Comment durcir l'aluminium
L'aluminium pur est intrinsèquement mou, avec une dureté relativement faible (par exemple, une dureté Webster d'environ 25-30). Cela limite son utilisation dans les applications qui exigent une résistance mécanique ou une résistance à l'usure. Les méthodes les plus efficaces pour durcir l'aluminium consistent à l'allier à des éléments tels que le magnésium, le silicium, le zinc ou le cuivre, puis à appliquer des méthodes de traitement telles que le traitement thermique (mise en solution, trempe et vieillissement) ou le travail à froid. Dans cet article, nous expliquons les principales techniques utilisées pour augmenter la dureté de l'aluminium et comment chaque mécanisme améliore ses propriétés mécaniques.
Augmentation de la dureté par l'alliage
L'alliage est la stratégie fondamentale pour durcir l'aluminium. En introduisant des éléments tels que Mg, Si, Cu, Zn et Mn, le réseau de l'aluminium est déformé et de fins intermétalliques ou des précipités peuvent se former - ces deux mécanismes empêchent le mouvement des dislocations et augmentent la dureté. Dans la pratique, deux voies principales de renforcement sont utilisées :
Systèmes de traitement thermique (par exemple, 2xxx Al-Cu, 6xxx Al-Mg-Si, 7xxx Al-Zn-Mg(-Cu)) : conçus pour répondre au durcissement par précipitation après un traitement en solution et une trempe, suivis d'un vieillissement. Des températures correctement vieillies (par exemple, T6/T651, T73/T74 pour la résistance à la corrosion sous contrainte) peuvent atteindre des pics de dureté et de résistance très élevés. Les précipités clés comprennent θ′/θ (Al2Cu) en 2xxx, β″/β′ (Mg2Si) en 6xxx, et η′/η (MgZn2) en 7xxx.
Systèmes non traitables à la chaleur (par exemple, 1xxx, 3xxx Al-Mn, 5xxx Al-Mg) : renforcé principalement par les effets de la solution solide et les dispersoïdes, avec une dureté encore accrue par le travail à froid (températures H telles que H14, H18). Le microalliage contrôlé et l'affinage des grains - en utilisant Ti-B pour la nucléation des grains ou Zr/Sc pour former des dispersoïdes Al3Zr/Al3Sc - améliorent à la fois la dureté et la stabilité thermique, en particulier à des températures élevées.
Augmentation de la dureté par traitement thermique
Traitement thermique augmente la dureté des alliages d'aluminium durcissables par précipitation par le biais d'une séquence contrôlée d'étapes. L'objectif est de créer et de stabiliser des précipités fins et cohérents qui empêchent le mouvement des dislocations.
Traitement des solutions: Dissoudre les phases solubles à température élevée pour former une solution solide monophasée. Un contrôle précis de la température est essentiel : une température trop basse laisse des particules non dissoutes ; une température trop élevée risque d'entraîner une fusion aux limites des grains.
Trempe: Refroidissement rapide pour conserver une solution solide sursaturée. Minimiser le temps de transfert du four à la trempe (<10 s pour de nombreux produits). Choisir le milieu de trempe pour équilibrer les propriétés et la distorsion :
- Eau (RT ou 60-80°C) pour un durcissement maximal
- Trempe au polymère pour réduire la distorsion sur les pièces épaisses ou complexes
- L'agitation améliore l'extraction de la chaleur et l'uniformité
Vieillissement (durcissement par précipitation): Précipite des particules fines et cohérentes qui obstruent fortement les dislocations. Séquences et précipités typiques :
- 2xxx (Al-Cu) : θ″/θ′ → θ (Al2Cu)
- 6xxx (Al-Mg-Si) : Zones GP → β″/β′ (Mg2Si)
- 7xxx (Al-Zn-Mg(-Cu)) : Zones GP → η′/η (MgZn2) Contrôler le temps et la température pour éviter la formation d'une couche d'ozone. sous-âge (dureté insuffisante) et sur-vieillissement (précipités grossiers, réduction de la dureté).
Températures et cas d'utilisation courants:
- T5: Âge artificiel direct issu d'une fabrication à température élevée (pas de traitement en solution)
- T6: Solution + trempe + vieillissement artificiel pour une résistance/dureté maximale
- T651/T652: T6 avec soulagement des contraintes (étirement/compression) pour la stabilité dimensionnelle
- T73/T74 (7xxx) : Sur-vieillissement pour une meilleure résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte
Alliages trempés représentatifs: 6061-T6/T651, 6082-T6, 2024-T3/T351, 7050-T76, 7075-T6/T73.
