METALLURGIE DESCRIPTIVE

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Composites

Cér

amiq

uesPolym

ères

MétalliquesAlliages ferreux

FontesAciers

Alliages non-ferreux

Alliagesd’Aluminium

Alliagesde Cuivre

Alliagesde titane

Les différentes familles de matériaux

Les alliages ferreux représentent encore une très grande proportion dans l’utilisation des alliages métalliques (50% des métaux dans une automobile).


Chapitre IV - Les Alliages de cuivre


Sommaire

Introduction : le cuivre

Désignation des alliages de cuivre

Les principales familles d’alliages de cuivre


Introduction


Le cuivre

Points fort du cuivre

• Premier métal travaillé par l’homme (âge du bronze)

• Le cuivre et ses alliages ont plusieurs atouts les importants sont :

- sa densité élevée (8,9) : voisine de celle du nickel et 3,3 fois celle de l’aluminium

- meilleur conducteur électrique (r = 1,67 mW.cm) et thermique [l = 398 W/(m.K)], après l’argent, mais devant l’aluminium ½ Cu consommé pour applications électriques- son module d’élasticité E = 120 GPa le place, en module relatif (rapporté à la densité), à un niveau deux fois plus faible que l’aluminium, l’acier et le titane

- sa structure cristalline est CFC (a = 0,36 nm) grande ductilité

- la résistance à la corrosion est assez bonne


Le cuivre

• L’apport d’élément d’alliage donne un diagramme binaire Cu-X assez semblable à celui des alliages Al-X (Chap III ), le domaine monophasé α s’étendant jusqu’à la teneur C * à la température T *. Les concentrations limites C * peuvent être élevées.

Domaine monophasé α : teneur maximaleC * à T * et teneur maximale à température ambiante



CuZn39Pb2

symbole chimique du cuivre Symboles chimiques placés dans l’ordre

décroissant de leur teneur en masse suivi de la concentration en % de l’élément d’alliage


N.B.

• Dans certains cas, on note la teneur même si elle est inférieur à 1, en particulier pour différencier deux nuances voisines (exemple CuAg0,05 et CuAg0,1)

• Les alliages à base de cuivre sont appelé cupro-(élément d’alliage principal) exemple CuBe2 = cupro-béryllium, sauf le laiton (Cu-Zn) et les bronzes (Cu-Sn)



Les principales familles d’alliages de cuivre sont :

- le cuivre pur industriel

- les laitons (Cu-Zn)

- les bronzes (Cu-Sn)- les cupronickels (Cu-Ni)

- les alliages Cu-Be

Le cuivre pur industrielLes deux types principaux de cuivre pur sont :

avec 0,02 à 0,06 % d’oxygène (sous forme de globules d’oxyde, Cu2O)

sans oxygène : désoxydé

La présence d’oxygène (sous forme eutectique Cu2O, 0,4 % oxygène)

dans le cuivre raffiné

plus haute conductivité électriqueplus cassant

+avec des traces de phosphore

moins conducteur

mais devient déformable et soudable



Le cuivre pur industriel

Sa structure CFC le rend :

- fortement écrouissable

- bonne ductilité

- résistance mécanique moyenne

Passage de l’état recuit (Rm=230 MPa et A=45 %) à l’état écroui maximal (Rm=350 MPa et A=6 %)

L’apport d’une faible teneur de certains éléments peut être utile :

- la tenue en fluage (Ag)

- l’usinabilité (Te)

- un durcissement structural (Cr)

- la tenue en fatigue et en fluage (Cd)

Usage électrique et électroniques



Les laitons (Cu-Zn)

• Les laitons constituent la famille la plus utilisée. Le zinc est moins cher que le cuivre, etselon la teneur en zinc, on distingue les familles suivantes :

- Les laitons monophasés α

- Les laitons biphasés (α+β)

- Les laitons avec additions

• Diagramme d’équilibre Cu-Zn

- solubilité maximale de 39 % Zn vers 450°Cqui à plus haute et à plus basse T

- Pratiquement, il existe des proportions croissantes de phase β, hors équilibre, pourune teneur en zinc supérieure à 30 %

impossible d’éliminer totalement cette phase pour atteindre 100 % de phase α homogène au-delà de 37 % de zinc

CuZn5 CuZn37

Les laitons α industriels



Les laitons (Cu-Zn)

