Lorsque l'on compare les Aluminium 2024 vs 6061, ce sont tous deux des alliages traitables thermiquement, mais ils répondent à des besoins techniques différents.
L'alliage 2024 est mieux adapté aux pièces structurelles légères soumises à des charges élevées ou cycliques. En revanche, l'alliage 6061 offre un compromis plus pratique entre résistance à la corrosion, soudabilité, finition de surface, disponibilité du matériau et coût de fabrication.
Les ingénieurs ne doivent pas fonder leur décision uniquement sur la résistance à la traction. Le choix de l'alliage approprié dépend également du état de durcissement, de la géométrie de la pièce, de la méthode d'assemblage, de l'environnement d'utilisation et des exigences de qualité.
Commencez par vérifier si le dessin autorise une modification substantielle
Si le plan, le cahier des charges du client ou la norme industrielle a déjà défini le matériau, le fournisseur ne peut pas le modifier de son propre chef.
Vérifiez les points suivants avant de choisir un matériau :
- Que le plan indique 2024 ou 6061 ;
- si un état de trempe spécifique, tel que T351 ou T651, est requis ;
- Que l'on spécifie une tôle, une barre, un profilé ou une pièce forgée ;
- Que l’on recherche des propriétés liées au sens de laminage ou des propriétés transversales courtes ;
- Si une spécification interne relative aux matériaux du client s'applique ;
- Si le fournisseur est autorisé à proposer un matériau alternatif ;
- Qui est habilité à approuver cette modification substantielle ?.
Même si l'alliage 6061 est moins cher ou peut être livré plus rapidement, il ne peut pas remplacer un alliage 2024 spécifié sans autorisation préalable. Le remplacement d'un matériau constitue une modification technique. Les performances structurelles doivent être réévaluées.
Principales différences entre l'aluminium 2024 et l'aluminium 6061
| Facteur de sélection | 2024 Aluminium | Aluminium 6061 |
|---|---|---|
| Système d'alliages | Al-Cu-Mg | Al-Mg-Si |
| Niveau de force | Relativement élevé | Moyen |
| Chargement cyclique | Mieux adaptées aux structures sensibles à la fatigue | Convient aux charges industrielles courantes |
| Résistance à la corrosion | Relativement faible et nécessite généralement une protection | Bon |
| Soudage par fusion classique | N'est pas la méthode d'assemblage privilégiée | Bonne aptitude au soudage |
| Anodisé apparence | La cohérence des couleurs est plus difficile à contrôler | Généralement plus faciles à contrôler |
| Conductivité thermique | Relativement faible | Généralement plus élevé |
| Disponibilité des matériaux | Certaines tailles et certains types de trempe peuvent être disponibles en quantité limitée | Les tailles courantes sont largement disponibles |
| Positionnement principal | Pièces porteuses axées sur la performance | Pièces d'ingénierie générale présentant des propriétés équilibrées |
Aucun de ces deux alliages n'est meilleur dans tous les cas. Les avantages du 2024 résident principalement dans ses performances en matière de résistance aux charges et de résistance à la fatigue. Ceux du 6061 résident principalement dans sa flexibilité de fabrication et son respect de l'environnement.
Avantages et limites de l'aluminium 2024
Avantages
- Résistance relativement élevée : Convient aux structures soumises à des charges élevées et où le poids est un facteur déterminant.
- Bonnes performances en matière de fatigue : Convient aux pièces soumises à des vibrations et à des contraintes cycliques.
- Bonne usinabilité dans les états de durcissement renforcés : Convient au fraisage et au tournage de précision.
- Convient pour l'assemblage mécanique : Peut être utilisé dans des structures assemblées par vis, par goupilles, par rivets et par ajustement de précision.
- Convient aux pièces légères à hautes performances : Peut répondre aux besoins des applications aérospatiales et des systèmes de mouvement.
Limites
- Résistance à la corrosion relativement faible : Les environnements humides, exposés aux embruns salins et en extérieur nécessitent généralement une protection des surfaces.
- Mauvaise soudabilité par fusion classique : Le soudage augmente le risque de fissuration et de perte de biens.
- Contrôle difficile de l'aspect des pièces anodisées : La forte teneur en cuivre peut avoir une incidence sur l'uniformité de la couleur.
- Exigences strictes en matière de matériaux : Il convient de préciser l'état de traitement, la forme du produit et le sens de laminage.