Augmentation de la dureté par le travail à froid
Le travail à froid, également appelé écrouissage, augmente la dureté en augmentant la densité des dislocations par le biais d'une déformation plastique effectuée en dessous de la température de recristallisation. Les procédés typiques comprennent le laminage, l'étirage, le rétreint, le cintrage et le formage de la feuille/de la presse. Le gain de dureté augmente avec le pourcentage de réduction à froid et est exprimé par les températures H (par exemple, H12, H14, H18, H32, H38), les nombres les plus élevés indiquant généralement un travail à froid plus important.
Cette voie est particulièrement efficace pour les séries non traitables à chaud (1xxx, 3xxx, 5xxx) et peut être combinée avec des recuits partiels ou intermédiaires pour équilibrer la résistance et la formabilité, pour réinitialiser la capacité d'écrouissage et pour contrôler le retour élastique. Pour les produits corroyés, les spécifications visent souvent une fenêtre de revenu (par exemple, H14 ≈ demi-dur) plutôt qu'une valeur de réduction unique ; vérifier avec des essais de dureté ou de traction.
Conseils sur le processus
- Viser des réductions échelonnées (par exemple, 10-25% par passage) avec un contrôle de la texture afin d'éviter la formation d'oreilles dans la feuille.
- Utiliser des recuits intermédiaires lorsque l'allongement diminue ou que des fissures apparaissent sur les bords/rayons.
- Pour les 5xxx à forte teneur en Mg, éviter l'exposition prolongée à 65-200°C qui peut provoquer une sensibilisation ; maintenir le formage frais et bref.
Précautions
- Travail à froid excessif peut réduire fortement la ductilité et la pliabilité, augmentant ainsi le risque de fissuration des bords et de peau d'orange.
- Apport de chaleur à basse température pendant les opérations en aval (cuisson de la peinture, soudage des zones affectées thermiquement) peut ramollir partiellement les températures de durcissement par travail ; planifier le formage final après tout cycle thermique ou spécifier des températures appropriées (par exemple, H24 par rapport à H14).
Méthodes d'expression et de mesure de la dureté de l'aluminium
La dureté de l'aluminium est quantifiée à l'aide de plusieurs échelles normalisées, chacune adaptée à des formes de produits et à des plages d'épaisseur différentes. Le choix de la bonne méthode permet d'obtenir des résultats comparables et fiables.
Dureté Brinell (HBW): Utilise un pénétrateur à bille dure (généralement de 2,5 à 10 mm) sous une charge définie pour évaluer la dureté apparente des plaques, des pièces forgées et des pièces moulées. Approprié pour les sections plus épaisses et les microstructures hétérogènes. Normes : ISO 6506, ASTM E10.
Dureté Vickers (HV): Emploie un pénétrateur pyramidal en diamant avec une large gamme de charges (micro à macro). Convient pour les sections minces, les couches superficielles, les zones affectées par la chaleur des soudures et les petites caractéristiques. Permet la cartographie de la microdureté à travers les gradients. Normes : ISO 6507, ASTM E384/E92.
Dureté Rockwell (HRB/HRE/HRF/HR15T, etc.): Permet d'effectuer des essais rapides sur la chaîne de production avec différentes échelles adaptées aux métaux plus tendres. L'aluminium utilise généralement les échelles HRB (bille de 1/16″) ou les échelles superficielles (HR15T) pour les tôles minces. Normes : ISO 6508, ASTM E18.
Dureté de Webster (HW): Test portable à levier largement utilisé pour les contrôles sur site des extrusions et des profilés en aluminium. Il offre des lectures comparatives rapides mais une précision absolue plus faible ; il est utile pour le contrôle de la qualité dans les ateliers de fabrication. Norme : ASTM B647.
Dureté Shore (Duromètre): Applicabilité limitée à l'aluminium en vrac ; utilisé principalement pour les couches anodisées ou revêtues (par exemple, Shore D sur les films anodiques épais) et pour les joints en élastomère plutôt que pour le substrat métallique.
Nano/Micro-Indentation: L'indentation instrumentée fournit la dureté et le module à l'échelle micro/nanométrique, précieux pour les alliages durcis par précipitation et les films minces, permettant une corrélation avec les états de vieillissement et les traitements de surface.
Considérations sur les mesures:
- Préparation de la surface: Les surfaces planes, lisses et exemptes d'oxyde réduisent la dispersion ; le polissage est essentiel pour la microdureté.
- Épaisseur et distance des bords: Des règles d'épaisseur et d'espacement minimales (typiquement ≥10× profondeur d'indentation/diagonale) empêchent les effets de substrat ou de bord.
- Contrôle de la charge/du temps: Utiliser les temps de séjour spécifiés et les forces calibrées ; indiquer l'échelle et la charge (par exemple, HV0,5, HBW 5/250).
