CHARGE DE RUPTURE

Après recuit complet

25 kilos 2k*,5

Après

écrouissage

complet

51 kilos

Les impuretés ont pour effet d'élever la limite d'écrouissage.

« Si l'on examine ce qui a lieu pour les alliages, on observe, dit M. André Le Chatelier, que pour les uns l'écrouissage reste limité comme pour les métaux simples : c'est le cas du maillechort et du laiton; ces produits se tréfilent indéfiniment sans

1. Les chiffres donnés pour le cuivre et le nickel recuits nous semblent trop élevés. — On doit admettre 21 kilogrammes pour le cuivre et 50 kilogrammes maximum pour le nickel.

recuit, à condition que chaque passage à la filière ne produise qu'une faible réduction de diamètre; d'autres, au contraire, en particulier, les bronzes d'étain, les bronzes et laitons d'aluminium, les alliages de cuivre et d'argent, etc., se comportent tout différemment : chaque passage à la filière augmente leur résistance et diminue leur malléabilité, et l'on arrive rapidement à un état où le métal est complètement fragile et ne peut plus se tréfiler; ainsi, pour les bronzes à 10 0/0d'étain ayant, après recuit complet, une résistance de 36 kilogrammes, la résistance croît régulièrement à chaque passage delà filière ; mais je n'ai pu dépasser le chiffre de 125 kilogrammes, le métal étant devenu trop brisant et n'ayant plus aucune malléabilité. 11 y a à ce point de vue des différences très intéressantes. »

M. A. Le Chalelier a étudié également l'influence du recuit en général, et il est arrivé aux résultats suivants :

1° Le recuit n'est pas un phénomène instantané; ses effets s'accentuent à mesure que sa durée augmente; rapide au début, il devient de plus en plus lent, et la diminution d'écrouissage qu'il produit tend vers une limite déterminée à chaque température ;

2° La limite vers laquelle tend l'écrouissage sous l'action du recuit est d'autant plus faible et est en pratique atteinte d'autant plus rapidement que la température de recuit est plus élevée;

3° A partir d'une certaine température, le recuit est pratiquement complet et une nouvelle élévation de température ne produit pas une nouvelle diminution de la charge de rupture, qui a alors atteint la valeur la plus faible dont le métal soit susceptible. A partir de cette température, il peut se produire ce que M. A. Le Chatelier a appelé la cristallisation par recuit, phénomène qui s'accentue avec la durée du recuit et a pour effet d'abord de diminuer la striction, puis, s'il est assez prononcé pour la faire disparaître, de diminuer simultanément la charge de rupture et l'allongement. Le métal se rapproche alors de l'état qu'il avait après simple fusion;

4° Les impuretés ont pour effet de retarder le recuit; le métal le plus pur est celui qui atteint le plus rapidement sa

GÉNÉRALITÉS SCR LES ALLIAGES t)t

limite de recuit à une température donnée et pour lequel la température de recuit complet est la plus basse ;

5° La cristallisation par recuit est causée par les impuretés existant dans le métal et dont le point de fusion est inférieur à celui du métal, ou qui forment avec lui des composés jouissant des mêmes propriétés.

Nous verrons, au chapitre des Laitons, l'étude fort intéressante de M. Gharpy sur ce point.

Enfin, il n'est pas inutile de dire ici quelques mots d'un phénomène spécial étudié par M. André Le Chatelier et auquel il a donné le nom de recuit spontané : si, après avoir obtenu un métal écroui par un procédé quelconque, on l'abandonne à lui-même, il se recuit peu à peu sous l'influence du temps, ce que Ton constate par une augmentation de la malléabilité et même par une réduction de la charge de rupture. On a ainsi observé que des fils de cuivre ou d'argent écrouis au maximum avaient, au bout de plusieurs heures, une résistance inférieure de 3 à 4 kilogrammes à celle qu'ils possédaient immédiatement après le passage à la filière.

C'est ce phénomène qui explique la limite de l'écrouissage et ce fait que les métaux simples sont indéfiniment déformables. L'écrouissage ne pourrait pas, en effet, rester limité si, à partir d'un certain moment, tout accroissement produit par une nouvelle déformation n'était pas détruit par un effet de recuit équivalent et de sens contraire. Le tréfilage met très nettement en évidence le recuit spontané; si on veut pour du cuivre, par exemple, produire à chaque passe une réduction de diamètre prononcée, le fil se brise au bout d'un petit nombre de passes, parce que l'écrouissage intense que Ton produit momentanément lui enlève toute déformabilité ; si, à chaque passe, on ne produit qu'une faible réduction de diamètre, on a encore des ruptures si les passes sont faites à de courts intervalles; si, au contraire, on laisse le fil se reposer un certain temps, cinq ou dix minutes entre chaque passe, on peut l'étirer indéfiniment. On pourrait, par des essais de compression, mettre ces faits en évidence d'une façon plus précise :

ainsi, si on comprimait un cylindre de cuivre sous l'action d'une charge légèrement supérieure à l'écrouissage maximum, on le verrait s'écraser indéfiniment et lentement sous l'influence du recuit.