- Coût total d'approvisionnement potentiellement plus élevé : Il faut également tenir compte de la protection des surfaces, de la documentation et des délais d'approvisionnement des matériaux.
L'alliage 2024 convient aux pièces soumises à des exigences de performance clairement définies. Si la conception ne tire pas parti de ses avantages en termes de résistance mécanique ou de résistance à la fatigue, le choix de l'alliage 2024 risque de ne faire qu'augmenter les coûts.
Avantages et limites de l'aluminium 6061
Avantages
- Caractéristiques globales équilibrées : Allie résistance mécanique, résistance à la corrosion et usinabilité.
- Convient aux structures soudées : Peut être utilisé pour les châssis de machines, les supports et les assemblages soudés.
- Aspect anodisé homogène : Convient aux boîtiers, aux panneaux et aux pièces apparentes.
- Large choix de matériaux : Les tôles, les barres, les tubes et les profilés sont relativement faciles à se procurer.
- Bonne conductivité thermique : Convient aux dissipateurs thermiques et aux structures d'équipements électroniques.
- Coût de fabrication maîtrisable : Convient aussi bien aux prototypes qu’à la production en série.
Limites
- Résistance inférieure à celle des nuances 2024 renforcées couramment utilisées : Il ne doit pas remplacer directement les pièces 2024 soumises à de fortes contraintes.
- Les structures sensibles à la fatigue doivent faire l'objet d'une validation : L'expérience industrielle générale ne saurait se substituer aux calculs de durée de vie en fatigue.
- Les propriétés de la zone soudée vont changer : Il n'est pas possible d'évaluer l'ensemble de l'assemblage à partir des propriétés initiales du matériau de base T6.
- Les pièces à parois minces peuvent tout de même se déformer : Les contraintes résiduelles, la géométrie et le serrage restent des facteurs importants.
- Souvent considéré comme trop universel : Sa large disponibilité ne signifie pas pour autant qu’il convienne à toutes les structures porteuses.
L'alliage 6061 est généralement un excellent choix pour les pièces d'ingénierie courantes. Il ne constitue toutefois pas une alternative moins coûteuse aux composants structurels haute performance en alliage 2024.
Le traitement thermique influe sur le choix du matériau
Lorsqu'on compare les alliages 2024 et 6061, il faut également tenir compte de l'état de trempe du matériau. La désignation de l'alliage à elle seule ne permet pas de refléter avec précision les performances de la pièce.
Humeurs courantes en 2024
| Tempérer | Caractéristiques principales | Types de pièces courants |
|---|---|---|
| 2024-O | Faible résistance et bonne ductilité | Pièces pliées, embouties, embouties en profondeur et ébauches destinées à un traitement ultérieur traitement thermique |
| 2024-T3 | Travaillé à froid et vieilli naturellement | Tôles, revêtements d'aéronefs et structures soumises à des charges cycliques |
| 2024-T351 | Vieilli naturellement après avoir été détendu par étirement | Pièces en tôle, supports et raccords usinés par CNC |
| 2024-T3511 | Couramment utilisé pour les produits extrudés soumis à un traitement de détente | Barres, tubes, tiges longues et pièces extrudées |
| 2024-T851 | Vieilli artificiellement avec une limite d'élasticité plus élevée | Éléments structurels à forte charge validés |
La nuance 2024-O est adaptée au formage. Elle ne doit pas être considérée comme l'état de fin de traitement par défaut pour les pièces soumises à des contraintes élevées.
États de durcissement courants de l'alliage 6061
| Tempérer | Caractéristiques principales | Types de pièces courants |
|---|---|---|
| 6061-O | Faible résistance et bonne formabilité | Pièces pliées, embouties et de forme complexe |
| 6061-T4 | Vieilli naturellement tout en conservant une certaine malléabilité | Pièces nécessitant un formage ultérieur ou un vieillissement artificiel |
| 6061-T6 | Vieilli et renforcé artificiellement | Pièces CNC générales, supports et boîtiers |
| 6061-T651 | Vieilli artificiellement après un traitement de détente par étirement | Pièces de précision en tôle, socles et composants soumis à un usinage intensif par fraisage |
| 6061-T6511 | Couramment utilisé pour les produits extrudés soumis à un traitement de détente | Barres, tubes et pièces extrudées |
Une comparaison plus pertinente pour les pièces en tôle usinées par commande numérique est la suivante :
2024-T351 vs 6061-T651
Pour les barres ou profilés extrudés, voir également :
2024-T3511 vs 6061-T6511
On ne peut pas considérer que différents états de trempe sont interchangeables simplement parce que la désignation de l'alliage est la même.
