INNOVER, février 2017 Des propriétés qui invitent à voir plus large Cet article, propose un regard allégé et pragmatique sur l aluminium, en le comparant à d autres métaux. Le sujet pourrait être assez lourd si on l abordait avec des valeurs numériques réunies en tableaux, mais l objectif de cet article est de rendre visuelles les différences entre des métaux pour une caractéristique physique donnée, afin de permettre d établir rapidement des relations. Vous trouverez des histogrammes simplifiés, dans lesquels les métaux et alliages sont représentés par des colonnes et regroupés pour une même propriété. Ainsi, dans le cas du point de fusion, la colonne du fer sera plus élevée que celle de l aluminium, bien qu aucune valeur numérique ne sera visible. Il en va de même avec la conductivité, la densité, et autres. Les valeurs de certains groupes ont été augmentées ou réduites par un facteur multiplicateur, ceci afin d amener une certaine uniformité visuelle de l ensemble. Chaque graphique est suivi de constats et d une brève discussion soulevant les points d intérêt. Cette séquence de graphiques commence sur une base générale pour se terminer de façon très appliquée, faisant intervenir des propriétés tenant compte de prix obtenus du réseau de distributeurs de métaux à la fin du mois de janvier 2017. Le premier graphique, «Propriétés des métaux purs», vise à parfaire notre culture générale de l aluminium en tant qu élément du tableau périodique. Nous constatons que cette comparaison ne place pas l aluminium comme élément métallique dominant mais plutôt comme une option qui offre des avantages et des inconvénients. Le second graphique, «Propriétés relatives d alliages courants», permet d observer comment se comparent les propriétés des nuances d acier AISI 1018 et d acier inoxydable 304, à celles des alliages 6061-T6, 6063-T5, 3003-H14 et 5052-H32. Avec ce choix d alliages, nous espérons couvrir des métaux représentatifs de ceux auxquels l aluminium est souvent comparé dans l industrie. Le dernier graphique, «Propriétés et coûts spécifiques de métaux courants», fait intervenir quelques-unes des propriétés mécaniques tenant compte de la densité, qui sont aussi couplées à des prix récents du marché local. L objectif recherché ici est de fournir une image instantanée du coût des propriétés spécifiques d alliages courants d acier et d aluminium.
Graphique 1 Propriétés relatives des métaux purs Pour parfaire notre culture générale, voyons d abord comment se compare l aluminium pur aux autres métaux. PROPRIÉTÉS RELATIVES DE MÉTAUX PURS Argent Résistivité électrique 20 x µohm*cm Cuivre (revenu) Conductivité W/m/K Coef exp 10xµm/m/ C Or Aluminium Densité 10x g/cm3 Molybdène Point de fusion C/10 Zinc Limite ultime Lithium Nickel Limite élastique Fer Module élasticité Gpa Note : Certaines unités ont été modifiées dans le but de restreindre l étendue des valeurs sur l ordonnée. Certaines valeurs des limites élastiques et du module d élasticité sont manquantes. Constats : Représenté par la colonne jaune, on constate que l aluminium présente : Une résistivité électrique moyenne dans le groupe Une conductivité moyenne (entre celles de l argent et du fer) Une densité plutôt faible Un point de fusion moyen Des limites de résistance mécanique (ultime et élastique) faibles Un module d élasticité moyen. Discussion : Clarifions dès le départ que l aluminium pur n est pas utilisé dans l industrie, sauf si ce n est dans le secteur de la production primaire où il sert alors de base à la production d alliages. L ajout d éléments d alliages et de traitements s et/ou mécaniques a pour effet d augmenter substantiellement la résistance mécanique (sujet du graphique suivant). Ce graphique ne peut à lui seul permettre de faire le choix éclairé d un métal ou d un autre. L intention est de montrer que, dès le départ, l aluminium possède des caractéristiques raisonnables qui méritent l attention mais qui devront faire l objet d une étude plus approfondie.
Graphique 2 Propriétés relatives d alliages courants Rapprochons-nous maintenant de la réalité de l industrie et utilisons la même approche graphique pour comparer les propriétés de l acier ASTM A36 et de l acier inoxydable 304 avec celles des alliages d aluminium 5052-H32 et 6061-T6. PROPRIÉTÉS RELATIVES D'ALLIAGES COURANTS 6061-T6 plaque ¼'' 5052-H32 plaque ¼'' 3003-H14 Acier ASTM A36 Inox 304 plaque ¼'' Résistivité électrique 20 x µohm*cm Conductivité W/m/K Coef exp 10xµm/m/ C Densité 10x g/cm3 Point de fusion C/10 Limite ultime Limite élastique Module élasticité Gpa Constats et discussion : En matière de résistivité électrique et de conductivité, l aluminium présente ici un net avantage sur les aciers. L écart entre les coefficients d expansion de l aluminium et ceux des aciers considérés suggère que c est un point à considérer lors de la conception de structures hybrides qui pourraient ainsi voir des cas de chargements différents selon la température à laquelle elles seront exposées. Les trois derniers groupes de propriétés n amènent rien de nouveau en ce que : La densité et le point de fusion de l aluminium sont inférieurs à ceux des aciers, Les limites ultimes des alliages d aluminium sont inférieures à celles des aciers. Pour ce qui est des limites élastiques, nous avons déjà vu que l alliage d aluminium 6061-T6 possède une limite supérieure à celle de l acier ASTM A36, ce qui lui procure un avantage pour certaines applications.