• CouleursLa teinte rose du cuivre franchement dorée à partir de 10 à 15 % de zinc

puis jaune avec reflets verdâtres vers 30 % de zinc

• Masse volumique, coefficient de dilatation, conductivités électrique et thermique et module d’élasticité



Les laitons (Cu-Zn)

• Déformabilité à chaud

La teneur en impuretés (notamment Pb et Bi) étant sévèrement limitée, les laitons α sont :

- très déformables à chaud- résistance mécanique (nettement plus élevée que celle des laitons riches en b)

limitation importante des passes de laminage ou des rapports de filage

- La température de préchauffage, ~ 750 à 900°C selon le % en zinc, est donc aussi élevée que possible afin de supprimer la phase β, hors équilibre

• Déformabilité à froid

Tous les laitons a renommés pour leur ductilité à froid supportent des réductions de 90 % et plus par laminage ou étirage-tréfilage, et ils se prêtent à des mises en forme par pliage, emboutissage, formage, gravage mécanique (tôles) et forgeage à froid (barres et fils)



Les laitons (Cu-Zn)

• Propriétés mécaniques en fonction de la teneur en Zinc

I : Métal écroui à 10, 20, 70, 150% II : métal recuit présentant des grain Ø 10, 15, 25, 35, 50, 70 m



Les laitons (Cu-Zn)

I : Métal écroui à 10, 20, 70, 150% II : métal recuit présentant des grain Ø 10, 15, 25, 35, 50, 70 m

• Propriétés mécaniques en fonction de la teneur en Zinc



Les laitons (Cu-Zn)

• Laitons α spéciaux pour tenue à la corrosion aqueuse

Certains laitons α sont utilisés sous forme : - de tubes recuits pour les échangeurs thermiques refroidis à l’eau (ex : usine de dessalement et condenseurs principaux de centrales thermiques et de navires)

Sans exception, ces laitons renferment une addition soluble d’arsenic (0,02 à 0,06 %) pour combattre la dézincification (corrosion pernicieuse dissolution sélective du zinc en laissant des zones spongieuses de cuivre)

Nuance simple CuZn30 convient pour des eaux de refroidissement assez pures de lacs et rivières « propres » (pas de pollution solide ni chimique : Cl– < 0,1 % et pH = 7-8)

CuZn29Sn1 (laiton Amirauté ) où l’étain soluble formation d’une couche protectrice Utilisable dans des eaux légèrement polluées de rivières et des estuaires présence de sable ou de vase en suspension ou d’un extrait sec > 0,4 % interdit son usage!

CuZn22Al2 (laiton à l’aluminium) où l’aluminium soluble renforce la tenue de la couche protectrice formée en début de service et confère au tube une bonne résistance à la corrosion-érosion Alliage le plus employé pour les tubes échangeurs refroidis à l’eau de mer polluée ou non



Les bronzes (Cu-Sn)

Désigne les alliages cupro-étains

D’un point de vue normalisation :Désigner à tout alliage contenant au moins 65 % de cuivre (même sans étain)

Appellations courantes :- bronzes d’aluminium cupro-aluminiums- bronzes au silicium cuprosiliciums- bronzes au manganèse laitons HR (haute résistance)

Sn Améliore la résistance à la corrosion



les Cupro-nickels (Cu-Ni)

Ces alliages (contenant jusqu’à 50 % de nickel) sont industriellement importants surtout pour :- leur bonne résistance à la corrosion dans l’eau de mer- leur grande déformabilité à froid avec prise d’écrouissage modérée- leur aptitude au soudage

Très souvent, les alliages industriels comportent des additions mineures de : - manganèse désoxyder et piéger toute trace d’impureté de soufre

améliore nettement leur tenue en eau de mer.

Applications :

- Aquaculture : pour paniers en tôles déployées (élevage de poissons, d’huîtres, etc.)

- Dessalement, centrales thermiques : pour tubes et plaques échangeurs revêtements de grosses conduites pour eau de mer (antifouling )

- Construction marine : conduites d’eau de mer, équipement de plates-formes offshore, revêtement de coques de bateaux, etc

- Construction mécanique : systèmes tubulaires de contrôle hydraulique ou pneumatique devant résister à la corrosion saline ; tubes pour circuit de freinage dans l’automobile

- Monnaie

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