L'aluminium occupe une place dans le choix des matériaux d'ingénierie que très peu de métaux peuvent égaler. La combinaison de sa faible densité, de ses bonnes performances mécaniques, de sa résistance naturelle à la corrosion et de sa conductivité thermique et électrique élevée en fait un matériau véritablement polyvalent dans un large éventail de secteurs et d'applications, allant des structures aérospatiales et des panneaux de carrosserie automobile aux échangeurs de chaleur, en passant par les conducteurs électriques et les équipements de transformation alimentaire. Une compréhension approfondie des propriétés de l'aluminium est indispensable pour l'utiliser à bon escient et pour savoir dans quels cas ses limites entrent en jeu.
La propriété la plus utile de l'aluminium est sans conteste sa faible densité. Avec une densité représentant environ un tiers de celle de l'acier ou du cuivre, il s'agit de l'un des métaux de construction les plus légers disponibles sur le marché. Cela en fait le choix par défaut dans toutes les applications où la réduction de la masse est un critère de conception primordial : les structures aéronautiques, les carrosseries de véhicules, les équipements portables et les systèmes de toiture à grande portée s'appuient tous sur cette caractéristique.
Une faible densité ne suffit toutefois pas à elle seule à faire de l’aluminium un matériau structurel utile. Ce qui rend l’aluminium véritablement compétitif par rapport aux métaux plus lourds, c’est son rapport résistance/poids. L’aluminium pur présente une résistance à la traction modeste, mais l’ajout d’éléments d’alliage modifie considérablement cette caractéristique. Le manganèse, le silicium, le cuivre et le magnésium, combinés de diverses manières, donnent naissance à des familles d’alliages dont la résistance peut être adaptée à des applications spécifiques grâce à la composition et au traitement thermique. Les alliages d’aluminium à haute résistance utilisés dans le secteur aérospatial peuvent atteindre des résistances à la traction comparables à celles de nombreux aciers de construction, tout en pesant moins de la moitié de leur poids.
L'une des propriétés les plus importantes de l'aluminium sur le plan pratique est sa résistance naturelle à la corrosion. Lorsque l'aluminium est exposé à l'air, une fine couche d'oxyde stable se forme presque instantanément à sa surface. Cette couche adhère fermement au métal sous-jacent et est capable de se régénérer : si la surface est rayée ou endommagée, l'oxyde se reforme immédiatement au contact de l'oxygène. Il en résulte un matériau qui offre de bonnes performances dans les environnements atmosphériques, en eau douce et dans un large éventail de milieux chimiques, sans nécessiter de revêtements protecteurs.
L'aluminium résiste à la plupart des acides, mais est moins résistant aux alcalis, ce dont il faut tenir compte lors de son utilisation dans des environnements de traitement chimique. Lorsqu'une protection de surface renforcée est nécessaire, l'anodisation permet d'épaissir considérablement la couche d'oxyde et peut également servir à des fins décoratives. La résistance inhérente de l'aluminium à la corrosion, associée à son caractère non toxique, explique son utilisation très répandue dans l'agroalimentaire, l'emballage, les équipements de cuisson et les ustensiles de cuisine.
La conductivité thermique de l'aluminium est environ trois fois supérieure à celle de l'acier, ce qui en fait un matériau essentiel partout où un transfert de chaleur efficace est nécessaire. Les échangeurs de chaleur, les radiateurs automobiles, les systèmes de refroidissement pour l'électronique et les ustensiles de cuisine exploitent tous directement cette propriété. Dans les applications où la gestion du flux thermique est aussi cruciale que la résistance aux charges structurelles, l'aluminium offre souvent la solution la plus efficace, tant en termes de performances thermiques que de poids.
