Tableau de dureté des alliages d'aluminium : HW, HB, HV, HRB, HBA

Introduction

Définition de la dureté de l'aluminium

La dureté de l'aluminium fait référence à la capacité du matériau à résister à une déformation plastique localisée, qui peut être due à une indentation, une abrasion ou une pénétration. Cette propriété est cruciale pour comprendre comment les alliages d'aluminium se comporteront sous diverses contraintes et conditions mécaniques. La dureté est un paramètre important qui influence la durabilité, la résistance à l'usure et les performances mécaniques globales des alliages d'aluminium.

Importance de la dureté des alliages d'aluminium

La dureté des alliages d'aluminium est un facteur clé pour déterminer s'ils conviennent à différentes applications. Elle influe directement sur la résistance du matériau à l'usure, sur sa capacité à conserver sa forme sous contrainte mécanique et sur sa longévité globale en service. Par exemple, des valeurs de dureté plus élevées dans les alliages d'aluminium sont souhaitables dans les applications où la résistance à l'abrasion et l'intégrité structurelle sont critiques, comme dans l'aérospatiale et les composants automobiles.

La dureté est également en corrélation avec d'autres propriétés mécaniques, telles que la résistance à la traction et la limite d'élasticité, ce qui en fait un élément essentiel du processus de sélection des matériaux. Comprendre la dureté des alliages d'aluminium aide les ingénieurs et les fabricants à s'assurer que le matériau choisi répondra aux exigences de performance d'applications spécifiques, améliorant ainsi la sécurité, la fiabilité et l'efficacité.

Mesure de la dureté des alliages d'aluminium

La dureté des alliages d'aluminium peut être mesurée à l'aide de plusieurs méthodes différentes, chacune ayant sa propre pertinence et sa propre application. Les méthodes les plus courantes sont les essais de dureté Brinell, Rockwell et Vickers.

• Essai de dureté Brinell: Cette méthode consiste à presser une bille en acier dur ou en carbure dans le matériau sous une charge spécifique. Le diamètre de l'empreinte laissée dans le matériau est mesuré et la valeur de la dureté est calculée. Les indices de dureté Brinell (BHN) sont couramment utilisés pour les alliages d'aluminium plus tendres.
• Essai de dureté Rockwell: L'essai Rockwell mesure la profondeur de pénétration d'un pénétrateur sous une charge importante par rapport à la pénétration réalisée par une charge préliminaire. L'indice de dureté Rockwell (HR) est dérivé de la différence de profondeur. Cette méthode est plus rapide et plus simple, et convient à une large gamme d'alliages d'aluminium.
• Essai de dureté Vickers: Cette méthode utilise un pénétrateur pyramidal en diamant et applique une charge spécifique pour créer une indentation. La taille de l'indentation est mesurée au microscope et l'indice de dureté Vickers (HV) est calculé. L'essai Vickers est très précis et peut être utilisé pour les alliages d'aluminium durs et tendres.

Par exemple, l'alliage d'aluminium 6061 a généralement une dureté Brinell d'environ 95 BHN, tandis que l'alliage d'aluminium 7075, connu pour sa grande résistance, a une dureté Brinell d'environ 150 BHN. Ces valeurs illustrent le fait que la dureté des différents alliages d'aluminium peut varier de manière significative, ce qui influe sur leur application.

Facteurs influençant la dureté des alliages d'aluminium

Plusieurs facteurs influencent la dureté des alliages d'aluminium, notamment les éléments d'alliage, le traitement thermique et l'écrouissage.

Durcissement au travail: Le processus de déformation de l'alliage d'aluminium à température ambiante peut augmenter sa dureté. Le travail à froid, tel que le laminage ou le martelage, introduit des dislocations dans la structure cristalline du matériau, ce qui le rend plus dur et plus résistant.

