Quelle est la densité de l'aluminium ? Définition, données et comparaison

1.0 Définition de base et description numérique

L'aluminium est un matériau industriel populaire en raison de sa faible densité (environ un tiers de celle de l'acier) et de son excellent rapport résistance/poids. Cela le rend léger mais robuste, facile à travailler et adapté à de nombreuses applications industrielles.

1.1 Qu'est-ce que la densité ?

La masse volumique désigne la masse d'une substance par unité de volume. Elle est généralement représentée par la lettre grecque ρ (rho) ou la lettre D (pour Densité). Mathématiquement, la densité est définie comme le rapport de la masse au volume :

ρ = m / V

Où:
ρ = densité
m = masse
V = volume

Définition

La masse volumique est la quantité de masse contenue dans une unité de volume d'une substance. Autrement dit,

ρ = M / V

Où M est la masse et V le volume de l'objet. Pour les matériaux à distribution massique uniforme, la formule de la masse volumique peut être simplifiée sous cette forme mathématique de base.

En d’autres termes, la densité est définie comme le « rapport » entre la masse et le volume.

1.2 Données de base sur la densité de l'aluminium

• La densité de l'aluminium est d'environ 2 710 kg/m³.
• Les alliages d'aluminium ont une densité similaire, généralement comprise entre 2 640 à 2 810 kg/m³.

1.3 Quelle est la densité de l’aluminium pur ?

La densité fait référence à la masse contenue dans un volume unitaire d'une substance.

La densité de l'aluminium pur est d'environ 2,7 g/cm³, bien qu'elle puisse varier légèrement en fonction de son état physique.

• Sous forme solide, la densité de l'aluminium pur est 2 699 kg/m
• Sous forme liquide, la densité fluctue légèrement entre 2 697 et 2 699 kg/m³.
  • Par exemple, à 973 K, la densité de l'aluminium liquide est 2 357 kg/m³;
  • À 1 173 K, il diminue à 2 304 kg/m³.

1.4 Comparaison de la densité avec les métaux courants :

1.5 Principaux avantages de l'aluminium en raison de sa densité unique

• Léger:La faible densité rend l'aluminium léger et facile à manipuler ; idéal pour la fabrication d'avions.
• Résistance à la corrosion :Forme une couche d’oxyde protectrice qui empêche la rouille et la corrosion.
• Recyclable:100% recyclable, respectueux de l'environnement et rentable à recycler sans perte de qualité.
• Haute conductivité :Conductivité électrique deux fois supérieure à celle du cuivre en poids ; excellent conducteur thermique

1.6 Différences de densité entre les matériaux en aluminium

L'aluminium pur a généralement une masse volumique d'environ 2,7 g/cm³, mais l'alliage peut entraîner de légères variations. Des éléments d'alliage plus lourds augmentent le poids. Par exemple, les alliages de la série 1xxx sont proches de l'aluminium pur, considérés comme de l'aluminium commercial avec une pureté de 99%.

En revanche, les alliages des séries 7xxx et 8xxx peuvent atteindre des densités d'environ 2,9 g/cm³. Plus précisément, l'alliage d'aluminium 7075 présente une densité de 2,81 g/cm³, supérieure à celle des autres alliages, et est l'un des alliages d'aluminium les plus résistants du marché : sa résistance à la traction est près de deux fois supérieure à celle de l'aluminium 6061.

Il est intéressant de noter que les alliages de la série 4xxx, principalement alliés au silicium, peuvent avoir une densité inférieure à celle de l'aluminium pur (2,7 g/cm³), car le silicium réduit la densité de l'aluminium.

1.7 Propriétés physiques

• L'aluminium est facilement reconnaissable à sa couleur blanc argenté avec une légère teinte bleutée.
• L'aluminium pur est un métal mou, mais il devient plus dur et plus résistant lorsqu'il est allié.
• En raison de sa douceur, l’aluminium peut être martelé en feuilles très fines.
• Il est ductile, ce qui lui permet d'être façonné ou plié selon les besoins du projet.
• L'aluminium est un excellent conducteur d'électricité et de chaleur et résiste à la corrosion en formant un revêtement d'oxyde protecteur.