- Anisotropie et gradients: Prendre des empreintes multiples dans les directions de laminage/extrusion et à travers l'épaisseur, en particulier après un traitement thermique ou un travail à froid.
- Rapports: Alliage d'état, température, norme d'essai, échelle, charge/puits, emplacement (surface/noyau) et température.
Plages typiques (indicatives):
- Aluminium commercialement pur (1xxx) : HV ~20-35 ; HRB ~10-25 ; Webster ~20-35 HW.
- Alliages pouvant être traités thermiquement (par exemple, 6061-T6) : HV ~95-110 ; HRB ~55-70 ; 7075-T6 : HV ~160-190.
- Acier trempé 5xxx (par exemple, 5052-H32) : HV ~60-80.
Dureté des alliages d'aluminium courants
La dureté des alliages d'aluminium varie considérablement d'une série à l'autre et d'un état à l'autre, reflétant les différences de composition et de traitement. Les fourchettes suivantes sont indicatives et facilitent la sélection préliminaire et l'analyse comparative. Il convient de toujours consulter la spécification pertinente (par exemple, ASTM, EN) et de vérifier par des essais réels pour les conceptions critiques.
1xxx (Al commercialement pur, par exemple 1100-O/H14)
- Typique : HV 20-35, HRB 10-25, Webster HW ~20-35
- Notes : Très tendre ; la dureté augmente modestement avec les températures H grâce au travail à froid.
3xxx (Al-Mn, par exemple 3003-H14/H18)
- Typique : HV 35-70 (H14 à l'extrémité inférieure, H18 à l'extrémité supérieure)
- Remarques : Non traitable thermiquement ; dureté contrôlée par le degré de réduction à froid.
5xxx (Al-Mg, par exemple 5052-H32, 5083-H116)
- Typique : HV 60-100 (en fonction de la composition et de la température)
- Remarques : Forte réponse à l'écrouissage ; les alliages marins (par exemple, 5083) atteignent une dureté plus élevée pour un calibre comparable.
6xxx (Al-Mg-Si, par exemple 6061-T6/T651, 6063-T5/T6)
- Typique : 6061-T6 HV 95-110 ; 6063-T6 HV 75-95
- Remarques : Durcissable par précipitation ; le choix de la trempe (T5/T6/T651) accorde la dureté et l'usinabilité.
2xxx (Al-Cu, par exemple 2024-T3/T351)
- Typique : HV 120-150
- Remarques : Haute résistance ; assurer la protection contre la corrosion (alclad/anodisation/joint) dans les environnements agressifs.
7xxx (Al-Zn-Mg-Cu, par exemple 7075-T6/T73, 7050-T7451)
- Typique : 7075-T6 HV 160-190 ; tempérament suranné (T73/T7451) HV 140-170
- Remarques : Parmi les duretés les plus élevées ; le sur-vieillissement échange la dureté maximale contre une meilleure résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte.
Alliages coulés (par exemple, A356-T6, A380 tel que coulé)
- Typique : A356-T6 HV 85-105 ; A380 (tel que coulé) HV 80-110
- Notes : Les défauts de coulée et la morphologie du silicium influencent la dispersion ; le traitement thermique augmente considérablement la dureté des alliages coulés contenant du Mg.
Extrusions et profilés (échelle de Webster, contrôles en magasin)
- Typique : 6063-T5/T6 ≈ HW 12-20 ; 6061-T6 ≈ HW 18-25
- Notes : Les relevés du Webster portable sont comparatifs ; corréler avec les relevés HV/HRB du laboratoire pour le contrôle de la qualité.
Effets de tempête (tendance générale)
- O/recuit : dureté la plus faible
- Températures H (H12 → H18/H38) : augmentation de la dureté par le travail à froid
- T-tempers (T4/T5/T6/T7) : états de précipitation ; T6 proche de la dureté maximale, T7 sur-vieillie pour la stabilité.
Conseils pratiques
- Pour une dureté maximale à température ambiante, donnez la priorité au 7xxx dans les températures de la classe T6.
- Pour une dureté et une résistance à la corrosion équilibrées avec une flexibilité de fabrication, envisagez le 6xxx en T5/T6.
- Pour les tôles soudables dont la dureté provient de l'écrouissage, utiliser 5xxx dans les températures H appropriées.
Toutes les valeurs sont approximatives et dépendent de la composition chimique exacte, de la forme du produit, de l'épaisseur et de la méthode d'essai (par exemple, charge HV). Toujours indiquer l'alliage, le traitement, l'échelle de dureté et les conditions d'essai lors de la communication ou de la comparaison des données.
