Conductivité thermique et électrique

Conductivité thermique et électrique

Histoire de l’alliage aluminium

L’aluminium est le métal le plus récemment découvert puisqu’il n’est utilisé industriellement que depuis la fin du XIX° siècle.Il a fallu attendre 1825 pour que Hans Christian Oersted obtienne l’aluminium à l’état de corps simple sous forme d’une poudre grise contenant encore une très grande quantité d’impuretés. En 1827, Friedrich Wöhler obtint cette même poudre grise d’aluminium contenant cependant moins d’impuretés.
Ce n’est qu’en 1854 qu’Henri Sainte-Claire-Deville présente le premier lingot d’aluminium obtenu à l’état fondu, par un procédé mis en application en 1859 de façon industrielle par Henry Merle dans son usine de Salindres (Gard), berceau de la société Pechiney.Mais ce procédé était compliqué ce qui donnait un métal très cher, réservé à des utilisations dans le luxe et l’orfèvrerie.
En 1886, Paul Louis Toussaint Héroult en France et Charles Martin Hall aux Etats Unis déposent indépendamment leurs brevets sur la production d’aluminium par électrolyse à chaud de l’alumine, oxyde déshydraté de l’aluminium, dissoute dans de la cryolithe fondue (fluorure double de sodium et d’aluminium).
L’invention de la dynamo, qui remplaça la pile comme source d’électricité, et l’utilisation des chutes hydrauliques : la  » houille blanche « , rendit possible la production économique du métal.
P.L.T. Héroult monte sa première usine en 1887 à Neuhausen en Suisse, sur une chute du Rhin, berceau de la société l’Aluminium Suisse. Il monte une usine en 1889 à Froges (Isère), berceau de l’hydroélectricité française développée par Aristide Bergès, puis une autre à La Praz dans la vallée de l’Arc (Savoie). Charles Martin Hall (USA) monte en 1888 une usine pour la Pittsburgh Reduction Ce qui deviendra en 1907 l’Aluminum Company of America.
L’aluminium est entré dans sa phase industrielle ; sa production a connu en 100 ans une croissance prodigieuse, le mettant au premier rang des métaux non ferreux et au deuxième de tous les métaux derrière le fer.

Fabrication des alliages d’aluminium

La fabrication de l’aluminium se décompose en deux étapes :
– extraction de l’alumine de la bauxite,
– fabrication de l’aluminium par électrolyse de l’alumine.
Les gisements du minerai de départ, la bauxite, ont très nombreux et importants sur tout le globe terrestre. Les plus vieux, aujourd’hui épuisés, étaient dans le sud de la France, en particulier près du village des Baux en Provence, qui a donné son nom au minerai.

Obtention de l’aluminium

La Bauxite

L’aluminium est un métal très répandu sur la terre, le troisième élément après l’oxygène et le silicium. Les bauxites qui sont des roches riches en aluminium (45 à 60%) constituent actuellement la source quasi exclusive de ce métal.
La bauxite est un mélange d’oxyde d’aluminium, l’alumine, d’oxyde de silicium, la silice, d’oxyde de fer, d’oxyde de titane et d’eau. Les teneurs de ces différents oxydes et matières sont les suivantes :

L’Alumine

L’alumine est extraite de la bauxite par le procédé Bayer : la bauxite est broyée puis attaquée à chaud par de la soude. On obtient une liqueur qui après séparation des oxydes de fer et de silicium est envoyée dans des décomposeurs pour précipitation de l’alumine.

L’Aluminium

L’aluminium est obtenu à partir de l’alumine par électrolyse dans une cuve comportant un garnissage en carbone (cathode). L’aluminium formé par électrolyse de dépose au fond de la cuve.

Principales propriétés

La demande pour des produits en aluminium ou intégrant de l‟aluminium dans leur composition ne cesse de croître année après année. Au-delà de la croissance démographique mondiale et de l‟augmentation du pouvoir d‟achat dans les pays émergents, la consommation d‟aluminium augmente aussi en Europe et en France par l‟effet de substitution (l‟aluminium remplaçant progressivement d‟autres matériaux) grâce à une combinaison unique de propriétés telles que légèreté, résistance mécanique et résistance à la corrosion, conductivité, ductilité, recyclabilité et de nombreuses autres propriétés.

Légèreté

L‟aluminium est un métal très léger dont la densité spécifique est de 2,7 g/cm3, soit environ un tiers de celle de l‟acier (7-8 g/cm3) ou du cuivre (8,96 g/cm3).

Résistance mécanique

Si les caractéristiques de l’aluminium pur sont faibles, comme pratiquement celles de tous les métaux purs, la gamme d’alliage très étendue permet de trouver celui qui correspond aux contraintes d’utilisation envisagée.
En effet, les alliages les plus résistants peuvent avoir une charge de rupture supérieure à 700 MPa, donc largement équivalente à celles des aciers trempés.