1.8 Propriétés chimiques

• L'aluminium présente diverses propriétés chimiques et est principalement présent sous forme de composés dans le minerai de bauxite, un mélange d'aluminium, d'oxygène et d'autres éléments. La bauxite est la principale source d'aluminium.
• Lorsqu'il est exposé à l'oxygène, l'aluminium réagit lentement pour former une couche protectrice d'oxyde d'aluminium.
• L’aluminium réagit avec de nombreux liquides, y compris les acides chauds et l’eau chaude.
• Il réagit également avec des bases telles que l'eau de chaux et l'hydroxyde de sodium et forme des alliages à haute résistance lorsqu'il est combiné avec des éléments comme le magnésium, le cuivre et le silicium.

1.9 Variation de densité dans les alliages d'aluminium

• Effet alliage :Les éléments d'alliage tels que Mg, Si, Cu et Zn provoquent de légers changements de densité dans les alliages d'aluminium, affectant leurs propriétés mécaniques et leur polyvalence.
• Autres facteurs :Le traitement, la granulométrie, la température, le durcissement, le traitement thermique, les revêtements, l’hydratation et les impuretés influencent également la densité.
• Plage de densité :La densité de l'aluminium pur est d'environ 2 700 kg/m³ (0,1 lb/po³). Les alliages d'aluminium varient légèrement, mais restent beaucoup plus légers que l'acier.

2.0 Impact de la densité de l'aluminium sur la conception et les applications industrielles

Conception légère

Largement utilisé dans les industries automobile, aérospatiale et ferroviaire pour réduire le poids et améliorer l'efficacité énergétique.

Exemple : les portes de voiture en alliage d’aluminium pèsent 30 à 50 TP3T de moins que les portes en acier.

Équilibre entre coût, densité et résistance

Une faible densité ne signifie pas toujours une meilleure qualité ; la résistance et la rigidité doivent être prises en compte pour une conception optimale.

La résistance spécifique (rapport résistance/poids) est une mesure clé pour l’évaluation des performances des matériaux.

Avantages des profilés en aluminium et des tubes creux

Structure creuse + faible densité = performances supérieures par unité de volume.

3.0 Pourquoi la densité de l'aluminium est importante dans l'usinage CNC

Efficacité de la manutention et du traitement des matériaux

• La faible densité de l'aluminium signifie qu'il est plus léger et plus facile à manipuler que l'acier ou le titane, ce qui améliore l'efficacité de l'usinage.
• Des matériaux plus légers réduisent la charge de la machine CNC, prolongeant ainsi la durée de vie de l'outil et réduisant la maintenance.

Usure des outils et forces de coupe

• Des forces de coupe plus faibles sont nécessaires pour usiner l'aluminium, ce qui réduit l'usure de l'outil et prolonge sa durée de vie.
• La force de coupe réduite permet des vitesses de coupe et des taux d'avance plus élevés, augmentant ainsi la productivité.

Gestion thermique

• La bonne conductivité thermique de l'aluminium aide à dissiper la chaleur pendant l'usinage, empêchant ainsi la dilatation thermique, le gauchissement ou la déformation.
• Une gestion efficace de la chaleur garantit la précision dimensionnelle et la qualité de la finition de surface.

Taux d'enlèvement de matière (MRR)

• Une faible densité conduit à un MRR plus élevé par rapport aux matériaux plus denses, permettant un retrait de matière plus rapide et des temps d'usinage plus courts.

Précision dimensionnelle et finition de surface

• L'usinabilité de l'aluminium, aidée par sa densité et ses caractéristiques de coupe, permet un contrôle strict des tolérances et des finitions de surface de haute qualité, essentielles pour les applications de précision.

4.0 Relation entre la densité et d'autres propriétés

1. Effet des états de traitement thermique : Les traitements thermiques tels que T6, T4 et O ne modifient pas significativement la densité de l'aluminium mais peuvent légèrement affecter le volume, ce qui a un impact sur les calculs théoriques.
2. Relation avec Conductivité thermique: L'aluminium présente une conductivité thermique élevée (~235 W/m·K) combinée à une faible densité, ce qui en fait un excellent matériau pour la dissipation de la chaleur (par exemple, dissipateurs thermiques, supports LED).
3. Compromis avec l'électricité Conductivité: La conductivité électrique de l'aluminium est inférieure à celle du cuivre, mais sa densité n'est que d'environ un tiers de celle du cuivre, c'est pourquoi l'aluminium est largement utilisé comme substitut dans la transmission d'énergie à haute tension.

