L’acier et le titane sont des matériaux d’ingénierie polyvalents. Ils ont des propriétés uniques les rendant adaptés à différentes applications.
Ce guide compare les aspects essentiels du titane et de l’acier.
Plongeons directement.
Composition chimique du Titane Vs de l’Acier
L’acier et le titane ont une composition chimique unique. C’est la composition chimique qui est responsable des propriétés physiques, mécaniques et chimiques uniques.
Acier
L’acier est un alliage constitué de fer et de carbone dans sa structure en tant que principaux éléments améliorant ainsi ses propriétés inhérentes. D’autres éléments avec lesquels vous pouvez allier l’acier comprennent : le molybdène, le zinc, le silicium, le chrome, le manganèse, le vanadium, le chrome, l’aluminium, le bore, entre autres.
En général, nous classifions l’acier dans les catégories principales suivantes :
- Acier au Carbone : Utilise le carbone comme principal élément d’alliage et est classé en acier à faible, moyen et haut taux de carbone en fonction de la quantité de carbone.
- Acier Allié : Constitue des aciers utilisant un autre élément d’alliage que le carbone tel que le nickel, le chrome, le vanadium et le molybdène.
- Acier à Outils : Englobe des aciers alliés avec des éléments renforçants et inducteurs de dureté tels que le cobalt et le tungstène utilisés dans la fabrication d’outils.
- Acier Inoxydable : Utilise le chrome comme principal élément d’alliage aux côtés du carbone jusqu’à environ 20 % pour augmenter la résistance à la corrosion notamment.
Titane
Le titane est un métal non rare qui existe naturellement sous forme d’oxyde et extrait par réduction chimique. Cependant, vous pouvez utiliser le titane comme élément d’alliage compte tenu de ses qualités de légèreté, de résistance élevée et de résistance à la corrosion.
Propriétés : Titane Vs Acier
Avant de choisir du titane ou de l’acier pour une application quelconque, vous devriez considérer les propriétés suivantes :
Résistance à la Corrosion
Le titane, tout comme l’aluminium, réagit avec l’oxygène atmosphérique pour former une couche d’oxyde une fois exposé. La couche d’oxyde est généralement mince et non poreuse, protégeant la surface métallique sous-jacente de la corrosion chimique causée par les acides faibles et les bases.
Certains alliages d’acier tels que l’acier inoxydable présentent une résistance à la corrosion en utilisant des éléments comme le chrome et le nickel. Cependant, comme ces alliages d’acier sont ferritiques, un traitement de surface supplémentaire est nécessaire pour prévenir les tendances à la corrosion future.
Élasticité
L’élasticité d’un matériau décrit sa capacité à supporter l’application de contrainte et de déformation avant de se déformer. Avec les différents alliages d’acier, vous trouvez des valeurs d’élasticité atteignant 200 GPa tandis que celle du titane est d’environ 115 GPa.
La disparité entre l’acier et le titane en termes d’élasticité suggère que le premier est plus facile à usiner lors du travail des métaux. De plus, la difficulté de travailler avec le titane rend son coût de production plus élevé et son utilisation ultimement plus onéreuse.
Dureté
La dureté d’un matériau indique la tolérance de sa surface contre les dommages causés par les rayures, la gravure ou les impacts. Un test Brinell est un indicateur de dureté, l’acier obtenant un score bien meilleur à 120 que le titane à 70.
En conséquence, le titane sous sa forme pure manifeste facilement des déformations dues aux rayures ou à la gravure. Toutefois, il réagit avec l’oxygène atmosphérique lorsqu’il est exposé pour former une fine couche d’oxyde qui offre une protection de surface.
Durabilité
La capacité d’un matériau à conserver sa forme d’origine dans le temps sans usure considérable décrit sa durabilité. Certains des éléments qui influent sur la durabilité d’un matériau sont sa résistance à la corrosion, sa qualité de résistance et sa résistance à la chaleur.
Divers types d’acier présentent une qualité de résistance, certains comme l’acier inoxydable ayant une résistance incroyable à la corrosion. À cet égard, on peut considérer l’acier comme durable. Cependant, la teneur en fer le rend finalement sensible à la corrosion par la rouille, nécessitant ainsi un entretien au fil du temps tel qu’un revêtement.
