Le module de Young, également appelé module d’élasticité, mesure la résistance d’un matériau à la déformation élastique sous une charge de traction ou de compression.
Le module de Young de l’aluminium est d’environ 69 GPa, soit 10 000 ksi, à température ambiante.
La plupart des alliages d’aluminium courants présentent des valeurs comprises approximativement entre 68,9 et 73,1 GPa. La composition de l’alliage entraîne de faibles différences, tandis que le traitement thermique influe beaucoup plus sur la résistance que sur la rigidité.
Cet article présente le module de Young de l’aluminium, les valeurs des alliages courants, les facteurs d’influence, les méthodes d’essai et les comparaisons avec d’autres métaux d’ingénierie.
Définition et formule du module de Young
Le module de Young décrit la relation entre la contrainte normale et la déformation normale dans le domaine élastique linéaire.
La formule de base est :
E = σ / ε
Où :
- E est le module de Young
- σ est la contrainte de traction ou de compression
- ε est la déformation axiale
La contrainte se calcule en divisant la force appliquée par l’aire initiale de la section transversale :
σ = F / A
La déformation est la variation de longueur divisée par la longueur initiale :
ε = ΔL / L₀
Un matériau au module de Young plus élevé subit moins de déformation élastique sous une contrainte identique.
Un matériau au module de Young plus faible s’allonge ou se comprime davantage sous la même charge.
Le module de Young ne s’applique qu’au domaine élastique. Lorsque la contrainte appliquée dépasse la limite d’élasticité, la déformation permanente commence.
Exemple
Considérons une barre en aluminium 6061-T6 soumise à une contrainte de traction de 100 MPa.
Avec un module de Young de 68,9 GPa :
ε = σ / E
- ε = 100 MPa / 68,900 MPa
- ε = 0.00145
La déformation élastique est d’environ 0,145 %.
Si la longueur initiale de la barre est de 500 mm :
ΔL = ε × L₀
- ΔL = 0.00145 × 500
- ΔL ≈ 0.73 mm
La barre reprend sa longueur initiale après déchargement, à condition que la contrainte reste inférieure à sa limite élastique.
Module de Young de l’aluminium
L’aluminium commercialement pur possède un module de Young d’environ 68–69 GPa à température ambiante.
Cette valeur peut également s’exprimer comme suit :
- 68,000–69,000 MPa
- 9.9–10.0 × 10⁶ psi
- 9,900–10,000 ksi
Comparé à de nombreux métaux structurels, l’aluminium présente un module d’élasticité relativement faible.
Un composant en aluminium se déforme donc davantage qu’un composant en acier de mêmes dimensions soumis à la même charge.
Cependant, l’aluminium a une masse volumique d’environ 2.70 g/cm³. Sa faible masse permet d’utiliser des sections plus grandes ou plus efficaces sans poids excessif.
Les modules en traction et en compression de l’aluminium sont proches, bien que certaines fiches matière indiquent un module en compression légèrement supérieur à la valeur en traction.
Module de Young des alliages d’aluminium courants
Le module de Young de la plupart des alliages d’aluminium commerciaux se situe dans une plage étroite.
| Alliage d’aluminium | État | Module de Young | Usage typique |
|---|---|---|---|
| Aluminium commercialement pur | — | 68–69 GPa | Produits électriques, équipements chimiques et pièces formées |
| 6061 | T6 | 68.9 GPa | Pièces structurelles, composants usinés et fabrication générale |
| 6063 | T6 | 68.9 GPa | Profilés extrudés architecturaux et industriels |
| 6082 | T6 | 70.0 GPa | Sections structurelles et composants usinés |
| 5083 | H116 | 70.3 GPa | Structures marines, réservoirs et assemblages soudés |
| 7075 | T6 | 71.7 GPa | Composants aéronautiques et mécaniques à haute résistance |
| 2024 | T3 | 73.1 GPa | Structures aéronautiques et composants fortement chargés |
Les différences entre les alliages d’aluminium courants sont relativement faibles.
Par exemple, le 7075-T6 présente une limite d’élasticité et une résistance à la traction beaucoup plus élevées que le 6061-T6. Son module de Young n’est toutefois supérieur que d’environ 4 %.
Remplacer le 6061 par du 7075 peut donc augmenter fortement la résistance, sans produire une réduction équivalente de la flèche élastique.
