Caractéristiques des composants d'un alliage métallique


Caractéristiques des composants d'un alliage métallique

Messagede Metal Connexion » Mar 30 Mar 2010 17:20

Baptor, dans un sujet relatif au maillechort, a précisé l'influence et les caractéristiques des composants d'un alliage métallique... après la mise en garde suivante :
En général, il faut savoir que l'on ne peut pas considérer les éléments séparément, car leur effet est souvent du a des effets combinés (ex : précipités).


L'aluminium (Al) - Point de fusion à 658 degrés C
Il s'agit du plus puissant agent de désoxydation et de dénitruration, lequel est très fréquemment employé; il a donc aussi une influence très positive sur la sensibilité au vieillissement. Ajouté en petites doses, il favorise la constitution de grains fins. L'aluminium combiné à l'azote forment des nitrures d'une dureté élevée. Il sert généralement d'élément d'alliage dans les aciers nitrurés. Il accroît l'inoxydabilité à chaud et est donc fréquemment ajouté aux aciers ferritiques réfractaires. Dans le cas des aciers au carbone l'inoxydabilité à chaud peut être améliorée en introduisant de l'aluminium dans la surface. L'aluminium réduit fortement la zone g .

Arsenic (As)
- Point de fusion à 817 degrés C.
Il rétrécit la zone g et endommage l'acier car affichant une forte tendance à la ségrégation, au même titre que le phosphore. Il aggrave en outre la fragilité au revenu, abaisse fortement la ténacité et porte préjudice à la soudabilité.

Bore (B) - Point de fusion à 2300 degrés C
Le bore accuse une moyenne élevée d'absorption des neutrons, on l'allie donc aux aciers destinés aux régulateurs et blindages d'installations nucléaires. A l'aide du bore et en procédant à des trempes par durcissement structurel, les aciers austénitiques 18/8 Cr Ni peuvent voir leur limite apparente d'élasticité et leur résistance s'accroître, la résistance à la corrosion allant toutefois en régressant. Les précipitations engendrées par le bore améliorent les propriétés de résistance, aux températures élevées, des aciers austénitiques résistant au fluage à grandes températures. Dans les aciers de construction, cet élément améliore la trempe homogène et génère ainsi une augmentation de la résistance à cœur des aciers de cémentation. Une réduction de la soudabilité est inévitable dans les aciers alliés au bore.

Béryllium (Be) - Point de fusion à 1280 degrés C
Des ressorts hélicoïdaux pour montres, à peine magnétisables et supportant des alternances de charge beaucoup plus élevées que les ressorts en acier sont confectionnés à partir d'alliage de Cu-Be. Les alliages en Ni-Be sont très durs et résistent à la corrosion; ils servent à fabriquer des instruments chirurgicaux. Le Be autorise des trempes par précipitation, ce qui diminue toutefois la ténacité; fortement désoxydant, grande affinité avec le soufre.

Carbone (C) - Point de fusion à 3540 degrés
Principal élément d'alliage de l'acier, le carbone est aussi celui ayant la plus grande influence. En plus du carbone, chaque acier non allié reçoit du silicium, du manganèse, du phosphore et du soufre, qui pénètrent inopinément lors de la production. L'addition d'autres éléments d'alliage servant à obtenir des effets particuliers, ainsi que l'augmentation voulue de la teneur en manganèse et silicium se traduisent par la fabrication d'un acier allié. La résistance et l'aptitude à la trempe de l'acier augmentent au fur et à mesure que la teneur en C s'accroît, alors que l'allongement, l'aptitude au forgeage, au soudage et à l'usinage (au moyen d'outils enlevant des copeaux) régressent. La résistance à la corrosion provoquée par l'eau, les acides et les gaz chauds n'est pratiquement pas influencée par les carbones.

Calcium (Ca) - Point de fusion à 850 degrés C
Employé conjointement au Si sous forme de silico-calcium pour les besoins de la désoxydation. Le Ca augmente l'inoxydabilité à chaud des matériaux entrant dans la composition des conducteurs de chauffage.