Le titane possède une immense résistance par rapport à son poids, une grande résistance thermique et est hautement résistant à la corrosion. Par conséquent, attendez-vous à ce que le titane vous offre une longue durée de service même dans des applications exposées aux éléments.
Performance Thermique
Le titane a un point de fusion plus élevé à 1660 oC par rapport à l’acier à 1450 oC. De plus, le titane a une conductivité thermique plus faible à 6,720 W/(m.K) par rapport à 20 W/(m.K) pour l’acier.
Ces propriétés rendent l’acier sensible aux variations de température et peu adapté aux environnements de température extrême. En revanche, le titane peut tolérer les extrêmes de température grâce à sa faible conductivité et à son point de fusion élevé.
Résistance à la traction
Lorsque vous soumettez un matériau à des forces de tension, la force maximale qu’il peut supporter avant de se déformer plastiquement décrit sa résistance à la traction. Certaines alliages d’acier peuvent être travaillés pour atteindre une résistance à la traction de l’ordre de 1100 MPa, avec le titane à 1170 MPa.
Bien qu’il semble que l’acier offre de meilleures performances en termes de résistance, il est beaucoup plus dense et plus lourd que le titane. Par conséquent, là où le poids est une préoccupation, le titane constitue un remplacement capable de l’acier.
Poids
Le titane présente un rapport résistance/poids élevé. Par conséquent, il est un matériau essentiel pour la plupart des applications à haute résistance.
Comparativement parlant, le titane manifestera des performances de résistance similaires à l’acier à deux tiers de son poids.
Une application particulière de cette propriété se trouve dans la fabrication de composants d’aéronefs où le poids est une préoccupation. Cependant, dans des applications insensibles au poids, l’acier est préféré en raison des niveaux de résistance pouvant être atteints.
Coût du Titane Comparé à l’Acier
Alors que le titane est abondant, son processus d’extraction est complexe, le rendant difficile à travailler et donc coûteux. Le coût de production est finalement l’une des principales raisons de l’utilisation limitée du titane.
En comparaison, la production d’acier n’est pas compliquée et les processus d’alliage sont assez simples, ce qui permet une utilisation à grande échelle et donc abordable. Cependant, les alliages d’acier spéciaux utilisant des éléments uniques sont considérablement plus coûteux.
Applications du Titane par rapport à l’Acier
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Pièces de voiture en acier
Acier
L’acier et ses variantes trouvent des applications dans une variété d’utilisations quotidiennes grâce à sa grande résistance et polyvalence, comme suit :
- Les aciers alliés trouvent leur utilisation dans des applications de construction pour fabriquer poutres et treillis.
- Les pièces et composants de machine tels que les roulements, les essieux, les engrenages et les arbres utilisent des variantes d’acier comme l’acier au carbone.
- Les fabricants d’automobiles utilisent des pièces et composants en acier pour fabriquer des structures, des moteurs et des panneaux.
- Les outils de machine tels que les marteaux, les forets, les tours et les scies utilisent de l’acier à outils.
- Les industries lourdes telles que le traitement chimique et le raffinage du pétrole emploient massivement l’acier.
- L’acier est utilisé dans le traitement et l’emballage des aliments.
Titane
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Pièce d’avion en titane
- L’utilisation du titane est due à son impressionnante résistance à la corrosion, à son rapport résistance/poids et à ses propriétés thermiques. Les utilisations courantes comprennent :
- L’industrie médicale utilise le titane dans l’équipement chirurgical, les implants et les prothèses en raison de sa biocompatibilité.
- Sa résistance élevée et son faible poids permettent son utilisation dans la fabrication de composants d’aéronefs.
- La propriété de résistance et de poids est utilisée dans des équipements sportifs tels que les raquettes, ainsi que dans les véhicules et les vélos de haute performance.
- Le titane est utilisé dans des applications de bijoux sur mesure, généralement en tant que placage.
- Les sections submersibles du navire telles que la coque et les hélices utilisent du titane.
Conclusion
Avec les informations de ce guide, vous pouvez certainement choisir un grade de titane ou d’acier approprié pour vos applications.
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