Les matériaux à haute résistance mécanique dans l automobile

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1 Les matériaux à haute résistance mécanique dans l automobile Héloïse Conrad, Mathias Leutaud, Hector de Castilla 05/12/2014 [Tapez le résumé du document ici. Il s'agit généralement d'une courte synthèse du document. Tapez le résumé du document ici. Il s'agit généralement d'une courte synthèse du document.]

2 Les matériaux à haute résistance mécanique dans l'automobile Introduction L'automobile est un secteur hautement concurrentiel. Du fait des grandes séries qui sont produites, le choix des matériaux et des procédés est un élément critique dans le développement d'un nouveau modèle. On observe plusieurs catégories de critères pour effectuer ce choix. Premièrement, il y a bien sûr le critère technique qui regroupe à la fois les propriétés du matériau et tout ce qui concerne la mise en œuvre et la transformation du produit. Les propriétés du matériau sont souvent des données quantifiable établies par le fournisseur comme la résistance, la rigidité, l'usure, la résistance à la corrosion, la conductivité thermique et électrique ou encore la densité. La mise en œuvre et la transformation du produit sont des paramètres plus complexes à analyser. Est-ce que l'on pourra appliquer tel procédé pour faire tel pièce avec ce matériau? Quels seront les propriétés de ce matériau après la mise en œuvre? Ce procédé sera t-il simple à mettre en œuvre dans ce cas précis? Ce sont autant de question qui sont indissociables de la réflexion sur le matériau. On ne choisit pas seulement un matériau mais un couple matériau/procédé. Associé à cela, le critère économique est évidemment très important pour un constructeur. Il comprend le prix du matériau associé à la tendance du marché pour les années à venir et sa disponibilité, ainsi que le prix du procédé associé ce qui correspond au prix de production.

3 En plus de ces critères fondamentaux de décision, d'autres critères non négligeable doivent être pris en compte comme les critères environnementaux qui comprennent l'économie d'énergie ou la pollution, ou encore les critères sociaux comme le passé industriel du constructeur et de ses soustraitants, la condition des travailleurs, l'opinion publique sur tel procédé ou matériau, ou les enjeux politiques aussi bien nationaux qu internationaux. Enfin, il y a tout les critères liés au risque. Est-ce que la technologie a été éprouvée? Est-ce qu'on peut avoir un bon contrôle du produit fini? Quel est le niveau de sécurité associé à la pièce produite par tel couple matériau/procédé? Mais les critères si dessus interviennent pour les couples matériau/procédé qui répondent au cahier des charges initial. Or, ce cahier des charges poursuit un seul but, la satisfaction du client. Or le client veut : - du confort. En ce qui concerne le moteur, cela se traduit par un confort acoustique et vibratoire. Pour ce faire, on modifie la dynamique vibratoire des pièces les plus vibrantes ce qui s'accompagne généralement par un alourdissement de la pièce. On peut aussi alourdir les matériaux insonorisant. - de la sécurité. Afin de mieux protéger les passagers lors d'un accident, les constructeurs renforcent les points critiques de la structure ce qui s'accompagne généralement d'une augmentation du poids du véhicule. - de la fiabilité. Pour cela, on va améliorer la résistance en fatigue, à l'usure, aux chocs et mécanique des pièces les plus sollicités d'un moteur. Le véhicule sera ainsi plus robuste et plus durable mais aussi généralement plus lourd. -le faible coût. Bien sûr, le véhicule doit être concurrentiel et attractif, ce qui signifie que le constructeur devra faire très attention au prix total du véhicule. -faible consommation. C'est un critère de choix de plus en plus important pour le client avec l'augmentation du prix de l'essence et la prise de conscience de l'effet des gaz à effet de serre sur la planète. Pour cela, ça passe par un meilleur rendement du moteur, et donc un taux de compression plus élevé, ce qui implique des contraintes et des températures plus élevée et aussi par un allégement du véhicule. -l'impact environnemental. Le client est de plus en plus sensible aux questions environnementales telles que la production de CO2 lors de la fabrication du véhicule, la toxicité des éléments qui le compose (les batteries par exemple), les émissions de la voiture et la recyclabilité de la voiture.