Cérium (Ce) - Point de fusion à 775 degrés C
Il possède un effet de nettoyage, car fortement désoxydant et améliorant la désulfuration; il est généralement utilisé sous forme de métal de mélange parallèlement au lanthane, néodyme, praséodyme et d'autres métaux terreux rares. Il favorise partiellement la déformabilité à chaud dans les aciers hautement alliés et améliore l'inoxydabilité à chaud dans les aciers réfractaires. Les alliages de Fe-Ce contenant environ 70% de Ce sont pyrophoriques (pierres d'ignition).

Cobalt (Co) - Point de fusion à 1492 degrés C
Le cobalt ne constitue pas de carbures; il freine la croissance du grain à températures élevées et améliore fortement la résistance au revenu et la ténacité à chaud, il est donc souvent utilisé comme élément d'alliage dans les aciers rapides, les aciers de travail à chaud, les matériaux résistant aux températures élevées et très élevées. Il favorise la constitution du graphite. Il accroît dans de larges proportions la rémanence, la force coercitive et la conductivité thermique; il devient donc l'élément de base pour les aciers et les alliages à aimant permanent de très grande qualité.
Soumis à un bombardement neutronique, l'isotope 60Co fortement radioactif se constitue, c'est la raison pour laquelle le Co est indésirable dans les aciers destinés aux réacteurs atomiques.

Chrome (Cr) - Point de fusion à 1920 degrés C
Le chrome rend l'acier trempable à l'huile et à l'air. En abaissant la vitesse de refroidissement critique indispensable à la formation martensitique, il augmente la trempabilité et améliore donc l'aptitude au revenu. Il s'en suit toutefois une régression de la résilience mais ne diminue que peu l'allongement. Dans les aciers au chrome exclusivement, la soudabilité régresse au fur et à mesure que la teneur en Cr s'accroît. La résistance à la traction de l'acier monte d'environ 8O-100 N/mm2 par 1% Cr. Le Cr est générateur de carbure. Ses carbures améliorent la tenue en coupe et la résistance à l'usure. Il favorise la résistance à chaud et la ténacité à l'hydrogène sous pression. Alors que des teneurs en Cr plus élevées augmentent l'inoxydabilité à chaud, une teneur minimum d'environ 13% de chrome est nécessaire pour la résistance à la corrosion des aciers, lequel doit être dissout dans la masse de base. L'élément exerce une striction sur la zone g et élargit ainsi la zone ferritique; il stabilise toutefois l'austénite des aciers austénitiques Cr-Mn et Cr-Ni. Il réduit la conductivité thermique et de la conductibilité électrique. La dilatation à chaud régresse (alliages pour fusion du verre). Avec un pourcentage de carbone simultanément plus élevé, des teneurs plus fortes en Cr on accroît jusqu'à 3% la rémanence et la force coercitive.

Cuivre (Cu) - Point de fusion à 1084 degrés C
Le Cu n'est allié qu'à peu de nuances d'acier, car il s'enrichit sous la couche de calamine et provoque, suite à une pénétration dans la limite du grain, une grande sensibilité en surface lors des processus de transformation à chaud, ce qui fait qu'il est partiellement considéré comme une substance parasite pour l'acier. La limite d'élasticité et le rapport entre la limite d'élasticité et la résistance augmentent. Des teneurs supérieures à 0,30% peuvent entraîner des durcissements structuraux. La trempabilité est améliorée. Le cuivre n'a aucune incidence sur la soudabilité. Dans les aciers non alliés et faiblement alliés, le Cu provoque une notable amélioration de la résistance aux intempéries. Une teneur en Cu supérieure à 1% améliore la résistance à l'acide muriatique et sulfurique dans les aciers hautement alliés.

