Comprendre la ductilité de l'aluminium : avantages, inconvénients et implications structurelles

La ductilité d'un matériau fait référence à sa capacité à subir une grande quantité de déformation inélastique jusqu'à ce qu'il casse. Elle est généralement considérée comme une propriété douce de tout matériau. Cependant, en réalité, les matériaux ductiles comme l'aluminium ont un rôle important à jouer dans chaque application structurelle. L'aluminium, qui est l'un des matériaux les plus couramment utilisés dans les structures de grande hauteur et les gratte-ciel, a une bonne ductilité. Cependant, sa ductilité varie en fonction du traitement thermique qu'il a reçu et des matériaux d'alliage qui y ont été ajoutés.

Ci-dessous, nous détaillons d'abord l'importance de la ductilité dans les applications structurelles, puis explorons les avantages et les inconvénients de la ductilité de l'aluminium.

L'importance de la ductilité dans les applications structurelles

La déformabilité et la ductilité sont deux propriétés majeures d'un matériau qui définissent sa résistance latérale. Un matériau avec une bonne ductilité peut subir un grand allongement avant de s'effondrer.

Pour mieux comprendre la ductilité, regardons un graphique contrainte-déformation du matériau, montré ci-dessous :

Ici, la limite d'élasticité représente le point jusqu'auquel le matériau peut supporter une certaine charge avant de commencer à se déformer. Jusqu'à ce point, le matériau peut revenir à sa forme originale une fois la charge retirée, comme du caoutchouc.

Si nous augmentons la charge au-delà du point de rendement, le matériau montrera une déformation plastique. Cela signifie que le matériau aura une déformation permanente, mais il ne se brisera pas jusqu'à ce que la charge atteigne le point de résistance ultime sur la courbe. Au-delà de ce point, le matériau se rompra avant de s'effondrer complètement.

La phase entre la limite d'élasticité et la résistance ultime représente la ductilité du matériau. La ductilité d'un matériau est mesurée en termes de rapport de ductilité ou facteur de ductilité, comme indiqué ci-dessous.

Idéalement, la valeur devrait être entre quatre et cinq.

Dans le cas d'un matériau hautement ductile, ces deux points sont très éloignés l'un de l'autre, et ainsi, le matériau peut subir une grande déformation plastique avant l'effondrement. Cependant, dans le cas d'un matériau fragile, c'est le contraire.

Différents métaux ont différentes ductilités. Des matériaux comme l'or et l'argent peuvent être tirés en fils fins, car ils sont hautement ductiles. D'un autre côté, le carbure de tungstène et la fonte sont hautement fragiles. Maintenant, discutons de la ductilité de l'aluminium.

Avantages de la ductilité de l'aluminium

L'aluminium pur est ductile par nature. Cependant, l'aluminium existe en différents grades. L'ajout d'éléments supplémentaires et le type de traitement thermique affectent sa ductilité.

Le tableau suivant liste la ductilité de certains alliages d'aluminium couramment utilisés comparés à certains alliages d'acier couramment utilisés.

Alliage	Traitement thermique	Allongement à la rupture (à 25 °C)
Aluminium 3003	O (Recuit)	40%
	H14 (Durci par déformation)	16%
Aluminium 5052	O	30%
	H32	18%
Aluminium 6061	O	30%
	T6	17%
AISI 4140 Acier	Trempé à l'huile	15%
AISI 4340 Acier	Normalisé	12%
AISI 6150 Acier	Trempé à l'huile	14%

Clairement, toutes les formes d'aluminium ont une meilleure ductilité que l'acier. Avec les traitements thermiques subséquents, l'aluminium atteint une résistance plus élevée mais au coût de la ductilité. Néanmoins, la ductilité de l'aluminium offre un avantage essentiel dans les applications structurelles.

En cas de surcharge imprévue, une structure fragile (faite uniquement d'acier) s'effondrera soudainement, tandis qu'une structure ductile (acier + aluminium) subira un effondrement contrôlé. L'ajout de ductilité à la structure en fer par des poutres ou des câbles de suspension augmente son potentiel maximal dans son ensemble ; ainsi, au moment d'un tremblement de terre, elle ne s'effondre pas soudainement mais cède de manière contrôlée. Cela peut sauver des vies, car cela donne aux personnes dans des situations menaçant leur vie suffisamment de temps pour s'échapper. C'est la raison pour laquelle les matériaux ductiles comme l'aluminium sont utilisés comme éléments structurels majeurs dans les zones sujettes aux tremblements de terre.

Inconvénients de la ductilité de l'aluminium

Comme l'aluminium est un matériau relativement tendre avec un point de fusion bas, il peut être quelque peu difficile à usiner. Selon ses éléments d'alliage, l'aluminium peut fondre en raison de la chaleur produite par le frottement entre l'outil et la pièce. En conséquence, des copeaux collants peuvent commencer à s'accumuler autour de la lame et offrir une résistance à l'outil à chaque passe. Lorsque suffisamment de matériau s'accumule, la lame peut saisir l'aluminium, causant potentiellement des blessures au machiniste. Les lames de coupe peuvent également s'user rapidement en raison de la nature tendre mais abrasive de l'aluminium, et les coûts associés à l'achat de nouveaux outils peuvent être significatifs.

Il est important de sélectionner le bon outil de coupe pour le travail et de suivre les meilleures pratiques pour produire des coupes plus rapides avec des pertes de matériau minimales. Sans équipement de sciage de qualité industrielle et les bonnes lames (non-ferreux/carbure pour bois), il est impossible d'obtenir une coupe nette avec des matériaux ductiles comme l'aluminium.

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