Acier vs aluminium : quel métal offre une ductilité et des performances supérieures ?

En comparant l'acier et l'aluminium, l'acier est noté comme le plus résistant des deux métaux car il est 2,5 fois plus dense que l'aluminium et a une résistance à la traction élevée. L'acier offre également plus de résistance à la corrosion que l'aluminium. Cependant, l'aluminium est plus ductile que l'acier, lui donnant une excellente malléabilité qui bénéficie spécifiquement aux industries telles que l'aérospatiale, l'électrique et la construction.

Ci-dessous, nous examinons de plus près la ductilité de l'acier vs l'aluminium et discutons de l'importance de la ductilité, en particulier pour les applications structurelles.

Qu'est-ce que la ductilité ?

La ductilité fait référence à la capacité d'un métal à subir une déformation plastique sans se fracturer sous contrainte ou tension.

Deux valeurs différentes définissent généralement la résistance d'un matériau :

1. Résistance ultime : La résistance maximale qu'un matériau peut supporter avant de se rompre
2. Limite d'élasticité : La contrainte maximale qu'un matériau peut supporter lorsqu'il est déformé dans sa limite élastique

La ductilité du matériau fait référence à la zone entre la limite d'élasticité et la résistance ultime à la traction. Plus la distance entre les deux points est grande, plus le matériau est ductile.

L'importance de la ductilité

La ductilité permet aux structures de se plier dans une certaine mesure sans se rompre. Cette caractéristique est très utile pour la conception de structures résistantes aux séismes.

L'objectif des codes du bâtiment conventionnels est d'empêcher l'effondrement dans les cas de risques environnementaux extrêmes tels que les tremblements de terre. Pour prévenir l'effondrement soudain, la réponse structurelle d'un bâtiment aux ondes sismiques doit être élevée, et il doit également être capable de réduire simultanément l'amplitude des vibrations. L'ajout de ductilité aux éléments structurels agit comme un puits pour les énergies sismiques produites pendant les tremblements de terre.

L'utilisation de matériaux ductiles dans les applications structurelles présente les avantages suivants :

• Ajoute de la robustesse aux structures
• Distribution uniforme des contraintes et forces à travers la structure
• Améliore la résistance des éléments, connexions et structures
• Montre un avertissement de défaillance avant l'effondrement
• Permet aux structures de survivre à des chargements sismiques sévères

La ductilité de l'acier vs l'aluminium

Pour mieux comprendre la ductilité de l'acier vs l'aluminium, examinons d'abord chacune de leurs structures.

L'aluminium forme une structure cristalline répétitive, également connue sous le nom de structure cubique à faces centrées (CFC). L'un des avantages de cette structure est qu'elle contient des systèmes de glissement qui se déforment facilement lorsque la force est appliquée. C'est la raison pour laquelle l'aluminium est plus ductile que l'acier, qui a une structure cubique centrée sur le corps (CCC). Une structure CCC n'a pas une structure atomique étroitement compacte et manque également de systèmes de glissement prédominants comme la CFC. Cependant, les matériaux CCC peuvent activer le glissement avec de l'énergie thermique.

En considérant la ductilité de l'acier, l'acier est un alliage de fer et de carbone. Dans le fer, l'arrangement des atomes dépend de la température, ce qui signifie que la résistance de l'acier peut être augmentée par divers traitements thermiques et processus de trempe. Cependant, avec une résistance accrue, l'acier commence à perdre sa ductilité. Par exemple, l'acier martensitique est le grade d'acier le plus résistant et le plus dur disponible, mais il est aussi le plus fragile. L'ajout d'éléments d'alliage supplémentaires, ainsi que le chauffage et la trempe, peuvent augmenter la ductilité de l'acier dans une grande mesure. Par exemple, l'ajout d'une très petite quantité de carbone à l'acier peut augmenter sa ductilité jusqu'à 50 % de celle d'un alliage d'aluminium.

En comparaison, l'aluminium est un matériau relativement tendre avec un point de fusion bas ; ainsi, l'aluminium pur est hautement ductile par nature. En raison de sa haute ductilité, les alliages d'aluminium s'ébrèchent plus facilement que l'acier ou le cuivre, leur permettant d'être formés près de la fin de la conception du produit. En conséquence, l'aluminium est très recherché, tant pour les prototypes que pour les séries de production.

Avantages et défis de l'usinage de l'acier et de l'aluminium

La ductilité de l'acier vs l'aluminium leur permet de développer la formabilité sans être endommagés. Les aciers peuvent être tirés en fils, poutres, barres et cadres pour répondre aux exigences spécifiques de toute construction. De même, vous pouvez utiliser la ductilité de l'aluminium pour créer des plaques d'outillage, tiges, tubes, feuilles, fils, et plus. Comme l'aluminium conduit et dissipe la chaleur rapidement, il reste stable avec moins de distorsion pendant le soudage à l'arc, par rapport à l'acier ou au cuivre.

Cependant, tous ces avantages viennent avec des défis d'usinage coûteux. Lors de l'usinage de métaux ductiles, l'outil de coupe crée une contrainte de compression sur la pièce. La contrainte se convertit progressivement en contrainte de cisaillement de différentes magnitudes et se propage dans plusieurs directions vers l'angle de coupe. Lorsque cette contrainte de cisaillement dépasse la déformation du matériau, la formation de copeaux continus se produit. Le matériau accumulé se lie à la pointe de l'outil et à la pièce, résultant en une mauvaise finition de surface et nécessitant que l'outil coupe avec une force plus grande à chaque passe.

Pour surmonter ce défi, il est important d'utiliser des outils haut de gamme à basse vitesse avec une force de friction élevée soutenue par un taux d'avance élevé. L'absence des bons outils et de l'expertise peut conduire à plus de gaspillage et à la surconsommation de matières premières, résultant en un mauvais ROI.

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