M. André Le Chatelier a indiqué encore une autre conséquence directe du recuit spontané.

Le recuit spontané joue un rôle considérable dans les propriétés mécaniques des métaux, non seulement par suite de ce fait qu'il limite l'écrouissage et donne aux métaux une déformabilité indéfinie, mais aussi parce qu'il est la cause de l'influence du temps sur ces propriétés mécaniques, influence qui consiste en ce que :

1° La charge de rupture d'un métal à une température donnée est d'autant plus élevée que la vitesse de traction est plus grande;

2° La déformation que prend un métal sous l'action d'une charge ne se produit pas instantanément; elle continue à croître sous l'action du recuit spontané; mais, conformément aux lois du recuit indiquées ci-dessus, elle va en croissant de moins en moins vite, en tendant vers une limite déterminée quand il s'agit d'une charge inférieure à celle dont l'action prolongée amène la rupture. Cette double influence du temps est très apparente pour tous les métaux à une température plus ou moins élevée; dès la température ordinaire elle est très nette pour les métaux, tels que le cuivre, l'argent, l'aluminium. Mais le métal qui en donne l'exemple le plus remarquable est le zinc. « J'ai observé, dit M. André Le Chatelier, qu'un fil de zinc qui pouvait supporter pendant deux ou trois secondes une charge de 20 kilogrammes par millimètre carré se brisait sous l'action d'une charge de 6 kilogrammes seulement au bout de onze secondes, en s'allongeant, progressivement, sous l'influence du recuit spontané, de 173 0/0.

En raison de ces divers effets, le recuit est la principale base de l'étude des propriétés mécaniques des métaux; il donne avec l'influence propre à la température, en raison de la diminution de résistance qu'elle produit en s'élevant et avec les

perturbations causées par l'existence de modifications allotropiques pour certains métaux, l'explication de tous les faits que Ton peut avoir occasion d'observer.

La trempe est un traitement basé sur le refroidissement brusque d'un métal, préalablement porté à une certaine température.

Ce traitement est particulièrement intéressant pour les aciers. Nous montrerons, plus loin, qu'il s'applique également aux bronzes et aux alliages de cuivre et d'aluminium.

La trempe a toujours pour effet de maintenir le métal presque totalement dans l'état où il se trouve au moment où on le trempe1 : si l'effet n'est pas complet, cela provient de ce que la vitesse de refroidissement n'est pas toujours suffisante.

On conçoit aisément que l'effet de la trempe sur les propriétés d'un métal ou d'un alliage dépende essentiellement des trois facteurs suivants :

1° La composition de l'alliage; 2° La température de trempe; 3° La nature et le volume du bain de trempe. 1° La composition des alliages a une influence prépondérante. 11 est bien certain qu'un métal qui ne se transforme pas pendant le chauffage — tel le cuivre — ne subira pas plus de changement par trempe que par recuit.

Un exemple frappant de l'influence de la composition sur l'effet de la trempe est donné par les alliages de fer et de carbone, lesquels sont d'autant plus sensibles h ce traitement qu'ils renferment plus de carbone; la charge de rupture et la limite élastique augmentent d'autant plus, après trempe, les allongements et les strictions diminuent d'aulant plus que le carbone est en quantité plus importante.

2° La température de trempe a également une influence des plus grandes, puisque, dans ce traitement, le métal est maintenu h l'état où il se trouvait au moment de la trempe,

i. Voir à ce sujet l'étude de M. Grenet parue dans le Bulletin de la Société de l Industrie minérale, juin 1903, et qui contredit cette façon de voir.

c'est-à-dire à la température à laquelle il a été porté.

On sait fort bien qu'un acier à outils porté à 600° n'est pas trempé et qu'il faut une température de 750° environ pour que l'effet soit produit.