Une résistance plus élevée ne signifie pas nécessairement une rigidité nettement plus élevée
Le 2024 est généralement plus résistant que le 6061. Cependant, ces deux alliages présentent des densités et des modules de Young similaires.
Le module d'Young du 2024 est d'environ 73 GPa. Celui du 6061 est d'environ 69 GPa. Remplacer le 6061 par le 2024 n'augmentera pas de manière significative la rigidité d'une pièce de mêmes dimensions.
| Problème de conception | Orientation principale pour l'évaluation |
|---|---|
| La pièce subit une déformation permanente | Vérifier la limite d'élasticité et la charge appliquée |
| La pièce se déforme de manière élastique sous l'effet d'une charge. | Commencez par optimiser l'épaisseur des parois, la section transversale et les supports |
| La pièce présente des fissures de fatigue | Vérifiez le matériau, la concentration des contraintes, l'état de la surface et les cycles de charge |
| La pièce est trop lourde | Optimiser à la fois le matériau et la structure |
| Une pièce en tôle vibre | Vérifier la rigidité structurelle, le mode de fixation et la fréquence propre |
Si le problème réside dans une déformation élastique excessive, l'ajout de nervures ou la modification de la section transversale s'avèrent souvent plus efficaces que le simple changement d'alliage.
L'environnement d'utilisation influe sur le choix des matériaux
Environnements corrosifs
L'alliage 6061 est plus facile à entretenir dans les environnements extérieurs généraux et humides. L'alliage 2024, quant à lui, contenant davantage de cuivre, nécessite généralement une anodisation, un revêtement de conversion chimique, une peinture ou une protection Alclad.
Si la pièce entre en contact avec de l'acier inoxydable, du cuivre ou un autre métal, il faut également tenir compte de la corrosion galvanique et de la conception de l'isolation.
Gestion thermique
L'alliage 6061 présente généralement une conductivité thermique plus élevée. Il est mieux adapté à :
- Dissipateurs thermiques ;
- Cadres de refroidissement pour écrans LCD ;
- Boîtiers pour équipements électroniques ;
- Structures de fixation pour LED ;
- Plaques de base pour la gestion thermique.
L'alliage 2024 convient aux pièces soumises à des charges et sensibles à la fatigue. Il ne doit pas être choisi pour une structure thermique simplement parce qu'il présente une résistance mécanique plus élevée.
Température de fonctionnement
La résistance de ces deux alliages dépend de la température de fonctionnement et de la durée d'exposition. Les pièces situées à proximité de sources de chaleur ou exposées à des températures élevées pendant des périodes prolongées doivent être évaluées à l'aide de données dépendantes de la température pour le traitement de durcissement spécifié. Les valeurs à température ambiante ne suffisent pas à elles seules.
Évaluer l'articulation dans son ensemble
Les propriétés des matériaux ne peuvent pas se substituer à l'analyse des assemblages.
Assemblages soudés
L'alliage 6061 se prête au soudage par fusion classique. Toutefois, les propriétés de la zone affectée thermiquement seront inférieures à celles du matériau de base T6 d'origine.
La conception doit tenir compte des éléments suivants :
- Configuration des articulations ;
- Localisation de la zone affectée thermiquement ;
- Déformation post-soudage ;
- Contrôle des soudures ;
- Si un traitement complémentaire est nécessaire.
La norme 2024 prévoit généralement l'utilisation de boulons, de rivets, de goupilles ou d'autres méthodes d'assemblage validées.
Raccords mécaniques
Le fait d'utiliser la norme 2024 ne rend pas automatiquement un assemblage plus fiable. Les éléments suivants doivent tout de même être vérifiés :
- Distance entre les bords autour des trous ;
- Capacité de charge ;
- Longueur d'engagement du filetage ;
- cisaillement par trou d'épingle ;
- Arêtes et concentrations de contraintes ;
- Risque de desserrage sous charge cyclique.
Un matériau peut présenter une résistance élevée, mais un trou ou un assemblage mal conçu peut tout de même céder.
La géométrie de la pièce et le procédé de fabrication influencent également la décision
Les alliages 2024 et 6061 peuvent tous deux être usinés par CNC. Cependant, le traitement thermique a une influence plus directe sur la stabilité dimensionnelle que la désignation de l'alliage à elle seule.
