Température de transition ductile-fragile de l'aluminium 6061 : critique pour applications cryogéniques

Il est important de comprendre les températures de transition ductile-fragile (TTDF) des métaux lorsque l'on considère quels matériaux utiliser pour des applications fonctionnant dans des environnements cryogéniques. Certains métaux qui sont plus ductiles à température ambiante peuvent devenir fragiles à basses températures. En conséquence, ils développent des fractures et la structure peut échouer. Par exemple, la TTDF de l'acier à faible teneur en carbone utilisé dans la construction du Titanic a pu contribuer au naufrage du navire dans un environnement à seulement -20 °C.

Cependant, la TTDF s'applique-t-elle à tous les métaux, y compris l'aluminium 6061 ? Ci-dessous, nous plongeons plus profondément dans la TTDF et pourquoi il n'y a en fait pas de température de transition ductile-fragile pour l'aluminium 6061.

Comprendre la température de transition ductile-fragile

La TTDF fait référence à la température du matériau à laquelle il passe en phase fragile depuis la phase ductile. À ce stade, le matériau ne peut plus supporter la force de charge sans développer une fracture.

Les métaux purs ont tendance à avoir une température de transition définie, tandis que dans les alliages, cette température de transition est définie de manière unique – elle peut se produire sur une plage finie.

À cet égard, le test de choc Charpy, également connu sous le nom de test Charpy V-notch, est effectué pour déterminer la ténacité d'un matériau. Cependant, sorprenantment, l'aluminium n'a pas de TTDF.

Température de transition ductile-fragile de l'aluminium 6061

L'aluminium a une structure cubique à faces centrées (CFC). Les matériaux à faces centrées n'ont aucune transition ductile-fragile ; ils ont toujours tendance à rester dans un état ductile.

Pourquoi ? Pour cela, nous devons comprendre le système de glissement du matériau. Les métaux se déforment le long des directions les plus compactes sur les plans de glissement les plus compactes, également connus sous le nom de systèmes de glissement. La dislocation d'un glissement se produit lorsqu'un atome de coin saute au centre du cube.

Regardons la maille élémentaire des matériaux CCC et CFC, comme indiqué ci-dessous.

Les deux structures ont le même nombre de systèmes de glissement (12). Cependant, contrairement au CCC, le CFC a des plans compactés appartenant à chaque système de glissement.

À haute température, les structures CFC et CCC ont des dislocations mobiles, ce qui signifie qu'elles peuvent subir une déformation plastique sans subir de fracture. Cependant, à basse température, vous avez besoin d'une certaine quantité d'énergie thermique pour activer les dislocations dans les structures CCC, mais les dislocations se produisent dans le CFC indépendamment de la température environnante. En conséquence, le CFC reste ductile même à basse température et ne présente pas de phénomène de TTDF.

C'est pourquoi vous ne pouvez trouver aucune donnée concernant la température de transition ductile-fragile de l'aluminium 6061.

Applications uniques de l'aluminium à basse température

Contrairement aux autres métaux, l'aluminium est plus ductile et résistant à basse température, grâce à la structure CFC du métal. Cette propriété unique est un avantage pour les installations offshore dans l'hémisphère nord, qui atteignent facilement -40 °C.

Les alliages d'aluminium des séries 5000 et 6000 sont considérés comme les plus appropriés pour les applications cryogéniques en raison de leur rapport de rendement à l'entaille élevé, qui est un rapport entre la résistance à la traction à l'entaille et la limite d'élasticité à la traction pour un test de contrôle qualité du matériau contre les essais de fracture.

Cependant, il est important de noter que tous les alliages d'aluminium ne se comportent pas de la même manière à basse température. Par exemple, la résistance du 6061 augmente à mesure que la température diminue, tandis que pour l'aluminium 5456, elle reste presque constante.

Pour plus de clarté, le graphique ci-dessous montre la limite d'élasticité à la traction à 4K (ksi) pour différents alliages d'aluminium.

Le tableau ci-dessous liste différents grades d'aluminium utilisés sur une large gamme de températures cryogéniques.

Température	Alliages d'aluminium appropriés
-45 °C	Presque tous sauf 7075-T6 et 7178-T6
-100 °C	7079-T6
-196 °C	2024-T6, 7039-T6, 5456-H343
-253 °C	2024-T4, 6061-T6, 2219-T87, 5052-H38, 5083-H38

Alors que l'absence de température de transition ductile-fragile de l'aluminium 6061 est bénéfique pour les industries travaillant avec des applications cryogéniques, sa nature tendre est un défi pour les opérateurs de machines. Le point de fusion bas de l'alliage peut entraîner une accumulation collante autour du bord de l'outil.

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