Éléments d'alliage: Des éléments tels que le cuivre, le magnésium, le silicium et le zinc sont ajoutés à l'aluminium pour améliorer ses propriétés mécaniques, y compris sa dureté. Par exemple, l'ajout de zinc dans l'alliage d'aluminium 7075 augmente considérablement sa dureté et sa résistance.

Traitement thermique: Les processus de traitement thermique, tels que le traitement thermique en solution et le vieillissement, peuvent modifier la microstructure des alliages d'aluminium, ce qui affecte leur dureté. Par exemple, le processus de trempe T6 pour l'aluminium 6061 implique un traitement thermique de mise en solution suivi d'un vieillissement artificiel, ce qui permet d'améliorer la dureté et les propriétés mécaniques.

Tableau de dureté des alliages d'aluminium

Le tableau ci-dessous présente les valeurs typiques de dureté Vickers mesurées à l'aide d'un testeur de dureté Vickers Tianxing W-20 pour près de 400 qualités différentes d'alliages d'aluminium ayant subi différents traitements thermiques.

Les valeurs de dureté Vickers figurant dans le tableau sont des valeurs de dureté typiques mesurées pour divers matériaux en alliage d'aluminium et ne sont pas utilisées pour déterminer si le matériau est qualifié. Les valeurs de qualification de la dureté pour les différents matériaux doivent se référer aux spécifications techniques des produits correspondants. Par exemple, la norme nationale GB 5237.1 "Aluminium Alloy Building Profiles Part 1 : Base Material" stipule que la valeur de dureté Vickers de 6063-T5 ne doit pas être inférieure à 8HW, et que la valeur de dureté Vickers de 6063A-T5 ne doit pas être inférieure à 10HW.

Les Dureté BrinellLes valeurs de dureté Vickers, Rockwell et Barcol sont données à titre indicatif et ne peuvent pas être utilisées pour la conversion. Si une conversion est nécessaire, il est recommandé d'utiliser la table de conversion de dureté de la norme américaine ASTM E140.

Tableau de dureté des alliages d'aluminium

Analyse comparative

Comparaison de la dureté des alliages d'aluminium

Méthodologie de comparaison

L'analyse comparative de la dureté de l'aluminium implique l'évaluation de divers facteurs tels que le type d'alliage, la trempe et la présence de matériaux de renforcement. La comparaison est généralement basée sur des méthodes d'essai de dureté normalisées telles que Rockwell, Brinell et Vickers. Ces essais fournissent des mesures quantifiables qui peuvent être utilisées pour comparer les niveaux de dureté de différents alliages dans des conditions similaires.

Facteurs influençant la dureté

Plusieurs facteurs clés influencent la dureté des alliages d'aluminium :

1. Éléments d'alliage:
   • Cuivre (Cu): Améliore la dureté et la résistance. Par exemple, l'alliage 2024, qui contient du cuivre, est connu pour sa résistance et sa dureté élevées, ce qui le rend adapté aux applications aérospatiales.
   • Magnésium (Mg): Contribue à une dureté modérée et à la résistance à la corrosion. L'alliage 5052, qui contient du magnésium, est utilisé dans les environnements marins en raison de sa bonne résistance à la corrosion et de sa dureté modérée.
   • Silicium (Si): Améliore les propriétés de coulée et la dureté modérée. L'alliage de coulée 356, qui contient du silicium, est couramment utilisé dans les pièces automobiles pour ses bonnes caractéristiques de coulée et sa dureté suffisante.
   • Zinc (Zn): Augmente considérablement la dureté et la résistance. L'alliage 7075, qui contient du zinc, est l'un des alliages d'aluminium les plus résistants. Il est utilisé dans des applications nécessitant une grande solidité, comme les structures aéronautiques.
2. Procédés de traitement thermique:
   • Traitement thermique en solution: Ce procédé consiste à chauffer l'alliage pour dissoudre les éléments d'alliage, puis à le refroidir rapidement pour créer une solution sursaturée. Ce procédé améliore la dureté des alliages tels que le 6061 et le 7075.
   • Vieillissement: Les processus de vieillissement naturel et artificiel permettent la formation de précipités, ce qui augmente la dureté. Par exemple, la trempe T6 implique un traitement thermique de mise en solution suivi d'un vieillissement artificiel, qui augmente la dureté d'alliages tels que le 6061-T6 et le 7075-T6.
3. Vieillissement naturel: Avec le temps, les alliages d'aluminium vieillissent naturellement, ce qui entraîne des changements de dureté dus à la formation lente de précipités. Ce processus peut être accéléré par des traitements de vieillissement artificiels.
4. Matériaux de renforcement: L'ajout de matériaux tels que le diborure de zirconium ou les coquilles d'escargot aux matrices d'aluminium peut augmenter la dureté et le module d'élasticité. Le pourcentage de renforcement est directement lié à la dureté et aux propriétés mécaniques du composite.