4 On remarque que les trois premiers points impliquent généralement une augmentation du poids de la voiture tandis que les trois derniers nécessitent plutôt une réduction de poids. Les constructeurs automobiles recherchent donc des matériaux légers, remplissant le cahier des charges des trois premiers points. Pour l'instant, l'industrie automobile est dotée d'une culture métallurgique lourde ce qui explique la préférence pour les matériaux métalliques dont les procédés, les machines, les expertises et le savoir-faire sont déjà présent. Les matériaux à haute résistance mécanique peuvent donc avoir des atouts non négligeables dans ce domaine à condition de respecter le critère de prix qui est souvent le plus contraignant. Nous allons voir dans quelle mesure ils sont utilisés dans l'industrie automobile. Les différents matériaux L'acier Tout d'abord, on va s'intéresser aux aciers. En effet, de gros progrès ont été fait dans ce domaine et nous sommes maintenant en mesure de fabriquer des acier avec d'excellente propriétés mécaniques. De plus, l'acier est le matériau qui a longtemps été prédominant dans les moteurs de voitures. Il concurrence parfois directement les fontes qui sont plus facile à produire et présente une meilleure usinabilité mais sont moins résistantes. C'est notamment le cas de l'acier forgé qui possède de très bonne propriétés mécaniques grâce au fibrage que l'on obtient dans la pièce. L'écrouissage et les traitements thermiques tels que la recristallisation peuvent aussi augmenter la résistance mécanique. L'acier forgé est notamment utilisé pour réaliser des vilebrequins dans les moteurs à forte puissance. Dans les moteurs de plus faible puissance, la fonte reste plus avantageuse. Il y a par exemple l'acier 4340, qui est un acier allié au nickel, chrome et molybdène qui présente de bonnes résistances mécaniques, une bonne ténacité et en même temps une bonne ductilité. Il est donc idéal pour la forge et il est par exemple utilisé pour réaliser des bielles de moteur. Il existe aussi désormais de nouveaux aciers ayant de très bonnes propriétés inclusionnaires. On peut avoir des tailles d'inclusion très faible et une grande pureté de l'acier notamment vis à vis du phosphore, de l'oxygène et du souffre. Les résistances mécaniques peuvent aller jusqu'à 2000MPa dans certains cas ce qui est très élevés. Ces types d'acier sont utilisés pour la fabrication d'engrenages et de ressorts. Les engrenages sont en effet des pièces très sollicités dans les moteurs. Un gain de poids sur ces pièces permet de réduire l'inertie du moteur et de diminuer l'amplitude des vibrations ce qui est très bénéfique pour les performances du moteur. Un gros avantage de l'acier hors mis sont prix est la multitude de traitement thermique et mécanique que l'on peut lui appliqué afin d'atteindre au

5 mieux les propriétés recherchées. En revanche, un inconvénient majeur comparé aux autres matériaux est sa densité. De plus, du fait de son point de fusion élevé et de sa bonne résistance mécanique, les coûts de transformation de l'acier sont élevés. Les alliages d'aluminium Afin de palier à ces défauts, les constructeurs automobiles ont donc parfois recours à d'autres matériaux et notamment les alliages d'aluminium. En effet, avec leur densité d'environ 2,7 ils sont trois fois plus légers que les aciers. De plus, ils ont une conductivité thermique élevée et une très grande facilité de mise en œuvre. Il est aussi possible d'obtenir des résistances spécifiques très élevées ce qui en fait un matériau idéal pour les constructeurs automobiles. Un défaut majeur cependant est son prix trois à quatre fois plus cher que l'acier, les polémiques environnementales liées à sa production et une moins grande rigidité que l'acier. Les alliages d'aluminium silicium sont aujourd'hui largement utilisés dans les blocs moteurs car ils ont une très bonne coulabilité avec un point de fusion assez bas. Ils permettent de réaliser des formes complexes en fonderie, d'alléger la structure et de bien évacuer la chaleur. C'est pour ces raisons qu'on les retrouve notamment dans les carter et les jantes. La quasi totalité des pièces en alliages d'aluminium dans les automobiles de grande série sont réalisées en fonderie sous pression d'aluminium, ce qui permet un bon respect des dimensions et un bon état de surface.

6 Les alliages de magnésium Un autre type d'alliage est présent pour alléger la structure, ce sont les alliages de magnésium. Ils sont plus légers que les alliages d'aluminium et pas tellement plus cher. Un de leur défaut était leur inflammabilité et la faible résistance à la corrosion mais cela a été résolu grâce à l'introduction d'un nouvel alliage. Ces alliages trouvent les mêmes applications que l'aluminium à savoir les carters et les jantes. Ce sont donc des concurrents directs des alliages d'aluminium.

7 Les matériaux composites à matrice métallique Dans l'automobile de grande série, on retrouve aussi des composites à matrice métallique. Il s'agit d'alliage d'aluminium possédant de renforts qui représente généralement 15 % à 20 % du volume. Ces renforts sont soit des fibres courtes, souvent de la silice ou de l'alumine, faisant moins de 150 µm de long, soit des particules, souvent des carbures de silicium ou de l'alumine. Dans le cas des fibres courtes, leur utilisation est plutôt réservée au renforcement de zone localisée tandis que les particules sont plutôt destinées à renforcer une pièce dans la masse. On trouve ces composites métalliques dans des bielles, des pistons, des arbres de transmission ou encore les disques de frein. Ils ont l'avantage de posséder une résistance mécanique plus élevée notamment à chaud en comparaison avec l'alliage de la matrice. De plus, ils sont plus résistants à l'usure et à l'abrasion. En revanche, ce sont des matériaux très cher, peu formable et difficile à usiner ce qui pénalise beaucoup leur introduction dans l'automobile. De plus, il est difficile de les modéliser du fait que l'on maîtrise encore mal la dispersion de leurs propriétés.