Hydrogène (H) - Point de fusion à -262 degrés C
C'est un parasite de l'acier, car engendrant une fragilisation par réduction de l'allongement et de la striction sans accroissement de la limite d'élasticité et de la résistance à la traction. Il est à l'origine de la floculation, qui est redoutée, et favorise l'apparition des veines sombres. L'hydrogène atomique généré lors du décapage produit des bulles pénétrant dans l'acier. L'hydrogène humide décarbure à haute température.

Magnésium (Mg) - Point de fusion à 657 degrés C
Favorise dans la fonte moulée la formation de graphite modulaire.

Manganèse (Mn) - Point de fusion à 1221 degrés C
Le Mn lie le soufre sous forme de sulfures de Mn et réduit ainsi l'influence négative du sulfure de fer. Ce qui donne une importance primordiale dans le cas de l'acier de décolletage; le danger de rupture au rouge s'en trouve réduit. Le Mn réduit très fortement la vitesse critique de refroidissement et augmente ainsi la trempabilité. La limite d'élasticité et la résistance sont accrues par une addition de Mn, lequel a en outre une influence favorable sur l'aptitude au forgeage et au soudage tout en augmentant beaucoup la profondeur de pénétration de la trempe. Des teneurs supérieures à 4% se traduisent, même en cas de refroidissement lent, par la constitution d'une structure martensitique fragile. Avec parallèlement une teneur en C élevée, les aciers avec des teneurs en Mn dépassant 12% sont austénitiques car Mn élargit considérablement la zone g . Leur surface étant soumise à des chocs, l'écrouissage de ces aciers devient très élevé, alors que le cœur demeure tenace; ils sont donc très résistants à l'usure due à des chocs. Les aciers avec des teneurs en Mn à partir de 18% ne sont pas magnétisables même après un écrouissage relativement important et sont donc utilisés comme aciers spéciaux et aciers tenaces à froid destinés à des sollicitations à basses températures. Le Mn fait monter le coefficient de dilatation thermique, alors que la conductivité thermique et conductibilité électrique baissent.

Molybdène (Mo) - Point de fusion à 2622 degrés
Le Mo est le plus souvent allié avec d'autres éléments. Sa trempabilité s'améliore en diminuant la vitesse de refroidissement critique. Le Mo réduit dans de larges proportions la fragilité au revenu, par exemple dans le cas des aciers Cr-Ni et Mn, il favorise la formation du grain fin et se répercute en outre favorablement sur la soudabilité. Il accroît la limite d'élasticité et la résistance. L'aptitude au forgeage est moins bonne avec une forte teneur en Mo. Puissant générateur de carbures; d'où une amélioration des propriétés au découpage sur les aciers rapides. Il appartient à cette catégorie d'éléments accroissant la résistance à la corrosion et est donc fréquemment mis en œuvre dans les aciers Cr hautement alliés et des aciers Cr-Ni austénitiques; de fortes teneurs en Mn atténuent la sensibilité à la corrosion perforante. Très forte striction de la zone g ; augmentation de la résistance à chaud, régression de l'inoxydabilité à chaud.

Azote (N) - Point de fusion à -210 degrés C
Cet élément peut se manifester aussi bien sous forme de parasite de l'acier que d'éléments d'alliage. Nocif car réduisant la ténacité par l'intermédiaire des processus de trempe par précipitation, provoquant une sensibilité au vieillissement et à la fragilité au bleu (déformation dans les zones de la chaleur bleue de 300-350 degrés C) ainsi qu'à cause d'une possibilité de déclenchement d'une corrosion intercristalline fissurante sous contrainte dans les aciers non alliés et faiblement alliés. En tant qu'élément d'alliage, N élargit la zone et stabilise la structure austénitique; dans les aciers austénitiques, accroît la résistance et, en premier lieu, la limite d'élasticité ainsi que les propriétés mécaniques à chaud. N permet d'obtenir une dureté superficielle élevée suite à la constitution de nitrures lors du processus de nitruration.