L'aluminium présente une conductivité électrique suffisamment élevée pour être utilisé comme conducteur électrique à part entière, ce qui en fait l'un des deux seuls métaux disponibles dans le commerce couramment utilisés à cette fin, avec le cuivre. Bien que sa conductivité volumique soit inférieure à celle du cuivre, sa conductivité massique est nettement supérieure, ce qui explique pourquoi l’aluminium est le matériau de conduction privilégié pour les lignes aériennes de transport d’électricité à haute tension, où il est important de réduire au maximum le poids des câbles. Son avantage en termes de coût par rapport au cuivre est également un facteur déterminant dans les infrastructures électriques à grande échelle.
Les alliages d'aluminium présentent généralement une bonne ténacité à la rupture, ce qui signifie qu'ils peuvent absorber de l'énergie et résister à la propagation des fissures dans des conditions de charge qui provoqueraient une rupture fragile dans des matériaux moins ductiles. Cette caractéristique, associée à une bonne formabilité, rend l'aluminium particulièrement adapté à la fabrication par laminage, extrusion, étirage, forgeage et moulage. La facilité avec laquelle l’aluminium peut être extrudé en profilés complexes est particulièrement appréciée dans les applications architecturales et structurelles où des sections transversales sur mesure sont requises.
L'aspect de l'aluminium, avec sa surface naturellement brillante et épurée, constitue également un atout fonctionnel dans les applications où l'esthétique est tout aussi importante que la performance, comme l'électronique grand public, les revêtements architecturaux et les intérieurs de véhicules.
Le tableau ci-dessous résume les principales propriétés physiques de l'aluminium et de ses alliages pour les nuances d'usage courant en ingénierie. Les valeurs varient en fonction de la composition de l'alliage, de son état de durcissement et de la température ; les plages indiquées correspondent aux pratiques commerciales habituelles.
Tableau 1. Plages typiques des propriétés physiques et mécaniques des alliages d'aluminium destinés à l'ingénierie.
Propriété
Plage typique
Densité
2,6 à 2,9 g/cm³
Module d'élasticité
69 à 72 GPa
Coefficient de Poisson
0,32 à 0,34
Conductivité thermique
de 120 à 230 W/mK
Coefficient de dilatation thermique
21 à 24 × 10⁻⁶/K
Conductivité électrique
16 à 35 MS/m
Résistance à la traction (alliages corroyés)
70 à 700 MPa
Le module d'élasticité de l'aluminium, compris entre environ 69 et 72 GPa, représente environ un tiers de celui de l'acier. Cela a des implications directes sur les conceptions où la rigidité est un critère déterminant : sous une charge identique, un composant en aluminium se déformera environ trois fois plus qu'un composant en acier de géométrie identique. Dans la pratique, ce phénomène est compensé par la géométrie de la section, car l'extrusion et le formage permettent d'utiliser l'aluminium dans des formes de section qui compensent efficacement ce déficit de rigidité.
Les propriétés d'un produit fini en aluminium sont déterminées par trois variables qui interagissent entre elles : la composition de l'alliage, le état de durcissement et le procédé de fabrication.
La composition de l'alliage est la variable principale. Le système de désignation à quatre chiffres utilisé pour les alliages d'aluminium corroyés indique les principaux éléments d'alliage : les alliages de la série 2xxx sont à base de cuivre et offrent une résistance élevée ; les alliages de la série 5xxx contiennent du magnésium, ce qui leur confère une bonne résistance à la corrosion et une bonne soudabilité ; les alliages de la série 6xxx offrent un équilibre entre résistance, résistance à la corrosion et extrudabilité grâce à des ajouts de silicium et de magnésium ; les alliages de la série 7xxx, qui contiennent du zinc et du magnésium, présentent les résistances les plus élevées de toute la famille des alliages d’aluminium et constituent le choix privilégié pour les applications structurelles dans le secteur aérospatial. Pour consulter le système complet de classification des nuances, voir Nuances d’aluminium.
L'état de l'alliage définit son état à la livraison : tel que fabriqué, recuit, durci par déformation ou traité thermiquement. La désignation de l'état, ajoutée à la référence de l'alliage, détermine les propriétés mécaniques réelles du produit. Une même composition d'alliage, selon son état de durcissement, peut présenter des différences substantielles en termes de limite d'élasticité, de résistance à la traction et de ductilité.