Comparaison du module de Young avec d’autres métaux
L’aluminium est moins rigide que l’acier, le titane et le cuivre, mais plus rigide que les alliages de magnésium courants.
| Matériau | Module de Young représentatif | Masse volumique |
|---|---|---|
| Alliage de magnésium | 44–45 GPa | Environ 1.8 g/cm³ |
| Alliage d’aluminium | 69–73 GPa | Environ 2.70 g/cm³ |
| Titane grade 5 | 113.8 GPa | Environ 4.43 g/cm³ |
| Cuivre C10100 | Environ 117 GPa | Environ 8.94 g/cm³ |
| Acier au carbone | Environ 205 GPa | Environ 7.85 g/cm³ |
L’acier au carbone possède un module de Young proche de trois fois celui de l’aluminium.
Sous la même contrainte, une pièce en aluminium subit donc approximativement trois fois la déformation élastique d’une pièce similaire en acier.
Cependant, l’acier est également presque trois fois plus dense. L’aluminium reste utile lorsque le faible poids, la résistance à la corrosion, la formabilité et l’efficacité structurelle sont importants.
Le titane est plus rigide que l’aluminium, mais sa densité et son coût sont plus élevés.
Le magnésium est plus léger que l’aluminium, mais son module de Young est plus faible.
Module de Young et limite d’élasticité
Le module de Young et la limite d’élasticité décrivent des propriétés différentes du matériau.
Le module de Young mesure la rigidité. Il indique l’ampleur de la déformation élastique d’un matériau sous une contrainte appliquée.
La limite d’élasticité mesure la résistance à la déformation permanente. Elle indique le moment où le matériau commence à conserver une déformation après déchargement.
Le traitement thermique peut augmenter fortement la limite d’élasticité de l’aluminium sans entraîner une hausse comparable du module de Young.
Par exemple, le 6061-O et le 6061-T6 ont des résistances très différentes, mais tous deux possèdent un module de Young d’environ 68,9 GPa.
Un alliage d’aluminium plus résistant n’est donc pas nécessairement beaucoup plus rigide.
Facteurs influençant le module de Young de l’aluminium
Plusieurs facteurs peuvent influer sur le module de Young mesuré ou effectif de l’aluminium.
Température
Le module de Young diminue généralement lorsque la température augmente.
Les températures élevées accroissent les vibrations atomiques et réduisent la résistance des liaisons métalliques à la déformation élastique.
Aux températures cryogéniques, le module d’élasticité augmente normalement.
Pour les calculs à haute température, les valeurs à température ambiante ne doivent pas être utilisées sans correction.
Par conséquent, les composants de moteurs aéronautiques, tels que les aubes de compresseur, devraient être fabriqués en alliages d’aluminium de la série 7xxx, dont le taux de conservation du module est meilleur, environ 85 % à 150°C, que celui de la série 6xxx, environ 75 %.
Composition de l’alliage
Le cuivre, le magnésium, le silicium, le zinc, le lithium et d’autres éléments d’alliage peuvent modifier le module d’élasticité.
L’effet est généralement modeste dans les alliages d’aluminium conventionnels.
La plupart des nuances corroyées courantes restent dans une plage approximative de 69 à 73 GPa.
État métallurgique et traitement thermique
Le recuit, la mise en solution et le vieillissement artificiel influencent fortement la résistance et la dureté.
Leur effet sur le module de Young est beaucoup plus faible.
C’est pourquoi différents états du même alliage utilisent souvent la même valeur nominale de module.
Sens de fabrication
Le laminage, l’extrusion, le forgeage et d’autres procédés de formage peuvent créer une texture cristallographique.
Cela peut produire de petites différences entre les mesures longitudinales et transversales.
Pour les calculs généraux, l’aluminium corroyé est souvent considéré comme isotrope. Des données propres à la direction peuvent être nécessaires pour une analyse précise.
Porosité et défauts
Les vides, la porosité de fonderie, les fissures et les interfaces faibles peuvent réduire la rigidité effective d’un composant.
Le module intrinsèque de la matrice d’aluminium peut rester inchangé, mais la rigidité mesurée de la pièce peut être plus faible.
Cet effet est plus important dans les matériaux poreux, les pièces moulées, les mousses et les composites à matrice métallique.
Applications et importance technique
Le module de Young est important chaque fois qu’il faut estimer la déformation élastique d’un composant en aluminium.
Les applications courantes comprennent :
- Ossatures structurelles en aluminium
- Profilés extrudés et poutres
- Composants aéronautiques et automobiles
- Boîtiers et supports usinés CNC
- Tubes, plaques et structures de support
- Instruments de précision et montages
- Façades de bâtiments et systèmes de murs-rideaux
Le module de Young sert à calculer l’allongement axial, la flèche des poutres, le flambement élastique, le comportement vibratoire et la rigidité structurelle.