Graphique 3 Comparaison des propriétés et coûts spécifiques Nous allons maintenant réutiliser notre méthode graphique pour comparer des propriétés mécaniques faisant intervenir la densité des mêmes alliages d acier et d aluminium. Il s agit ici de diviser la limite élastique par la densité pour obtenir ce que nous appellerons limite élastique spécifique. Les résultats seront plus théoriques que ce qui a été vu précédemment, ce qui suscitera certainement des discussions quant à l interprétation à leur donner. Dans le graphique ci-dessous : Le premier groupe montre les valeurs relatives des limites élastiques spécifiques. Cette valeur est aussi amenée en tant que rapport de la résistance au poids (strength to weigth ratio). Le second groupe montre le résultat du même exercice fait cette fois avec le module de rigidité. Votre attention devrait être captée par ce groupe. Le troisième groupe de propriétés montre les prix obtenus d un distributeur à la fin de janvier 2017. Les groupes 4 et 5 constituent un exercice strictement théorique et montrent combien coûte un MPa de résistance élastique spécifique et un GPa de rigidité spécifique. HISTOGRAMME COMPARATIF DES PROPRIÉTÉS ET COÛTS SPÉCIFIQUES 6061-T6 plaque ¼'' Acier ASTM A36 Limite élastique spécifique σy/densité 6061-T6 L-2x2x¼'' Inox 304 plaque ¼'' Module élasticité spécifique Prix $/kg 5052-H32 plaque ¼'' Inox 304 L-2x2x¼'' Coût résistance élastique spécifique 6063-T5 L-2x2x¼'' Coût rigidité spécifique Constats et discussion : Les limites élastiques spécifiques des alliages d aluminium surpassent celles des aciers. Nous proposons une interprétation très simple de cette donnée : l aluminium est plus efficace que l acier en matière de limite élastique, ou plus de MPa sont disponibles pour un poids de matière donné (des interprétations complémentaires seront les bienvenues).
Les modules d élasticité des alliages considérés ici sont pratiquement identiques. Le module d élasticité représentant directement la rigidité d un matériau, ce groupe nous révèle qu il n y a pas de magie en matière de rigidité pour un poids déterminé de matière. L utilisation d un alliage exigera forcément un effort de conception. À titre d information complémentaire sur le module de rigidité spécifique : la majorité des métaux industriels présenteront des résultats très similaires à ceux-ci. Les matériaux composites, tels que la fibre de carbone, offrent une très grande rigidité pour une faible densité et présenteront alors une augmentation substantielle de la rigidité spécifique. Les prix obtenus n ont rien de surprenant, le prix des alliages d aluminium est plus élevé que celui de l acier et comparable à celui de l acier inoxydable. Les coûts, en dollars par valeur de résistance élastique et de rigidité spécifiques, ne sont vraiment pas des données courantes mais suggèrent qu en fonction de l application visée, certains matériaux pourraient se démarquer dans le cas où nous négligerions de considérer l ensemble des critères de conception. Il en ressort, selon les prix au marché en janvier 2017, que : Lorsqu il est question d obtenir une résistance élastique pour une quantité déterminée de matière, l acier demeure le matériau le moins cher à utiliser, les alliages d aluminium apparaissent en seconde position, et l acier inoxydable en troisième. Dans le cas de la rigidité spécifique, l acier demeure encore le matériau le moins cher alors que les alliages d aluminium et d acier inoxydable sont comparables entre eux. Conclusion Nous avons utilisé des comparaisons simples pour situer l aluminium face à deux aciers courants. Ces comparaisons doivent évidemment faire partie du processus de conception mais ne sont pas suffisantes. Il faut noter que le choix final d un matériau doit tenir compte de beaucoup d autres caractéristiques, telles que la résistance à la corrosion et la réduction de poids, la mise en forme, l assemblage, pour ne mentionner que ceux-ci. Voyons plutôt l aluminium comme un matériau qui propose d intéressantes caractéristiques et qui mérite d être considéré dans une vision élargie de son utilisation. Si vous souhaitez avoir plus d information sur la méthodologie ou sur les caractéristiques des métaux, n hésitez pas à communiquer avec Yves Archambault.