Le parcours de fabrication, notamment la réduction par laminage, les conditions d'extrusion et les paramètres de traitement thermique, détermine la microstructure finale et, par conséquent, les valeurs des propriétés spécifiques dans les limites autorisées par la composition et l'état de la pièce.
Cet article traite des propriétés qui déterminent les performances de l'aluminium en service. Les autres guides de la série consacrée à l'aluminium expliquent d'où proviennent ces propriétés et comment elles sont définies. Le guide « Nuances d'aluminium » explique comment les alliages sont classés en séries, chacune offrant un équilibre différent entre les caractéristiques décrites ici. La rubrique « Spécifications de l’aluminium » traite du système de désignation et de trempage qui définit la composition et l’état exacts d’un matériau, tandis que la rubrique « Normes relatives à l’aluminium » explique les cadres réglementaires qui régissent ces désignations.
Les propriétés qui rendent l'aluminium particulièrement utile dans le domaine de l'ingénierie sont sa faible densité, son bon rapport résistance/poids, sa résistance naturelle à la corrosion, sa conductivité thermique élevée et sa conductivité électrique. L'importance relative de chacune de ces propriétés dépend de l'application : les applications aérospatiales et de transport privilégient le rapport résistance/poids ; les applications de transfert thermique privilégient la conductivité thermique ; les infrastructures électriques privilégient la conductivité par unité de poids ; les applications de l'agroalimentaire et de l'industrie chimique privilégient la résistance à la corrosion et la non-toxicité.
Lorsque l'aluminium est exposé à l'air, une fine couche d'oxyde d'aluminium se forme presque immédiatement à sa surface. Cette couche est stable, capable de se régénérer d'elle-même et adhère fermement au métal, ce qui confère à l'aluminium une résistance inhérente à la corrosion sans nécessiter de revêtement protecteur dans la plupart des environnements. L'épaisseur de la couche d'oxyde peut être augmentée délibérément par anodisation pour les applications nécessitant une protection renforcée ou une finition de surface spécifique. L'aluminium présente de bonnes performances dans les milieux atmosphériques et en eau douce, mais il est moins résistant aux alcalis et à certains milieux chimiques spécifiques.
Si le cuivre présente une conductivité électrique par unité de volume plus élevée, l’aluminium offre quant à lui une conductivité électrique par unité de masse nettement supérieure. Dans le cas des lignes aériennes de transport d’électricité, où les câbles doivent couvrir de longues distances tout en supportant leur propre poids, le gain de poids lié à l’utilisation de l’aluminium constitue le critère prépondérant. L’aluminium est également nettement moins coûteux que le cuivre, ce qui revêt une importance particulière à l’échelle des infrastructures de transport d’électricité à haute tension.
Le module d'élasticité de l'aluminium est compris entre environ 69 et 72 GPa, soit environ un tiers de celui de l'acier. Cela signifie qu'un composant en aluminium se déformera environ trois fois plus qu'un composant en acier de géométrie identique soumis à la même charge. Pour les conceptions où la rigidité est un critère déterminant, ce phénomène doit être compensé par la géométrie de la section, généralement en utilisant des sections transversales plus grandes ou plus efficaces. La bonne nouvelle, c'est que la facilité d'extrusion de l'aluminium permet de concevoir sans difficulté des sections transversales qui compensent ce déficit de rigidité tout en restant globalement plus légères que le composant équivalent en acier.
L'aluminium pur présente une résistance à la traction relativement modeste. L'ajout d'éléments d'alliage tels que le cuivre, le magnésium, le manganèse, le silicium et le zinc permet d'obtenir des familles d'alliages dont la résistance peut être nettement supérieure à celle de l'aluminium pur, et qui peut encore être accrue par un traitement thermique. Les alliages de la série 7xxx, à base de zinc et de magnésium, atteignent les résistances les plus élevées, avec des résistances à la traction comprises entre 500 et 700 MPa dans les états de durcissement optimaux.