Niobium / Columbium (Nb/Cb) et Tantale (Ta) - Point de fusion à 1950 degrés pour le Niobium / Columbium - Point de fusion à 3030 degrés pour le Tantale
Ces éléments se manifestent presque toujours ensemble et sont très difficiles à séparer; d'où une utilisation parallèle généralement. Très puissants générateurs de carbures, donc servant essentiellement de stabilisateurs pour les aciers résistant aux substances chimiques. Il s'agit de deux éléments générateurs de ferrite réduisant donc la zone g . Suite à une augmentation de la résistance à chaud et au fluage sous l'effet du Nb, il est souvent allié aux aciers austénitiques résistants aux hautes températures et destinés à la construction de chaudières. Ta est caractérisé par une forte section d'absorption des neutrons; seul du Nb pauvre en Ta entre en ligne de compte pour les aciers des réacteurs nucléaires.

Nickel (Ni) - Point de fusion à 1453 degrés
Il entraîne dans les aciers de construction une importance substantielle de la résilience, même à basse température et est donc utilisé comme élément d'alliage pour accroître la ténacité des aciers de cémentation, de traitement par trempe et revenu et tenaces à froid. Les points de conversion (A1 - A4) sont abaissés par le Ni; il n'est pas générateur de carbures. Suite à une forte extension de la zone g , le Ni administré en teneurs supérieures à 7% confère aux aciers à haute teneur en Cr et résistant aux substances chimiques une structure austénitique bien en dessous de la température ambiante. Même ajouté en pourcentages élevés, le Ni seul rend l'acier peu sensible à la rouille, mais cela se traduit toutefois par une bonne résistance à l'influence des substances chimiques réductrices dans les aciers austénitiques. Cr-Ni; la résistance de ces aciers aux substances oxydantes est obtenue par le Cr. A des températures supérieures à 600 degrés C, les aciers austénitiques possèdent une résistance à chaud plus élevée du fait que leur température de recristallisation atteint un niveau important; ils ne sont pratiquement pas magnétisables. La conductivité thermique et la conductibilité électrique se trouvent fortement réduites. De fortes teneurs en Ni à l'intérieur de plages d'alliage exactement délimitées débouchent sur des aciers physiques caractérisés par des propriétés physiques bien déterminées, par exemple une faible dilatation thermique.

Oxygène (O) - Point de fusion à -218,7 degrés C
Parasite de l'acier; pour ce qui est de son influence spécifique, la nature et la composition de ses combinaisons dans l'acier ainsi que la forme et la répartition de celles-ci jouent un rôle essentiel. Les propriétés mécaniques, la résilience en premier lieu, spécialement dans le sens transversal, s'en trouve réduite, alors que la tendance à la fragilité due au vieillissement, la rupture au rouge, la rupture de structures fibreuses et schisteuses sont aggravées.

Phosphore (P) - Point de fusion à 44 degrés C
Il est considéré le plus souvent comme parasite de l'acier, car le P entraîne de fortes ségrégations primaires lors de la solidification du bain liquide et une possibilité de ségrégations secondaires à l'état solide suite à une forte striction de la zone g . Suite à une vitesse de diffusion relativement faible, aussi bien en phase homogène a - que g , les ségrégations survenues ne peuvent être que difficilement compensées. Etant donné qu'il est presque impossible d'obtenir une répartition homogène du P on essaye donc de maintenir sa teneur très basse et on s'efforce de ne pas dépasser un seuil supérieur de 0.03 -0.05% dans le cas des aciers de grande qualité. L'ampleur des ségrégations ne peut pas être déterminée à coup sûr. Même avec des teneurs extrêmement réduites, le P augmente la sensibilité à la fragilité au revenu. La fragilisation du P s'accroît au fur et à mesure que la teneur en C augmente, avec l'augmentation de la température de trempe, avec la taille du grain et avec la réduction du taux de corroyage. La fragilisation se manifeste sous forme de "fragilité à froid" et de sensibilité aux chocs (tendance à la rupture de fragilité). Dans les aciers de construction faiblement alliés avec des teneurs en C d'environ 0,1%, le P augmente la stabilité et la résistance de la corrosion dues aux influences atmosphériques; le Cu favorise l'amélioration de la résistance à la corrosion (aciers peu sensibles à la corrosion). Des additions de P peuvent entraîner des augmentations de la limite d'élasticité dans les aciers austénitiques Cr-Ni et provoquer des effets de trempe par précipitation.