5.0 Facteurs affectant la densité de l'aluminium

Éléments d'alliage : L'aluminium est souvent allié à des métaux comme le cuivre, le magnésium, le manganèse, le silicium et le zinc pour améliorer ses propriétés mécaniques. Ces éléments modifient légèrement la densité finale de l'alliage, généralement comprise entre 2,66 g/cm³ et 2,80 g/cm³ selon la composition.

Température: Comme la plupart des matériaux, la densité de l'aluminium diminue avec l'augmentation de la température en raison de la dilatation thermique, et augmente avec le refroidissement en raison de la contraction. Les effets de la dilatation/contraction thermique doivent être pris en compte dans les applications soumises à de fortes variations de température.

Porosité: Les procédés de fabrication peuvent introduire de la porosité dans l'aluminium, réduisant ainsi sa densité globale. Le moulage peut créer des vides ou des pores à l'intérieur du matériau, tandis que les techniques de fabrication avancées (notamment l'usinage CNC) minimisent la porosité et garantissent des propriétés matérielles constantes.

6.0 Comment mesurer la densité de l'aluminium (Guide de vulgarisation scientifique)

6.1 Matériel et équipement nécessaires :

1. Petit objet métallique pouvant être entièrement immergé dans l'eau
2. Balance avec un crochet en dessous pour peser des objets suspendus, résolution d'au moins 0,01 g (voir note si la balance n'a pas cette fonctionnalité)
3. Fil métallique (un trombone plié fonctionne bien) pour accrocher l'objet au crochet de la balance
4. Support ou plate-forme pour maintenir l'équilibre afin que l'objet puisse pendre librement en dessous
5. Bécher suffisamment grand pour immerger complètement l'objet sans renverser
6. Support pour maintenir le bécher sous la balance à la bonne hauteur
7. L'eau du robinet
8. Calculatrice
9. Fil de nylon (comme une ligne de pêche) ou un matériau léger similaire pour suspendre l'objet
10. Gants jetables en nitrile (en particulier lors de la manipulation de métaux pouvant contenir du plomb)
11. En option : Pince pour fixer le support d'équilibre sur le bord d'une table ou d'un comptoir

6.2 Procédure étape par étape :

1. Retirez le couvercle inférieur de la balance pour exposer le crochet interne.
2. Placez la balance sur un support avec un trou pour que le crochet soit accessible.
3. Fixez le crochet métallique au crochet interne, puis tarez (mettez à zéro) la balance.
4. Suspendez l'objet métallique à l'aide d'un fil de nylon sur le crochet situé sous la balance et pesez-le dans l'air.
5. Remplissez le bécher d’eau et placez-le sous l’objet suspendu.
6. Soulevez le bécher jusqu'à ce que l'objet soit complètement immergé. Utilisez un support pour maintenir le bécher à la bonne hauteur. Assurez-vous qu'il n'y a pas de bulles d'air sur ou à l'intérieur de l'objet.
7. Peser l'objet immergé.
8. Calculez la densité en utilisant la formule ci-dessous.
9. Comparez la densité calculée avec les densités connues des métaux et alliages à partir des tables de référence.
10. Répétez les étapes 4 à 9 pour d’autres échantillons si nécessaire.

6.3 Formule de calcul de la densité :

ρ = (m_air) / (m_air – m_eau) × ρ_eau

Où:

• ρ = masse volumique de l'objet (g/cm³)
• m_air = masse de l'objet dans l'air (g)
• m_eau = masse apparente de l'objet lorsqu'il est immergé dans l'eau (g)
• ρ_eau = masse volumique de l'eau (environ 0,998 g/cm³ à 20°C ou 0,997 g/cm³ à 25°C)

Références:

https://www.canada.ca/en/conservation-institute/services/conservation-preservation-publications/canadian-conservation-institute-notes/metal-density.html

https://www.thyssenkrupp-materials.co.uk/density-of-aluminium.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Density

https://en.wikipedia.org/wiki/Porosity