. Dans le procédé Deville, la bauxite est attaquée par le carbonate de sodium en four à réverbère, à la température du rouge (350°C), et le résultat de l’attaque est mis en solution dans l’eau, puis filtré. La solution d’aluminate de sodium est enfin décomposée par un bain d’acide carbonique provenant de la décomposition du carbonate de chaux ; l’alumine filtrée est calcinée. [4] LES ALLIAGES LEGERS, CARACTERISTIQUES ET DOMAINES D’APPLICATION Page 4 II. L’ALUMINIUM : II.1. Introduction : L’aluminium est présent en grande quantité dans la croûte terrestre, avec une masse de minerai représentant 8%, après l’oxygène (46.71%) et le silicium (27.69%), et devant le fer (5.05%). Mais il n’existe pas de métal pur toujours il y’a des éléments étranges ou des impuretés. Il est difficiles d’avoir un dégrée de pureté dépassant 99.9999%. Pour obtenir des matériaux ayant des caractéristiques précises, habituellement les métaux obtenus par alliage ont des meilleures propriétés mécaniques et ils résistent mieux à la corrosion. Ces types d’alliages jouent un rôle très uploads/Industriel/ alliages-legers.pdf