Les facteurs influençant la dureté jouent un rôle crucial dans la détermination de l'adéquation d'un alliage d'aluminium à des applications spécifiques.

Déterminer l'alliage le mieux adapté à des besoins spécifiques

Processus de décision basé sur la dureté et les propriétés

Pour choisir le meilleur alliage d'aluminium pour une application spécifique, il faut tenir compte de l'équilibre souhaité entre la dureté, la résistance, la ductilité et d'autres propriétés mécaniques. Ce processus de prise de décision implique :

1. Exigences en matière de candidature: Comprendre les exigences spécifiques de l'application, telles que la capacité de charge, la résistance à l'usure et les conditions environnementales.
2. Propriétés mécaniques: Évaluation de la résistance à la traction, de la limite d'élasticité et de l'allongement des alliages potentiels pour s'assurer qu'ils répondent aux critères de performance.
3. Capacités de traitement thermique: Examiner la faisabilité et les avantages des processus de traitement thermique pour améliorer la dureté et d'autres propriétés.
4. Coût et disponibilité: Équilibrer les coûts et la disponibilité des matériaux avec les caractéristiques de performance requises.

Études de cas ou exemples de comparaisons

1. Aluminium 6061 vs 7075:
   • Aluminium 7075: Connu pour sa dureté et sa résistance supérieures, avec une dureté Brinell d'environ HB 150 dans la nuance T6. Il est idéal pour les applications soumises à de fortes contraintes, comme les composants aérospatiaux et militaires.
   • Aluminium 6061: Dureté modérée (HB 90-95 dans la trempe T6) et bonne usinabilité, ce qui le rend adapté aux pièces automobiles et à la construction.
2. Aluminium 5052 vs 6063:
   • Aluminium 5052: Offre une bonne résistance à la corrosion et une dureté modérée, couramment utilisée dans les environnements marins et pour les applications architecturales.
   • Aluminium 6063: Alliage pouvant être traité thermiquement et pouvant atteindre une dureté plus élevée par revenu, souvent utilisé dans les processus d'extrusion pour les cadres de fenêtres et la tuyauterie.
3. Composites renforcés:
   • L'ajout de diborure de zirconium aux matrices d'aluminium augmente la dureté et le module d'élasticité, ce qui rend ces composites adaptés aux applications nécessitant des propriétés mécaniques améliorées.

En comprenant et en comparant la dureté et les propriétés mécaniques des différents alliages d'aluminium, les ingénieurs et les fabricants peuvent prendre des décisions éclairées pour sélectionner les matériaux les plus appropriés à leurs besoins spécifiques, garantissant ainsi des performances optimales et la longévité de leurs applications.

Conformité et normes

Importance des normes dans l'industrie de l'aluminium

Le respect des normes industrielles est essentiel pour garantir la fiabilité, la sécurité et les performances des alliages d'aluminium dans diverses applications. Ces normes fournissent un cadre uniforme pour les essais, la classification et l'assurance qualité, garantissant que les pièces en aluminium répondent aux exigences rigoureuses de différentes industries telles que l'aérospatiale, l'automobile et la construction.