Pour les pièces à parois minces, à cavités profondes et usinées en grande partie d'un seul côté, il convient de tenir compte des éléments suivants :
- Caractère impassible ;
- Épaisseur du matériau ;
- Sens de défilement ;
- Séquence d'ébauche et de finition ;
- Pression de serrage ;
- Mesures intermédiaires de gestion du stress ;
- Variations dimensionnelles après traitement de surface.
Les nuances 2024-T351 et 6061-T651 sont toutes deux soumises à un traitement de détente par étirage. Elles conviennent à l'usinage de précision de tôles. Toutefois, cela ne garantit pas qu'une pièce restera totalement exempte de déformation.
Lorsque l'on utilise un matériau de type O-temper, sa dureté réduite peut entraîner une augmentation des dépôts sur l'arête de coupe, des bavures, des marques de serrage et une déformation des parois minces.
Choix des matériaux pour les pièces sur mesure courantes
| Pièce sur mesure | Éléments à évaluer en premier lieu | Raison principale |
|---|---|---|
| Support aérospatial soumis à des contraintes cycliques élevées | 2024 | Exigences plus strictes en matière de résistance mécanique et de résistance à la fatigue |
| Raccord ou renfort de fuselage | 2024 | Sensible au poids et aux sollicitations cycliques |
| Engrenage, accouplement ou mécanisme de transmission | 2024 | La résistance à la charge et la résistance à la fatigue sont des critères importants |
| Élément structurel hydraulique soumis à des charges élevées | 2024 | Nécessite une plus grande résistance structurelle |
| Châssis d'équipement d'automatisation | 6061 | Convient au soudage et aux charges générales |
| Support de fixation pour robot | 6061 | Équilibre entre usinabilité, qualité de finition et coût |
| Support de moteur | 6061 | Charges moyennes et stabilité dimensionnelle |
| Boîtier pour équipement électronique | 6061 | Meilleure résistance à la corrosion et aspect anodisé |
| Cadre de refroidissement pour écran LCD | 6061 | Exigences en matière de conductivité thermique et de finition de surface |
| Dissipateur thermique ou plaque de base de gestion thermique | 6061 | Une conductivité thermique plus adaptée |
| Plaque de fixation ou de contrôle | 6061-T651 | Disponibilité stable et adaptée à l'usinage de précision des tôles |
| Boîtier pour équipement d'extérieur | 6061 | Une gestion plus simple de la corrosion |
Ce tableau sert uniquement à une première sélection. Les pièces critiques pour la sécurité doivent tout de même être choisies en fonction des calculs de charge et des spécifications du client.
Exemples typiques de sélection de pièces
Support soumis à des charges cycliques élevées
Si la console est exposée en permanence à des vibrations et à des contraintes cycliques de traction ou de compression, il convient d'envisager en premier lieu l'utilisation de l'acier 2024-T351 lorsque l'on recourt à un assemblage mécanique.
Si le support doit être soudé au châssis d'un équipement, l'alliage 6061-T6 ou une autre solution de structure soudée adaptée est généralement plus appropriée.
Plaque de base CNC de précision
Le 6061-T651 peut être privilégié pour les bases d'automatisation générales, les plaques de positionnement et les montages.
Le modèle 2024-T351 ne doit être pris en considération que lorsque les exigences en matière de charge, de résistance à la fatigue ou de réduction du poids le justifient.
Connecteur aérospatial
La norme 2024 peut être envisagée pour les connecteurs sensibles au poids, à la charge et à la résistance à la fatigue. Le plan doit également préciser l'état de trempe, la forme du produit, le sens des fibres et les exigences en matière de protection contre la corrosion.
Boîtier d'équipement anodisé
Pour les boîtiers d'équipements, on accorde généralement davantage d'importance à la résistance à la corrosion, à l'uniformité de l'aspect et au coût d'approvisionnement. C'est pourquoi l'alliage 6061 offre généralement un meilleur équilibre global.
Pièce extrudée
Les profilés en 6061-T6511 sont généralement disponibles dans une gamme plus large. Le 2024-T3511 ne doit être envisagé que lorsque les calculs techniques montrent que le 6061 ne peut pas répondre aux exigences.
Comparez le coût total à la livraison, et pas seulement le prix des matériaux
L'alliage 6061 offre généralement une plus grande disponibilité et un coût d'achat des matières premières moins élevé. Toutefois, le coût final de la pièce comprend également :
- État et dimensions de la matière première ;
- Durée d'usinage ;
- Protection contre la corrosion ;
- Soudage ou assemblage mécanique ;
- Contrôle de l'aspect de la surface ;
- Certificats de conformité des matériaux et rapports d'inspection ;
- Risque de mise au rebut ;
- Délais d'approvisionnement et de production.
