METALLURGIE DESCRIPTIVE

1. METALLURGIE DESCRIPTIVE ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 1

2. Alliages ferreux Aciers Fontes Alliages non-ferreux Composites Alliages d’Aluminium Alliages de titane Alliages de Cuivre Les différentes familles de matériaux Métalliques Polymères Céramiques Les alliages ferreux représentent encore une très grande proportion dans l’utilisation des alliages métalliques (50% des métaux dans une automobile). ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 2

3. Chapitre IV - Les Alliages de cuivre ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 3

4. Sommaire •  Introduction : le cuivre  Désignation des alliages de cuivre  Les principales familles d’alliages de cuivre ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 4

5. Introduction ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 5

6. Le cuivre  Points fort du cuivre • Premier métal travaillé par l’homme (âge du bronze) • Le cuivre et ses alliages ont plusieurs atoutsles 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 - la résistance à la corrosion est assez bonne - sa structure cristalline est CFC (a = 0,36 nm)  grande ductilité ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 6

7. Domaine monophasé α: teneur maximale C * à T * et teneur maximale à température ambiante 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. ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 7

8. Désignation des alliages de cuivre ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 8

9. 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 Désignation des alliages de cuivre  Désignation des alliages de cuivre CuZn39Pb2 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) ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 9

10. Les principales familles d’alliages de cuivre ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 10

11. Les principales familles d’alliages de cuivre  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 industriel Les 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 + avec des traces de phosphore La présence d’oxygène (sous forme eutectique Cu2O, 0,4 % oxygène) dans le cuivre raffiné  moins conducteur mais devient déformable et soudable  plus haute conductivité électrique plus cassant ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 11

12. Passage de l’état recuit (Rm=230 MPa et A=45 %) à l’état écroui maximal (Rm=350 MPa et A=6 %) Les principales familles d’alliages de cuivre • Le cuivre pur industriel • Sa structure CFC le rend : - fortement écrouissable - bonne ductilité - résistance mécanique moyenne 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 ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 12

13. • Diagramme d’équilibre Cu-Zn - solubilité maximale de 39 % Zn vers 450°C qui  à plus haute et à plus basse T CuZn37 CuZn5 Les laitons α industriels Les principales familles d’alliages de cuivre  Les laitons (Cu-Zn) • Les laitons constituent la famille la plus utilisée. Le zinc est moins cher que le cuivre, et selon la teneur en zinc, on distingue les familles suivantes : - Les laitons monophasés α - Les laitons biphasés (α+β) - Les laitons avec additions • - Pratiquement, il existe des proportions croissantes de phase β, hors équilibre, pour • une 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 ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 13

14. Les principales familles d’alliages de cuivre  Les laitons (Cu-Zn) • Couleurs La 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 ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 14

15. Les principales familles d’alliages de cuivre  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) ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 15

16. Les principales familles d’alliages de cuivre  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 mm ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 16

17. Les principales familles d’alliages de cuivre  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 mm ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 17

18. 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 ! Les principales familles d’alliages de cuivre  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) 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 ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 18

19. Les principales familles d’alliages de cuivre  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 ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 19

20. Les principales familles d’alliages de cuivre  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 ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 20