Aperçu des normes industrielles

Plusieurs normes clés régissent la dureté et d'autres propriétés des alliages d'aluminium, facilitant la cohérence et le contrôle de la qualité dans les processus de fabrication et d'application.

AMS 2658D

La spécification AMS 2658D, "Hardness and Conductivity Inspection of Wrought Aluminum Alloy Parts", est cruciale pour l'industrie aérospatiale. Elle établit les critères d'acceptation de la dureté et de la conductivité électrique des pièces finies ou semi-finies en alliages d'aluminium corroyé. Cette norme spécifie les valeurs requises pour la dureté et la conductivité, garantissant que les matériaux répondent aux critères de performance nécessaires pour les applications aérospatiales.

ASTM B647-10(2016)

La norme ASTM B647-10(2016) décrit l'utilisation de la jauge de dureté Webster pour mesurer la dureté des alliages d'aluminium. Bien que moins sensible que les machines de dureté Rockwell ou Brinell, la jauge Webster est précieuse pour le contrôle de la production et les essais sur le terrain. Cette norme permet de maintenir la qualité pendant la fabrication et de s'assurer que les pièces en aluminium respectent les niveaux de dureté spécifiés.

Normes EN

Les normes EN fournissent un cadre complet pour les alliages d'aluminium, couvrant les propriétés mécaniques, les désignations de traitement thermique et la résistance à la corrosion. Ces normes, qui ont remplacé d'anciennes normes comme la BS1470, garantissent la cohérence et la qualité dans différentes applications et industries. Elles sont essentielles pour permettre aux fabricants de produire des pièces en aluminium qui répondent aux spécifications et aux critères de performance requis.

Normes spécifiques pour la dureté de l'aluminium

Les différents alliages d'aluminium ont des normes et des propriétés spécifiques qui doivent être respectées pour garantir leur adéquation aux applications prévues. Par exemple :

• 2024-T351: Connu pour sa grande solidité et sa résistance à la fatigue, cet alliage est largement utilisé dans les applications aérospatiales. Les normes relatives à l'alliage 2024-T351 garantissent qu'il présente la dureté et les propriétés mécaniques requises pour les composants structurels critiques.
• 6061-T651: Cet alliage polyvalent est utilisé dans diverses industries, notamment l'automobile et la construction. Les normes relatives à l'alliage 6061-T651 spécifient sa dureté, sa résistance à la traction et sa résistance à la corrosion, ce qui garantit la fiabilité de ses performances dans diverses applications.
• 7075-T651: L'un des alliages d'aluminium les plus résistants, le 7075-T651 est essentiel pour les applications soumises à de fortes contraintes, telles que les ailes d'avion et les véhicules militaires. Les normes relatives à cet alliage garantissent qu'il répond aux exigences strictes en matière de dureté et de propriétés mécaniques nécessaires à ces applications exigeantes.

Garantir la conformité dans l'industrie manufacturière

Les fabricants doivent respecter les normes industrielles pour garantir la qualité et les performances des alliages d'aluminium. Cela implique des tests rigoureux et des processus de certification pour vérifier que les matériaux répondent aux critères spécifiés.

Processus d'essai et de certification

• Essai de dureté: Des méthodes telles que les essais de dureté Rockwell, Brinell et Vickers sont utilisées pour mesurer la dureté des alliages d'aluminium. Ces essais garantissent que les matériaux répondent aux niveaux de dureté requis par les normes industrielles.
• Mesures de conductivité: Les mesures de conductivité électrique, exprimées en pourcentage de l'International Annealed Copper Standard (IACS), sont utilisées pour vérifier les propriétés des pièces d'aluminium traitées thermiquement. Ces mesures sont influencées par la quantité d'éléments d'alliage en solution solide et la nature des précipités formés pendant le traitement thermique.