Plomb (Pb) - Point de fusion à 327,4 degrés C
Il est ajouté aux aciers de décolletage dans des teneurs d'environ 0,2-0.5%, car sa répartition extrêmement fine, telle une suspension, permet l'obtention de copeaux courts et de coupes propres, donc une meilleure aptitude à l'usinage. Les teneurs en plomb indiquées n'influencent pratiquement pas les propriétés mécaniques des aciers.

Soufre (S) - Point de fusion à 118 degrés C
De toutes les impuretés de l'acier, c'est le soufre qui génère les plus fortes ségrégations, le sulfure de fer entraîne une rupture au rouge respectivement à chaud car les eutectiques de sulfure à point de fusion bas constituent une structure réticulaire autour des grains, d'où une cohésion réduite de ces derniers, les limites de grains ayant donc très fortement tendance à se rompre lors de la déformation à chaud; un phénomène encore amplifié par l'oxygène. Le soufre possédant une affinité particulièrement marquée à l'égard manganèse, on le lie donc sous forme de sulfure de Mn, étant donné que celui-ci est le moins dangereux parmi toutes les inclusions habituelles; il est diffusé ponctuellement dans l'acier et se distingue par un point de fusion élevé. La ténacité transversale est nettement réduite par S. S est intentionnellement ajouté jusqu'à 0,4% aux aciers de décolletage car son effet de lubrification sur le tranchant de l'outil réduit la friction entre la pièce à usiner et l'outil, d'où une plus grande longévité. Les copeaux sont en outre plus courts lors de l'usinage des aciers de décolletage soumis à ce procédé. S amplifie la tendance aux criques de soudure.

Antimoine (Sb) - Point de fusion à 630 degrés C
Il est nocif pour l'acier, car réduit fortement en général sa ténacité; striction de la zone g .

Sélénium (Se) - Point de fusion à 217 degrés C
L'utilisation identique à S dans les aciers de décolletage, en améliorant encore plus efficacement l'aptitude à l'usine. Dans les aciers résistant à la corrosion, il réduit l'inaltérabilité moins que S.

Silicium (Si) - Point de fusion à 1414 degrés C
De même que le manganèse, le Si est contenu dans tous les aciers. Ne serait-ce que pour la simple raison que les minerais de fer en recèlent déjà plus ou moins selon leur composition? En outre, lors de la production d'acier, le bain liquide en absorbe lorsqu'il se détache des garnissages réfractaires des fours. Mais seul sont dénommés aciers au silicium ceux dont la teneur en Si excède 0,40%. Si n'est pas un métal, mais un métalloïde, au même titre par exemple que le phosphore et le soufre. Si désoxyde. Il favorise la séparation du graphite et réduit fortement la zone g , accroît la stabilité et la résistance à l'usure (aciers de traitement Si-Nm); forte augmentation de la limite d'élasticité, donc élément d'alliage judicieux dans les aciers pour ressorts. Si augmente considérablement l'inoxydabilité à chaud, une raison pour laquelle les aciers réfractaires sont alliés au moyen de celui-ci. Les teneurs possibles sont toutefois limitées car portant préjudice à la déformabilité à chaud et à froid. Une résistance presque intégrale aux acides est atteinte avec 12% de Si, mais de telles nuances ne sont réalisables que sous forme d'acier moulé très dur et fragile, ne pouvant être usiné que par rectification. Si est utilisé dans les aciers pour tôles électriques en raison d'une importante réduction de la conductibilité électrique, de la force coercitive et de pertes en watt.