8 Les matériaux composites à matrice polymérique Ici, il s'agit de matrice en résine thermodurcissable le plus souvent renforcée avec des fibres de verre ou de carbone continues en ce qui concerne les pièces mécaniques. Ces matériaux connaissent un essor important dans l'automobile notamment grâce au gain de poids. Les composites organiques sont utilisés dans les suspensions de véhicule où l'on s'est aperçu qu'il dominait largement ses concurrents en acier forgé. En effet, on retrouve un fibrage directionnel ce qui permet de s'adapter au mieux aux propriétés recherchées. Les composites à fibres courtes sont quand à eux utilisé pour des pièces faiblement sollicitée. Il y a à l'heure actuelle un réel enjeu à développer ces matériaux dans l'automobile notamment pour le gain de poids qu'ils peuvent générer. Cependant, plusieurs défis restent à relever comme la maîtrise des procédés de fabrication et leur industrialisation en grande série, et aussi le recyclage de ces matériaux. En effet, utilisant des résines thermodurcissables, on ne peut les recycler. Il y a donc beaucoup de recherche effectuée pour utiliser des résines thermoplastiques, et donc recyclables, à la place. C'est encore un matériau qui coûte relativement cher et surtout, qui a des temps de cycle assez long ce qui gène son industrialisation pour de la grande série. Une caractéristique qui peut être un avantage ou un inconvénient selon l'usage est la faible conductivité thermique et sa faible résistance à la chaleur. Il s'agit donc d'un matériau plein d'avenir mais qui sera nécessairement obligé de cohabiter avec des matériaux métalliques plus classique.

9 Les alliages de titane et de nickel Ces matériaux issus principalement de l'aéronautique sont les matériaux à haute résistance mécanique par excellence. Ils possèdent un rapport résistance mécanique sur la densité très important et ce allant jusqu'à des température très élevée. Ils ont donc les caractéristiques rêvées pour être appliqué aux pièces très sollicitées d'un moteur. Cependant, leur prix, nettement plus élevé que l'acier (on parle de facteur 100 voir plus dans certains cas), les rendent difficilement abordable pour les constructeurs automobiles. De plus, ils sont difficilement usinable, ce qui poserait des problèmes pour son utilisation en grande série. Cela est généralement du à la faible conductivité thermique de ces alliages. Leur résistance thermique leur permet tout de même des utilisations dans le monde de la F1 en tant que bielles, soupapes, engrenages ou ressorts de soupape. On retrouve aussi l'usage de ces alliages dans les turbocompresseurs. C'est le cas pour un turbocompresseur résistant à haute température où il a été utilisé dans la réalisation de la turbine de ce dernier. Ce turbocompresseur a alors permis de battre le record du monde vitesse.

10 Les traitements de surface Les traitements de surface sont un élément important dans la réalisation de pièce mécanique. En effet, le matériau seul ne fait pas tout et on a souvent besoin de caractéristiques spécifiques à la surface des pièces. On a notamment besoin d'une bonne résistance à l'usure, à la corrosion et à la fatigue en évitant la formation d'amorce de fissure. Pour cela, on a recourt à plusieurs procédés comme la trempe laser, la trempe superficielle, les traitements électrochimique, la nitruration ou encore le dépôt de céramique. Il en existe bien d'autre mais il est important de souligner l'impact de ces traitements de surfaces sur les propriétés mécaniques des pièces. Il en va de même pour le contrôle de la microstructure, la qualité de l'alliage et bien d'autres paramètres. Conclusion En conclusion, les matériaux à haute résistance mécanique possèdent un rapport résistance mécanique sur densité et des caractéristiques qui leur donnent un potentiel d'application dans l'automobile. Malheureusement, le critère économique rend impossible l'utilisation des plus performant d'entre eux. Mais avec l'évolution des attentes des clients, des critères du constructeur, la prise en considération d'autres facteurs (notamment environnementaux), les recherches dans le domaine et la fluctuation du contexte économique, il est tout à fait possible de voir de plus en plus de ces matériaux utilisés. Les spécialistes semblent toutefois s'accorder à dire que, dans un futur proche, ce sont plutôt les aciers à très hautes performances, les matériaux composites à matrice organique et les alliages d'aluminium pour les carters qui seront présents dans la mécanique des voitures de demain.

11 Références : Masashi Yoritaka, Yukio Yamamoto, Yasuaki Hasegawa, Tomio Hokari, 2012,«Automotive Application of Advanced Superalloys» Site d'un fournisseur d'alliage pour les sports motorisés, Site d'un fournisseur d'alliage d'aluminium, Gérard Maeder, «Les nouveaux matériaux dans la mécanique automobile» Site de Wikipédia, Images :