Les coûts liés aux matériaux et à la protection pourraient être plus élevés en 2024. Toutefois, la valeur totale pourrait s'avérer supérieure si la conception tire parti de sa résistance pour réduire les dimensions de la section, alléger le poids ou répondre aux exigences en matière de durée de vie en fatigue.
Si la pièce ne tire pas parti des avantages en termes de performances offerts par la norme 2024, l'alliage 6061 s'avère généralement plus économique.
Une validation est requise avant toute substitution de matière première
Passer du 2024 au 6061, ou inversement, ne se résume pas à une simple révision de la nomenclature.
Il est recommandé de procéder à la validation suivante :
- Recalculer la charge et le coefficient de sécurité ;
- Examiner la durée de vie en fatigue et les cycles de charge ;
- Vérifier les bords des trous, les congés et les concentrations de contraintes ;
- Vérifier la trempe et la forme du produit ;
- Évaluer les évolutions en matière de résistance à la corrosion, de soudage et de traitement de surface ;
- Vérifier les déformations dues à l'usinage et les relations d'assemblage ;
- Réaliser un premier article ou un prototype fonctionnel ;
- Obtenir l'accord écrit de l'autorité chargée de la conception ;
- Ne valider la production par lots qu'après approbation.
Le choix d'un autre matériau peut également avoir une incidence sur le procédé d'usinage, le traitement de surface, les exigences en matière de contrôle et le coût de livraison.
Contactez un fournisseur fiable pour obtenir de l'aide dans le choix des matériaux
Un sous-traitant spécialisé dans l'usinage ne peut pas se substituer à l'ingénieur concepteur pour valider un matériau. Il peut toutefois identifier les risques liés à la fabrication.
Un fournisseur fiable devrait vous aider à vérifier :
- Si l'alliage et le traitement thermique sont clairement spécifiés ;
- Qu'il s'agisse d'une tôle, d'une barre ou d'un profilé ;
- Si les tailles courantes peuvent être approvisionnées de manière régulière ;
- Si une géométrie à parois minces et à cavité profonde est susceptible de se déformer ;
- Si le traitement de surface aura une incidence sur les dimensions critiques ;
- Faut-il que les processus de prototypage et de production diffèrent ? ;
- Qu'il s'agisse d'un certificat de matériau, d'un rapport de premier article ou d'un rapport dimensionnel complet.
Si vous hésitez encore entre le 2024 et le 6061, vous pouvez transmettre le plan, les conditions de charge, l’environnement d’utilisation, la quantité et les exigences en matière de traitement de surface à Weldo Machining. L’équipe d’ingénieurs pourra vous fournir des conseils de fabrication concernant notamment la disponibilité des matériaux, Usinage CNC, le contrôle de la distorsion et le post-traitement.
Choix définitif des matériaux
Pensez d'abord à 2024 lorsque :
- Les contraintes cycliques sont importantes ;
- Un rapport résistance/poids élevé est nécessaire ;
- On utilise des assemblages mécaniques ;
- Une protection de surface peut être assurée ;
- Le dessin précise un état de durcissement du matériau à hautes performances.
Pensez d'abord à l'alliage 6061 lorsque :
- Un soudage par fusion classique est nécessaire ;
- Cette pièce est utilisée dans un environnement extérieur humide ou en général ;
- Une anodisation décorative est nécessaire ;
- Cette pièce est soumise à des charges industrielles moyennes ;
- La disponibilité des matériaux, les délais de livraison et le coût total sont des éléments importants.
La comparaison finale ne doit pas se limiter à “ l'aluminium 2024 par rapport au 6061 ”. Elle doit tenir compte du traitement spécifique, de la forme du produit et des exigences relatives à la pièce. Par exemple :
- 2024-T351 vs 6061-T651;
- 2024-T3511 contre 6061-T6511 ;
- Un support soumis à des contraintes cycliques importantes par rapport à un châssis de machine soudé ;
- Un connecteur de support de charge par opposition à un boîtier de dissipation thermique.
Le choix des matériaux n'a de valeur technique que lorsque leurs propriétés sont évaluées en tenant compte de la fonction de la pièce, du procédé de fabrication et de l'environnement d'utilisation.