3° Enfin, la plus ou moins grande transformation apportée dans le métal par la trempe dépend de la vitesse de refroidissement; or cette vitesse est variable avec le bain de trempe utilisé. Celui-ci sera d'autant plus actif, produira une trempe d'autant plus vive que :

a) Sa température sera plus basse ;

g) Sa conductibilité sera plus grande ;

y) Son volume sera plus important, du moins jusqu'à un certain point;

8) Sa volatilisation par immersion du métal chaud sera moindre ;

s) La conductibilité de ses vapeurs sera plus faible;

y}) Sa viscosité sera moindre.

On conçoit alors que les recettes de bains de trempe soient extrêmement nombreuses. Les bains les plus usités sont : l'eau, l'eau chargée de chaux, l'eau chargée de sels (chlorhydrate d'ammoniaque, chlorure de sodium, etc.), l'acide. sulfurique, l'acide phénique, les huiles minérales, l'huile de colza, le plomb fondu, etc.

Il nous est impossible d'entrer ici dans plus de détails sur la trempe ; nous donnerons à propos des divers alliages l'influence de ce traitement.

Le revenu est un recuit fait à basse température. 11 ne s'emploie guère que pour les aciers et même que pour les aciers trempés. Il a pour but de détruire les tensions internes et de diminuer la fragilité qu'occasionne toujours une trempe vive.

On dira pratiquement qu'un acier a subi un revenu lorsqu'il a été porté à une température inférieure à 700° l.

1. Plus régulièrement on dirait qu'un acier a subi le revenu, Iorsqu'après trempe il a été porté à une température inférieure à son premier point de transformation.

Pour bien montrer l'influence de ce traitement, nous citerons les résultats obtenus sur un acier chrome-nickel dont l'analyse a donné :

C = 0,330, Si = 0,260, Mn = 0,435, Ni = 2,430, Cu = 0,423

On est parti d'un métal trempé à 850°, qui a donné :

— Revenu à 300° environ...

— et recuit à 850°.

On voit que, la température de revenu augmentant, la charge de rupture et la limite élastique diminuent, tandis que les allongements et les strictions augmentent.

On conçoit l'intérêt considérable d'un tel traitement.

3° Traitements chimiques. — Les principaux traitements chimiq ues peuvent avoir pour but :

a) D'affiner la surface du métal : tel le décapage1;

g) D'introduire ou d'enlever à l'alliage un élément : cémentation des aciers, décarburation des mêmes alliages, fabrication de la fonte malléable, fabrication des fils de laiton par cémentation du cuivre dans la vapeur de zinc.

Le décapage a pour but de créer une surface très nette qui permette un traitement ultérieur ou d'améliorer l'aspect extérieur du produit métallurgique. Nous citerons, comme exemple du premier cas, le décapage des barres d'acier, de laitons, de melchiors, etc., avant l'étirage ; il a, pour effet, d'enlever la couche d'impuretés (oxydes, sulfures, etc.), qui a pris naissance dans les opérations précédentes (laminage, recuit, etc.). Comme exemple du second cas, on peut citer le

1. On peut ranger dans cette catégorie les dépôts galvanoplastiques : cuivrage, nickelage, etc.

décapage que Ton fait subir aux planches de laiton avant de les livrer au commerce.

La cémentation a pour effet d'introduire dans un métal ou dans un alliage un élément étranger. Cette opération est extrêmement importante, surtout pour les aciers. Nous Ta von s analysée au point de vue théorique et pratique dans un long mémoire présenté à la Société des Ingénieurs civils de France (février 1904) ; nous y avons relaté les expériences que nous avons faites. Elles ne sauraient trouver place ici.

Disons, toutefois, que, pour les aciers, cette opération a pour but de carburer la surface, de telle sorte que Ton ait une pièce dont l'âme soit à faible teneur en carbone, tandis que la périphérie en renferme environ 0,800 à 1 0/0. En trempant une telle pièce, la surface acquiert une dureté superficielle remarquable, tandis que l'àme reste nerveuse et non fragile, si l'opération a été faite dans de bonnes conditions.

Il faut donner à la cémentation une signification plus générale que celle indiquée plus haut. Il faut admettre, en effet, que le phénomène bien connu de la pénétration du fer par le carbone a lieu avec d'autres éléments, aussi bien pour le fer que pour d'autres métaux.

On sait déjà depuis fort longtemps qu'un morceau de cuivre abandonné dans de la vapeur de zinc se laisse pénétrer par ce produit. Des expériences récentes que nous avons faites sur des bronzes ont montré qu'il en est bien de même avec l'étain : nous avons chauffé une barre de cuivre ajustée dans une barre de bronze à 10 0/0 d'étain ; au bout d'un certain temps, la ligne de démarcation entre le bronze et le cuivre n'existait plus au microscope.

