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1 COUR AMTT METALLOGRAPHIE DE L’ALUMINIUM ET DE SES ALLIAGES Sommaire 1. Introd

1 COUR AMTT METALLOGRAPHIE DE L’ALUMINIUM ET DE SES ALLIAGES Sommaire 1. Introduction 2. Elaboration de l’aluminium 3. Structure et propriétés de l’aluminium 4. Classification des alliages d’aluminium 5. Désignation des alliages d’aluminium 6. Alliages de corroyage 7. Alliages à durcissement par écrouissage 8. Alliages à durcissement par traitements thermiques 1. INTRODUCTION L'aluminium est un métal brillant, blanc-argent, caractérisé par sa faible densité, ses hautes conductibilités électrique et thermique et sa résistance aux agents chimiques. L'aluminium est le métal le plus répandu dans la croûte terrestre, dont il constitue environ 7,3 %. Cependant il ne s'y trouve pas à l'état métallique, mais sous forme de combinaisons, le plus souvent avec l'oxygène et le silicium. Le total de ces combinaisons est environ 15 % de la croûte terrestre. Il y a un peu plus de cent ans, en 1825-27, le chimiste danois-Oerstedt et le savant allemand Wöhler réussirent à isoler de l'aluminium sous sa forme métallique. Le Français Sainte Claire Deville fut le premier à reconnaître l'importance industrielle de l'aluminium et s'efforça de découvrir un procédé de fabrication industrielle d'après le système Wöhler. Mais ce ne fut qu'après la découverte de la dynamo que le procédé d'extraction de l'aluminium par électrolyse fut pratiquement mis au point vers 1880, simultanément et indépendamment, par le Français Paul Hèroult en Europe et par le chimiste Hall en Amérique. La production mondiale d'aluminium, qui était de 7000 t. en 1900, approchait de 50,000 t. en 1910 déjà et atteignait en 1917, pendant la première guerre mondiale, le point culminant de 170,000 t. Le tiers fut fabriqué en Europe. Après une certaine baisse dans les années d'après- guerre, la production montait de nouveau à près de 300,000 t. en 1930, pour retomber ensuite à environ la moitié pendant la crise économique mondiale de 1933. Les années de réarmement qui ont précédé la guerre et la deuxième guerre mondiale apportèrent une progression considérable de la production qui s'éleva à plus de 2 millions de tonnes pendant les années de 1943 et 1944. Durant la guerre des usines gigantesques ont été construites principalement aux Etats-Unis et au Canada. L'une d'entre elles seule pouvait produire 450,000 t. par an. La production mondiale d'aluminium doit actuellement dépasser 1 million de tonnes. 2 2. ELABORATION DE L’ALUMINIUM L’aluminium est un métal très répandu dans l’écorce terrestre mais à l’état disséminé. Il existe sous forme d’un minerai appelé Bauxite. La composition type de la bauxite est : Al2O3 45 - 65 % Fe2O3 20 - 30 % SiO2 3% TiO2 2% H2O 12% L’élaboration de l’aluminium, à partir de la bauxite, se fait en deux étapes : Première étape : Production de l’alumine Al2O3 à partir de la bauxite par par le procédé Bayer. Le procédé consiste en un broyage des roches suivi d’une attaque par une solution de soude qui permet d’obtenir une solution d’aluminate de soude. Une dissolution de la solution dans un autoclave à 250°C sous 40 bars permet de séparer la solution d’aluminate des résidus insolubles (oxydes de fer, de silicium, de titane, de vanadium,..). Par hydrolyse on obtient une solution d’hydrate d’aluminium Al(OH)3 qui est filtrée pour obtenir une poudre blanche. La calcination de l’hydrate d’aluminium à 1300°C donne de l’alumine Al2O3 en poudre blanche de pureté 99.5 à 99.7%. Il faut 2 tonnes de bauxite pour obtenir une tonne d’alumine. Deuxième étape : Production de l’aluminium à partir de l’alumine La réaction de production est Al2O3 2 Al + 3 O2. Cette opération se fait par électrolyse dans un bain de sel de cryolithe (Na3 Al F6) à 1000°C. Les conditions électriques sont : tension 6V intensité 100000 à 200000 A. L’aluminium se dépose sur la cathode et l’oxygène se dégage au voisinage des anodes en Coke pour former le CO2 3 3. STRUCTURE ET PROPRIETES DE L’ALUMINIUM 3.1. Structure de l’aluminium L’aluminium est un métal blanc brillant argenté de bel aspect décoratif. Il se distingue par sa légèreté et par sa grande affinité pour l’oxygène ce qui explique la formation d’une couche d’oxyde d’aluminium à sa surface. L’aluminium possède une structure cubique à faces centrées avec un paramètre de maille de 0.405 nm à 298 °K. La structure micrographique de l’aluminium est présentée dans la figure1 Figure 1 : Structure micrographique de l’aluminium 3.2. Propriétés physiques de l’aluminium L’aluminium se distingue par sa légèreté (masse volumique faible) et ses très bonnes conductivités électrique et thermique. Les caractéristiques physiques de l’aluminium sont : - Masse volumique : 2698.7 Kg/ m3 - Température de fusion : 660 °C. - Conductivité thermique : 217.6 W/ m.K - Résistivité électrique : 2.63  Ω cm - Coefficient de dilatation linéaire 2.55 10 – 5 °C-1 - Matériau amagnétique - Pouvoir réflecteur élevé 4 3.3. Propriétés mécaniques de l’aluminium L’aluminium est un métal ductile et très malléable, Il se distingue par un allongement élevé et des caractéristiques de résistance mécaniques faibles (résistance à la rupture, limite élastique et dureté). On peut donner les ordres de grandeur suivants : – limite d’élasticité Rp : 0,2; 20 à 35 N/mm2 ; – résistance à la traction; Rm : 65 à 90 N/mm2 ; – allongement à rupture; Ar : 23 à 43 %. Les caractéristiques mécaniques de l'aluminium pur sont faibles, comme pratiquement celles de tous les métaux purs. Pour de nombreux emplois il est nécessaire de recourir à des alliages d’aluminium présentant des caractéristiques mécaniques plus élevées. 3.3. Résistance à la corrosion La très bonne tenue à la corrosion de l’aluminium et de ses alliages est due à la présence permanente sur le métal d’un film continu d’oxyde d’aluminium Al2O3, appelé «alumine» qui le rend passif à l’environnement. Ce film se forme dès que le métal est mis au contact d’un milieu oxydant : l’oxygène, l’air, l’eau. Il se reforme instantanément au contact de l’air lors des opérations de mise en forme : pliage, découpage, perçage et même lors du soudage. Son épaisseur est comprise entre 5 et 10 nanomètres. L’aluminium est sensible à certaines types de corrosion comme la corrosion par piqûre, la corrosion sous tension, la corrosion inter granulaire. La corrosion par piqure se produit sur des zones très restreintes de la surface de l’aluminium. Dans ces zones, la couche passive ne joue plus son rôle protecteur. Cette corrosion se caractérise par l’apparition de fines perforations après une phase d’amorçage qui peut être plus ou moins longue. Là où survient la corrosion par piqûres, il y a rupture de la couche passive. 4. ALLIAGES D’ALUMINIUM 4.1. Alliages de fonderie Les alliages d'aluminium pour fonderie, dont le constituant principal est l’aluminium, sont destinés à être transformés par des techniques de fonderie (moulage sable, coquille, sous pression). Ces alliages sont parfois qualifiés de fonte d'aluminium en raison du mode d'obtention. La famille des alliages de fonderie comprend quatre groupes : 4.1.1. Alliages Aluminium – Cuivre (série 20000) 4.1.2. Alliages Aluminium – Silicium (Série 40000) 4.1.3. Alliages Aluminium – Magnésium (Série 50000) 4.1.4. Alliages Aluminium – Zinc (Série 70000) 5 Le rôle des éléments d’addition sur les propriétés de l’aluminium se présente de la manière suivante : 4.1.5. L’aluminium confère la légèreté, la ductilité et la résistance à la corrosion et à l’oxydation. 4.1.6. Le silicium améliore la coulabilité. 4.1.7. Le cuivre, le zinc et le magnésium améliorent les propriétés mécaniques. 4.2. Alliages de corroyage Les alliages d'aluminium pour corroyage sont des alliages à base d'aluminium destinés pour la majorité à être transformés par des techniques de fabrication mécanique : (laminage, filage, matriçage, forge, etc.). Les alliages pour corroyage sont destinés pour fabriquer des brut laminés ou étirés (barres, plats, profilés) ; Les alliages d'aluminium destinés à être corroyés peuvent être classés en huit séries selon le principal élement d’alliage (tableau1). Tableau 1 : Familles d’alliages d’aluminium de corroyage Série Désignation Elément d’addition principal 1000 1xxx 99% Al minimum 2000 2xxx Cuivre 3000 3xxx Manganèse 4000 4xxx Silicium 5000 5xxx Magnésium 6000 6xxx Magnésium et Silicium 7000 7xxx Zinc 8000 8xxx Autre élément Les alliages de corroyages sont répartis en deux groupes en fonction du type de transformation ou de traitement qui permettront d'obtenir les caractéristiques mécaniques (durcissement) : Alliages à durcissement par écrouissage et alliages à durcissement par traitement thermique (tableau2). Tableau 2 : Classification des alliages de corroyages selon le type de durcissement Alliages trempants à durcissement par traitement thermique Alliage à durcissement par écrouissage sans traitement thermique Série 2000 (Al-Cu) 6000 (Al-Si-Mg) 7000 (Al-Zn-Mg) 1000 (Al) 3000 (Al – Mn) 4000 (Al – Si) 5000 (Al – Mg) Les propriétés mécaniques de l’aluminium peuvent être modifiées avec l'addition d'autres métaux, notamment le cuivre, le magnésium, le manganèse, le silicium et le zinc, formant ainsi des alliages. Ces éléments forment des composés intermétalliques : 6 (Al2Cu, Mg2Si, Mg Zn2,..). phases dures qui précipitent par traitements thermiques et qui confèrent à l’alliage une bonne résistance mécanique. Le titane est ajouté dans certains alliages pour affiner le grain et améliorer les propriétés mécaniques. Certains éléments sont présents dans l'alliage sans qu'ils y aient été ajoutés volontairement : ce sont les impuretés dont uploads/Industriel/ aluminium-1.pdf