Résistance à la corrosion

L‟aluminium génère naturellement une couche d‟oxyde qui le protège de la corrosion. Différents types de traitement de surface peuvent encore améliorer cette résistance (anodisation).
Anodisation : action de recouvrir une surface métallique d‟un revêtement de protection en oxyde (par électrolyse)

Conductivité thermique et électrique

L‟aluminium est un excellent conducteur de la chaleur et de l‟électricité.
La conductivité thermique de l‟aluminium est utilisée dans de nombreuses applications d‟évacuation de la chaleur, c‟est-à-dire de refroidissement (comme les systèmes d‟air conditionné dans les véhicules).A poids égal, l‟aluminium offre une conductivité électrique deux fois supérieure à celle du cuivre, ce qui explique son emploi privilégié dans les applications de transport d‟électricité à haute tension sur grande distance

Ductilité, malléabilité

L‟aluminium peut être facilement travaillé à basse température et déformé sans se rompre, ce qui permet de lui donner des formes très variées.

Recyclabilité

L‟aluminium est recyclable à 100% sans dégradation de ses propriétés.
Son recyclage ne nécessite que peu d‟énergie : 5% seulement de l‟énergie utilisée pour la production de métal primaire.

Emploi

L’aluminium et ses alliages possèdent une bonne aptitude au travail par outils coupants, mais il y a lieu de tenir compte d’un certain nombre de particularités propres à ces matériaux.
– Les alliages légers ont une faible densité qui diminue les effets d’inertie et permet des vitesses de rotation et de translation élevées.
– La conductivité thermique élevée favorise le refroidissement, la chaleur étant évacuée presque totalement par les copeaux.
– Le faible module d’élasticité peut entraîner des déformations en cas de porte à faux.

 Influence des éléments d’addition –état métallurgiques

Tous les éléments jouent, par leur nature et leur teneur, sur plusieurs propriétés de l’alliage comme:
* les caractéristiques mécaniques (charge de rupture Rm, limite élastique Rp02, l’allongement à la rupture A%, la dureté HB),
* l’aptitude au soudage,
* l’usinabilité,
* l’aptitude à la déformation,
* l’aptitude à l’anodisation.
L’aluminium est capable de se  » marier  » avec grand nombre d’autres éléments donnant ainsi naissance à beaucoup d’alliages différents ayant un faisceau de propriétés très larges et permettant de satisfaire un grand nombre d’applications.
Les alliages d’aluminium sont classés en sept familles selon l’élément principal d’addition. Dans chaque famille, les différents alliages ont des caractères  » génétiques  » communs mais ont aussi chacun leur propre personnalité.

Traitement thermique

Certains alliages d‟aluminium peuvent recevoir un traitement thermique permettant une amélioration des propriétés mécaniques (résistance à la traction, dureté…).Ce traitement s‟opère par durcissement structural.Les principaux alliages d‟aluminium pour le traitement thermique sont :
-série 2000 : aluminium-cuivre
-série 6000 : aluminium- magnésium -silicium
-série 7000 : aluminium- zinc
Après traitement thermique en fonction des alliages, il est possible d‟obtenir une résistance à la rupture de l‟ordre de 300 à 500 MPa (maxi 600MPa).
Traitement thermique d’adoucissement : restauration recuit Lorsqu‟on fait subir à l’aluminium durci par écrouissage, un chauffage à température suffisante, la structure écrouie est progressivement remplacée par une nouvelle structure à grains reformés : lorsque la recristallisation est complète, l’alliage est dit « recuit ».
C’est dans cet état que l’aluminium ou l’alliage d’aluminium présent la résistance mécanique minimale mais la plasticité maximale. L’état recuit est l’état optimal pour réaliser des déformations ou des mises en forme à froid importantes et difficiles.
Famille d’alliage Recuit Restauration Mise en solution Revenu 1000 325-360°C 225-280°C – -2000 375-410°C refroidissement lent (40°C/h) – 475-530°C 160-190°C 3000 345-400°C 250-300°C – – 5000 345-380°C 240-280°C – – 6000 365-410°C refroidissement lent (40°C/h) – 530-535°C 165-185°C 7000 375-410°C refroidissement lent (40°C/h) – 450-465°C 100-177°C.
Entre l’état écroui « dur », et l’état recuit « peu dur », il est possible d’obtenir toute une série d’états intermédiaires.