Il doit être considéré avec la géométrie de la pièce, l’épaisseur de paroi, le sens de charge, les conditions d’appui et la limite d’élasticité.
Dans de nombreuses structures en aluminium, une modification de la géométrie de section influence davantage la rigidité qu’un changement entre alliages d’aluminium conventionnels.
Méthodes de mesure
Le module de Young peut être mesuré par des méthodes statiques ou dynamiques.
Essai de traction
Une éprouvette de traction est chargée pendant qu’un extensomètre mesure la déformation axiale.
Le module de Young est calculé à partir de la pente de la partie linéaire de la courbe contrainte-déformation.
Il s’agit de la méthode la plus courante pour les métaux.
Une mesure précise de la déformation est importante, car la plage de déformation élastique est faible.
Essai de compression
Une éprouvette est comprimée pendant l’enregistrement de la contrainte appliquée et de la déformation axiale.
Le module en compression est calculé à partir de la relation linéaire initiale contrainte-déformation.
Pour les alliages d’aluminium, le module en compression peut être légèrement supérieur au module en traction.
Essai par résonance
Une éprouvette est excitée à ses fréquences propres de résonance.
Le module de Young dynamique est calculé à partir de la géométrie, de la masse et de la fréquence de résonance de l’éprouvette.
Les valeurs du module dynamique peuvent différer légèrement des valeurs statiques en traction.
Contrôle ultrasonore
La vitesse des ondes longitudinales et de cisaillement dans le matériau peut servir à calculer les constantes élastiques.
Le contrôle ultrasonore est non destructif et utile pour la caractérisation des matériaux et le contrôle qualité.
La norme ASTM E111 fournit une méthode normalisée pour déterminer le module de Young, le module tangent et le module de corde des matériaux structurels.
Module de Young et module de cisaillement
Le module de Young décrit la résistance à une déformation axiale de traction ou de compression.
Le module de cisaillement décrit la résistance à une déformation angulaire ou de cisaillement.
Pour un matériau isotrope, la relation est :
E = 2G(1 + ν)
Où :
- E est le module de Young
- G est le module de cisaillement
- ν est le coefficient de Poisson
Pour l’aluminium, les valeurs typiques sont :
- Module de Young : environ 69 GPa
- Module de cisaillement : environ 26 GPa
- Coefficient de Poisson : environ 0,33
Ces valeurs sont liées, mais ne sont pas interchangeables.
Résumé
Le module de Young de l’aluminium est d’environ 69 GPa, soit 10 000 ksi, à température ambiante.
La plupart des alliages d’aluminium courants présentent des valeurs approximativement comprises entre 68,9 et 73,1 GPa.
Le 6061-T6 et le 6063-T6 sont à environ 68,9 GPa.
Le 6082-T6 est à environ 70 GPa.
Le 7075-T6 est à environ 71,7 GPa.
Le 2024-T3 est à environ 73,1 GPa.
L’aluminium est moins rigide que l’acier, le titane et le cuivre, mais sa faible masse volumique lui confère un rapport rigidité-poids utile.
L’addition d’éléments d’alliage et le traitement thermique peuvent modifier fortement la résistance de l’aluminium. Leur effet sur le module de Young est comparativement faible.
FAQ
Quel est le module de Young de l’aluminium ?
Le module de Young de l’aluminium est d’environ 69 GPa, soit 10 000 ksi, à température ambiante.
Quel est le module de Young de l’aluminium 6061 ?
L’aluminium 6061-T6 possède un module de Young typique de 68,9 GPa, soit 10 000 ksi.
Quel est le module de Young de l’aluminium 6063 ?
L’aluminium 6063-T6 possède un module de Young typique de 68,9 GPa, soit 10 000 ksi.
Quel est le module de Young de l’aluminium 7075 ?
L’aluminium 7075-T6 possède un module de Young typique de 71,7 GPa, soit 10 400 ksi.
Quel est le module de Young de l’aluminium 2024 ?
L’aluminium 2024-T3 possède un module de Young typique de 73,1 GPa, soit 10 600 ksi.
Le traitement thermique augmente-t-il le module de Young de l’aluminium ?
Le traitement thermique n’a qu’un faible effet sur le module de Young. Il agit beaucoup plus sur la limite d’élasticité, la résistance à la traction et la dureté.
L’aluminium est-il plus élastique que l’acier ?
L’aluminium possède un module de Young inférieur à celui de l’acier ; il subit donc davantage de déformation élastique sous la même contrainte. Cela ne signifie pas qu’il puisse toujours supporter une plus grande déformation avant plastification.
