ASTM E228 : Dilatation thermique des métaux et des céramiques

Qu'est-ce que l'ASTM E228 ?

L'ASTM E228 est une méthode d'essai standard de l'ASTM International pour mesurer le coefficient de dilatation thermique (CTE) des métaux et des céramiques. La norme garantit la cohérence et la précision des tests de dilatation ou de rétrécissement des matériaux lors d'un changement de température, un facteur clé dans la conception technique, la fabrication et l'assurance qualité.

Importance de la dilatation thermique des céramiques et des métaux

Ladilatation thermique est le facteur limitant la fiabilité et les performances des matériaux dans les applications soumises à des fluctuations de température. Cette propriété permet aux ingénieurs et aux fabricants de prévoir les changements de taille et d'éviter les défaillances dues aux contraintes thermiques.

Par exemple, dans les moteurs à turbine, les aubes métalliques subissent des échauffements et des refroidissements à grande vitesse qui peuvent entraîner des fissures ou de la fatigue si le coefficient de dilatation thermique n'est pas correctement pris en compte. Dans le substrat céramique de l'emballage des semi-conducteurs, un gauchissement ou un décollement peut se produire en raison d'une différence de CDT entre la puce de silicium et le substrat.

Une bonne connaissance de la dilatation thermique permet :

- d'optimiser la conception : Les pièces mécaniques sont optimisées pour maintenir la stabilité dimensionnelle en cas de changement de température.

- Compatibilité des matériaux : Prévenir la défaillance ou le gauchissement des joints lors de la combinaison des matériaux.

- Précision de la fabrication : Tolérances serrées dans les pièces aérospatiales, les instruments optiques et les composants électroniques.

Fonctionnement de l'ASTM E228

Équipement de mesure

Le dilatomètre à tige de poussée est le principal équipement utilisé dans les tests ASTM E228. Le dispositif de test utilise généralement une tige de poussée en silice vitreuse pour les plages de températures normales ou en alumine de haute pureté ou en graphite isotrope pour les températures plus élevées. La tige transmet l'expansion ou la contraction de l'échantillon à un transducteur de déplacement avec une précision pratiquement très élevée.

Procédure

1) Préparation de l'échantillon : Un échantillon de la géométrie et de la finition de surface requises est préparé.

2. Chauffage/refroidissement : L'échantillon d'essai est placé dans le dilatomètre et exposé à des changements de température contrôlés.

3. Mesure : Le déplacement linéaire (changement de longueur) en fonction de la température est mesuré par l'équipement.

4. Calcul : Le CET est calculé à partir de la pente du tracé déplacement-température.

Champ d'application

L'ASTM E228 est généralement utilisée pour les substances solides dont le CET est supérieur à environ 0,5 μm/m⋅℃. Elle s'applique aux métaux, aux céramiques et aux matériaux denses dans une large gamme de températures. La méthode peut être modifiée pour s'appliquer aux matériaux à faible expansion si un appareil sensible est disponible.

Applications de l'ASTM E228

Les essais ASTM E228 sont utilisés dans des applications où la stabilité de la température et la stabilité dimensionnelle sont importantes :

- Aérospatiale : Les aubes de turbines de moteurs à réaction et les boucliers thermiques subissent d'énormes gradients de température. Par exemple, les superalliages au nickel avec un CDT de 13-15 × 10^{-6}/℃ sont soigneusement adaptés aux revêtements céramiques avec un CDT ≈ (10-12 × 10^{-6}/℃) afin de réduire les contraintes pendant les cycles thermiques.

- Véhicule : Les composants d'échappement en alliage d'aluminium et les blocs moteurs CTE ≈ (23 × 10^(-6)/ ℃) sont soumis à des essais d'expansion similaires. L'incongruité entre les boulons en acier CTE ≈ (16 × 10^(-6)/ ℃) et les boîtiers en aluminium provoque des cycles thermiques répétés qui entraînent une distorsion mécanique.

- Électronique : Les cartes de circuits imprimés (PCB) et les boîtiers de semi-conducteurs nécessitent une adaptation précise de l'ERC des traces de cuivre ERC ≈ (17 × 10^(-6)/ ℃) et de l'alumine ou d'autres substrats céramiques ERC ≈ (8 × 10^(-6)/ ℃) pour éviter les fissures pendant les cycles thermiques.

- Systèmes énergétiques : Dans les piles à combustible à oxyde solide, en l'absence de données correctes sur l'ETR aux interfaces métal-céramique, à des températures de fonctionnement supérieures à 800 °C, la délamination n'a pas lieu.

En fournissant des données précises sur la dilatation thermique, l'ASTM E228 facilite la durée de vie et la sécurité des composants dans le cadre d'une utilisation à haute performance.

Effets sur la dilatation thermique

Plusieurs effets régissent la manière dont les métaux et les céramiques se dilatent avec la température, et ce de manière assez complexe :

- Composition du matériau : Les alliages ou les additifs céramiques modifient considérablement le coefficient de dilatation thermique. L'ajout de silicium à l'aluminium, par exemple, réduit le coefficient de dilatation thermique de l'aluminium, et les alliages aluminium-silicium sont devenus l'option de choix pour les pistons des voitures exposées à des cycles thermiques sévères.

- Plage de température : Il est vrai que la plupart des matériaux présentent une expansion non linéaire à haute température. L'acier inoxydable, par exemple, a un CDT de 16,0 × 10^{-6}/°C à température ambiante et d'environ 18,5 × 10^{-6}/°C à près de 700 °C.

- Microstructure : La taille des grains, la porosité et la répartition des phases sont autant de facteurs à prendre en compte. Les céramiques de zircone à grain fin, par exemple, ont une dilatation thermique plus faible que les céramiques à grain grossier, car la liberté de vibration du réseau est limitée.

- Historique thermique : Le chauffage et le refroidissement cycliques modifient la structure d'un matériau, ce qui modifie peu son comportement de dilatation, ce qui est important pour les matériaux fonctionnant dans des conditions cycliques comme les moteurs d'avion ou les fours.

Coefficients de dilatation thermique de matériaux courants

Pour plus d'informations, veuillez consulter le site Stanford Advanced Materials (SAM).

Questions fréquemment posées

Qu'est-ce que le coefficient de dilatation thermique (CDT) ?

Le CTE définit la vitesse à laquelle un matériau se dilate ou se rétracte lorsqu'il est chauffé ou refroidi, généralement en micromètres par mètre par degré Celsius (µm/m-°C).

En quoi l'ASTM E228 est-elle utile pour la sélection des matériaux ?

Elle fournit des valeurs uniformes et reproductibles que les ingénieurs utilisent pour offrir des performances fiables dans des conditions de fluctuation de température.

L'ASTM E228 s'applique-t-elle aux polymères ?

Non. L'ASTM E228 convient aux métaux et aux céramiques. Les polymères nécessitent des normes spéciales, telles que l'ASTM E831.

Comment la dilatation thermique affecte-t-elle les équipements électroniques ?

Les différences d'ECU entre les pièces peuvent créer des contraintes internes qui entraîneront une défaillance du joint de soudure, des fissures ou une délamination.

L'ASTM E228 est-il adapté à une utilisation à haute température ?

Oui. Le test mesure avec précision le coefficient de dilatation thermique dans de larges plages de température et est donc bien adapté aux technologies de l'aérospatiale, de l'automobile et de l'énergie.