Etain (Sn) - Point de fusion à 231,8 degrés C
Parasite de l'acier, car s'enrichissant comme le Cu sous la couche de calamine pénètre le long des limites du grain et provoque des fissures ainsi qu'une fragilité au brasage. Sn est sujet à d'importantes ségrégations et génère une striction de la zone g .

Titane (Ti) - Point de fusion à 1727 degrés C
Il possède un puissant effet désoxydant et dénitrurant en raison de sa grande affinité avec l'oxygène, l'azote, le soufre et le carbone, il lie le soufre et fortement les carbures. Largement utilisé dans les aciers résistant à la corrosion comme générateur de carbures afin de stabilisation face à la corrosion intercristalline; il possède en outre des propriétés affinant le grain. Ti entraîne une très forte striction de la zone g . Administré dans des teneurs élevées, il se traduit par des phénomènes de précipitation et est ajouté aux alliages des aimants permanents à cause d'une force coercitive élevée. Engendrant des nitrures particuliers, Ti accroît la résistance au fluage. Ti possède toutefois une forte tendance à la ségrégation et à la formation de bandes.

Vanadium (V) - Point de fusion à 1726 degrés C
Il affine le grain primaire donc la structure de coulée; puissant générateur de carbures, d'où accroissement de la résistance à l'usure, de la tenue en coupe et à la chaleur; de ce fait, utilisation privilégiée comme composant additionnel d'alliage dans les aciers rapides, de travail à chaud et résistant au fluage à température élevée. Amélioration substantielle de la résistance au revenu, réduction de la sensibilité à la surchauffe. V affinant le grain et inhibant la trempe à l'air suite à la formation de carbures, il favorise l'aptitude au soudage des aciers de traitement. Suite à la constitution de carbures, accroissement de la résistance à l'hydrogène sous pression V rétrécit la zone g et décale le point Curie en direction de températures plus élevées.

Wolfram (W) Tungstène (T)
W est un très puissant générateur de carbures (lesquels sont très durs) et rétrécit la zone g , il améliore la ténacité et empêche la croissance du grain. W augmente la résistance mécanique aux températures élevées et au revenu ainsi qu'à l'usure à hautes températures (chaudes rouges) et donc l'aptitude à la coupe. Il est donc essentiellement utilisé pour les aciers rapides et le travail à chaud, ainsi que dans les nuances résistant au fluage à hautes températures et dans les aciers d'une dureté maximum. Augmentation considérable de la force coercitive, donc élément entrant dans l'alliage des aimants permanents. W affecte l'inoxydabilité à chaud. Son point spécifique élevé se manifeste particulièrement dans les aciers hautement alliés au W et ceux de travail à chaud.

Zirconium (Zr) - Point de fusion à 1860 degrés C
Générateur de carbures; utilisation métallurgique en tant qu'élément additionnel de désoxydation, dénitruration et désulfuration car laissant peu d'impuretés. Les additions de Zr dans des aciers de décolletage sulfureux et entièrement calmés exercent une influence favorable sur la formation de sulfures et évitent ainsi une cassure au rouge. Il accroît la longévité des matériaux de confection des conducteurs chauffants et provoque une striction de la zone g .

Merci Baptor.
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Re: Caractéristiques des composants d'un alliage métallique

Messagede Baptor » Mar 30 Mar 2010 17:33

De rien cela fut avec plaisir. ;)
Les données sont en général reliées aux aciers, mais peuvent "être étendus" aux autres alliages.

Par contre, comme je disais, le fonctionnement de ses éléments varie :
- formation de carbure,
- formation de nitrure,
- formation d'oxyde,
- germe de cristallisation,
- insertion,
- substitution,
- complexe.
Donc il faut y faire attention, car des fois une très faible quantité de ces éléments peut changer complètement les propriétés.

Si besoin, n'hésitez pas a demander d'autres compléments, ce sera avec plaisir.
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