Traitement thermique de durcissement structural

Le durcissement structural a une importance primordiale dans la métallurgie des alliages d’aluminium car c’est le processus par excellence qui permet d’obtenir des niveaux élevés de résistance mécanique. Trois phases sont nécessaires:
 Mise en solution: maintien en température suffisamment élevée afin de mettre en solution solide les éléments d’addition.
 Trempe: refroidissement suffisamment rapide pour maintenir à température ambiante la solution solide.
 Maturation – revenu: après trempe, l’alliage durcit plus ou moins rapidement suivant sa composition par simple séjour à la température ambiante: c’est la maturation ou vieillissement naturel.

Durcissement par Ecrouissage

L’écrouissage de l’aluminium ou d’un alliage d’aluminium a pour effet d’augmenter sa dureté et sa résistance mécanique (limite élastique et charge de rupture), avec en contre partie une diminution de sa plasticité (allongement à la rupture, aptitude à la déformation).
Le taux d’écrouissage est défini par [(E-e)/e].100 avec E épaisseur initiale et (e) épaisseur après écrouissage.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : GENERALITES SUR LES ALLIAGES D‟ALUMINIUM
I. Histoire de l‟alliage aluminium
I.1Fabrication des Alliages D’aluminium
I.1.1 Obtention de l‟aluminium
I.1.1. a) La Bauxite
I.1.1 .b) L‟Alumine
I.1.1 .c) L‟Aluminium
I.2 Aluminium
I.2.1 Principales propriétés
I.2.1.a) Légèreté
I.2.1.b) Résistance mécanique
I.2.1.c) Résistance à la corrosion
I.2.1.d) Conductivité thermique et électrique
I.2.1.e) Ductilité, malléabilité
I.2.1.f) Recyclabilité
I.2.2 Emploi
I.2.3 Influence des éléments d‟addition –état métallurgiques
I.3 Traitement thermique
I.3.1Traitement thermiqued‟adoucissement : restauration recuit
I.3.2 Traitement thermique de durcissement structural
I.3.3 Durcissement par Ecrouissage
I.4 Propriété physique et mécanique
I.4.1 Propriété physique
I.4 .2 Propriété mécanique
I.4 .3 Avantages techniques et économiques
I.4.4 Désignations
I.4.4.a) Désignations numérique
I.4.4.b) Tableau d‟équivalence entre différents appellations
Références bibliographique
CHAPITRE II :EFFETS DES SURCHARGES ET MODELE DE PROPAGATION
II. Introduction
II.1. Approche globale de la mécanique de la rupture
II.1.1.Mode de rupture
II.1.2 Champs de contrainte autour d‟une fissure en mode I
II.1.3 Limites de validité des champs présentés
II.1.4 Zone plastique au niveau de la pointe de la fissure
II.1.5 Taille de la zone plastique
II.2 Endommagement par fatigue
II.2.1 Phénomène de la fatigue
II.3. Les fissure en fatigue
II.3.1.Amorçage de la fissuration
II.3.2 Propagation des fissures par fatigue
II. 3.3.Domaine de fissuration
II.4. Paramètres influençant la fissuration par fatigue
II.4.1 Influence du rapport de charge
II.4.2. Influence de surcharge
II.5.Modèles de propagation d’une fissure de fatigue
II5.1 Introduction
II.5.2. Modèle de propagation à amplitude constante
a. Modèle de Paris
b. Modèle de Walker
c. Modèle de Forman
d. Modèle de Baptista
e. Modèle d‟Elber basé sur la fermeture de la fissure
f. Modèle de NASGRO
II.6. Mécanismes dues aux chargements cycliques à amplitudes variables
II.6.a. Emoussement à la pointe de la fissure
II.6.b. Contraintes résiduelles induite autour de la pointe de la fissure
II.6.c. Fermeture de fissure induite par plasticité
II.7.Propagation sous chargement à amplitude variable
II.7.1.a. Définition du phénomène du retard
II.7.1.b. Effet de retard dus à l‟application d‟une surcharge
II.7.2.Mécanismes du retard
II.7.3.Modèles de propagation à effet de surcharges
a. Modèle de Wheeler
b.Modèle de Willenborg
c. Modèle de Willenborg Généralisé
Références bibliographique
CHAPITRE III : ETAT DE L‟ART
III.1. Alliages aluminium de la série 2000
III.1.1 Introduction
III.1.2 Propagation des fissures dans les alliages de la série2000
III.2. Alliages aluminium de la série 6000
III.2.1 Introduction
III.1.2 Propagation des fissures dans les alliages de la série 6000
III.3. Alliages aluminium de la série 7000
III.3.1 Introduction
III.3.2 Propagation des fissures dans les alliages de la série7000
Références bibliographique
CHAPITRE IV :SYNTHESE
IV.INTRODUCTION
A/ Série 2000
B/ Série 6000
C/ Série 7000
CONCLUSION
CONCLUSION

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