De même, nous avons obtenu la cémentation du fer par le nickel, mais le phénomène a une vitesse faible.

Enfin on a parlé de la cémentation du fer par le silicium, l'arsenic, etc. Il peut évidemment paraître osé, étant donné le nombre restreint d'expériences qui ont été faites à ce sujet, de formuler une appréciation générale. On peut toutefois dire qu'il ne paraîtrait pas surprenant, dans l'état actuel de la science,

qu'un corps A soit susceptible de cémenter un métal B à une température T, lorsqu'à cette température T les corps A et B forment une solution solide.

II arrive parfois que le traitement ait pour but non pas d'ajouter un élément, mais bien d'en enlever un. Un exemple industriel intéressant est celui de la fabrication de la fonte malléable, bien que son importance diminue beaucoup. Le principe de cette fabrication est essentiellement le suivant : les pièces sont moulées en fonte, puis elles sont soumises h un recuit en présence d'oxyde de fer ; il y a alors décarburation, et le métal s'adoucit.

PROPRIETES DES ALLIAGES

Nous nous proposons seulement de démontrer par desexemples que Ton ne peut nullement raisonner sur les propriétés des alliages en adoptant comme point de départ les propriétés des métaux constituants. Nous renvoyons à notre premier livre sur l'Etude théorique des Alliages métalliques pour les détails complémentaires.

Fusibilité. — Généralement l'introduction d'un métal en petites quantités dans un autre métal abaisse son point de fusion. Il y a des alliages qui fondent à température beaucoup plus basse que le plus fusible des métaux constituants. Nous citerons : l'alliage

SnT 63

Pb 37

qui fond à 182°; L'alliage qui correspond à la composition

Bi o.'j

et qui fond à 118°.

Certains alliages possèdent un point de fusion bien supérieur à celui du moins fusible des métaux constituants.

Nous citerons l'alliage d'antimoine et d'aluminium composé de :

Sb 15

Al 85

qui fond à 1.050°, bien que les métaux constituants fondent à 630° et 650°.

Points de transformation. — Les points de transformation que présentent les métaux constituant un alliage peuvent varier considérablement avec sa composition.

Nous verrons que le nickel et le manganèse abaissent considérablement les points de transformation du fer, tandis que le silicium et raluminium les relèvent.

Résistance électrique. — On sait que Ton observe des variations brusques dans la résistance électrique des alliages binaires lorsqu'on fait varier leur composition. On a mis ainsi en vue les combinaisons SnCu3, SnAu, etc.

Magnétisme. — On connaît des alliages non magnétiques, bien que renfermant un métal magnétique, tels que certains alliages nickel-cuivre, fer-manganèse, aluminium-fer, etc. On connaît même des alliages non magnétiques formés de métaux magnétiques : tels certains aciers au nickel. Enfin on a appris, ces derniers temps, l'existence d'alliages magnétiques formés de métaux non magnétiques à la température ordinaire ; ce sont les alliages aluminium-manganèse, manganèse-étain, dont nous parlons plus loin (chap. xxix).

Dilatation. — Le meilleur exemple que Ton puisse donner de la variation de la dilatation des alliages avec leur composition, est celui des alliages fer-nickel. Nous y revenons en détail dans le chapitre des Aciers spéciaux.

Propriétés mécaniques. — Les exemples d'alliages qui ont des propriétés mécaniques tout autres que les métaux constituants sont tellement nombreux que Ton ne sait quel choix faire. Faut-il rappeler que certains alliages d'aluminium et de

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fer, d'aluminium et de nickel, d'aluminium et de cobalt, etc., tombent en poussière d'eux-mêmes en quelques heures? D'autre part, Ion sait que les métaux aussi cassants que le zinc donnent des alliages extrêmement ductiles, comme le laiton.

Enfin nous étudierons plus loin les propriétés que donne le nickel aux aciers, propriétés qui varient d'une façon extraordinaire avec le pourcentage.

Densité. — Nous n'insistons pas sur ce point; on sait, en effet, que certains alliages se forment avec contraction ou dilatation. Souvent, d'ailleurs, l'écart est de l'ordre de grandeur des différences observées sur un même métal.

Cocleor. — La coloration des alliages est parfois très différente de celle des métaux constituants; les laitons sont parfois verdâtres, les bronzes d'un beau brun ou d'un or très prononcé ; mais les exemples les plus typiques d alliages ayant une couleur très différente de celle des métaux constituants sont donnés par certains alliages cuivre-antimoine qui sont d'un beau violet et dos alliages argent-cadmium qui sont d'un or violacé très accusé.