Conséquences de la non-conformité

Le non-respect des normes industrielles peut avoir de graves conséquences, notamment

• Défaillances de produits: Les pièces en aluminium qui ne présentent pas la dureté et les propriétés mécaniques requises peuvent se rompre sous l'effet de la contrainte, ce qui entraîne des risques pour la sécurité et des défaillances catastrophiques potentielles dans des applications critiques telles que les composants aérospatiaux et automobiles.
• Pertes financières: La non-conformité peut entraîner des rappels coûteux, des réparations et des responsabilités juridiques, affectant la réputation et la stabilité financière du fabricant.
• Sanctions réglementaires: Le non-respect des normes industrielles peut entraîner des sanctions réglementaires et la perte de certifications, ce qui limite la capacité du fabricant à fournir des matériaux à certaines industries.

Le respect de normes telles que AMS 2658D, ASTM B647-10 (2016) et les normes EN est essentiel pour maintenir la qualité, la sécurité et la performance des alliages d'aluminium dans diverses applications. Ces normes fournissent un cadre pour les essais, la classification et l'application, aidant les fabricants à produire des pièces en aluminium fiables et de haute qualité qui répondent aux exigences rigoureuses des différentes industries.

Quels sont les éléments qui, ajoutés à un alliage d'aluminium, augmentent le plus significativement sa dureté ?

Des éléments tels que le magnésium, le manganèse, le titane et les terres rares (comme le lanthane et l'yttrium) peuvent être ajoutés à un alliage d'aluminium pour en améliorer la dureté. L'incorporation de magnésium peut considérablement augmenter la résistance à la traction de l'aluminium ; pour chaque augmentation de 1% de magnésium, la résistance à la traction augmente d'environ 34 MPa.

L'introduction de manganèse peut compléter l'effet de renforcement et réduire la susceptibilité à la fissuration thermique.

En outre, l'ajout de terres rares (comme le lanthane et l'yttrium) peut améliorer la résistance au décollement de la couche d'oxydation. L'incorporation de ces éléments peut donc augmenter la dureté des alliages d'aluminium à des degrés divers.

Comment la dureté et la résistance à l'usure des alliages d'aluminium peuvent-elles être améliorées par des méthodes de traitement de surface ?

Plusieurs méthodes peuvent être employées pour améliorer la dureté et la résistance à l'usure des alliages d'aluminium par le biais d'un traitement de surface :

Traitement par oxydation anodique : Cette méthode courante consiste à former un film d'oxyde dense à la surface de l'alliage d'aluminium, ce qui améliore sa dureté et sa résistance à la corrosion.

Placage électrolytique de surface : En recouvrant la surface de l'alliage d'aluminium d'une couche de métal (comme l'étain ou le cuivre), sa dureté et sa résistance à l'usure peuvent être améliorées de manière efficace.

Pulvérisation de revêtements résistants à l'usure : Un revêtement spécial résistant à l'usure est pulvérisé uniformément sur la surface du matériau en alliage d'aluminium pour former un revêtement uniforme, dense et dur. Cette méthode permet non seulement d'améliorer la résistance à l'usure et à la corrosion, mais aussi d'améliorer l'apparence.

Durcissement par écrouissage à froid : Cette méthode permet de durcir l'alliage d'aluminium à température ambiante par déformation à froid. Elle convient aux matériaux en alliage d'aluminium qui doivent conserver leur forme d'origine.

Traitement thermique : Pour certains types spécifiques d'alliages d'aluminium (comme le 6061), leur résistance et leur dureté peuvent être améliorées par un traitement de vieillissement. Il s'agit généralement d'un traitement de vieillissement après le traitement en solution.

Dépôt par pulvérisation magnétron à courant continu d'un revêtement CrAlN amorphe : Cette méthode permet de déposer un revêtement CrAlN amorphe sur la surface de l'alliage d'aluminium, améliorant ainsi sa résistance à la corrosion et à l'usure.

Pulvérisation thermique et synthèse autopropagée à haute température : Ces méthodes permettent de préparer des revêtements céramiques résistants à l'usure sur la surface de l'alliage d'aluminium, ce qui améliore considérablement la résistance à l'usure de l'alliage d'aluminium.