Différences entre les matériaux.

Bonjour à toutes et tous,

Si ce n'est déjà fait (mais je n'ai pas trouvé), l'un(e) d'entre nous pourrait-il (elle) nous expliquer les différences de comportement, de tenue dans le temps, etc... des différents matériaux et méthodes de construction de nos chères montures? 

Tout ceci regroupé dans le même post, cela pourrait ainsi nous faciliter le choix lors de l'achat d'un VH, trike, VM etc...  

Car entre le carbon HM, l'aluminium qui perdrait ses qualités de souplesse dans le temps, l'acier qui revient sur le devant de la scène mais qui conserve une image vieillotte, la fibre de verre qui finalement serait plus adaptée dans certaines parties de construction, moi je m'y perd.  

Alors Cebd, Patsy Garret et les autres, pouvez vous éclairer nos lanternes?  

Merci à vous et bonne route 

Il y a déjà au moins deux fils sur ce thème :

Quel matériaux pour son cadre ? Acier, aluminium, titane, carbone ...

et

Choix d'un cadre en alu ou en acier

Les 2 fils cités par Zythum sont très intéressants, mais je pense qu'on peut tenter de compléter...

Il n'y a aucun matériau parfait !  Le choix est une affaire de compromis techniques (performances, vieillissement, complexité de la conception, possibilités d'assemblage, contrôlabilité), financier, et de décisions subjectives (esthétique, écologie, moyens de mise en œuvre)
Ensuite, un matériau et une forme sont indissociables si la conception est optimisée... C'est surtout évident pour les matériaux composites. Par exemple, les premiers cadres carbones où l'on s'obstinait à remplacer des tubes métalliques par des tubes en composite étaient des cochonneries fragiles et pas si légères...
Ainsi pour chaque type de cadre (ou coque avec les vélomobiles) des matériaux sont plus ou moins adaptés à la forme que l'on veut obtenir, aux contraintes etc.

Les composites sont probablement les plus intéressants car ils permettent d'intégrer les compromis dans la conception. Ils permettent d'optimiser (donc d'alléger) les structures par rapport aux efforts prévus en évitant les concentrations de contraintes.  C'est aussi là leur faiblesse, car les structures ainsi conçues seront vulnérables par rapport aux imprévus (exemple : choc sur un cadre carbone, effort dans une direction imprévue, comme dans une vidéo des fils cités, où l'on voit un allemand casser net les bases d'un cadre carbone en les pinçant)
Pour l'acier, les dimensionnements sont le plus souvent faits par rapport aux zones de liaison et de concentration de contrainte (plus dans le temps une "surépaisseur de corrosion"). Un cadre acier va donc plus être à même d'accompagner un randonneur dans ses aventures, gamelles et galères... (j'ai toujours mon 1er VTT, un Peugeot Sitting Bull de 1986 en acier... les autres sont morts...)

Les fils en référence parlent déjà de caractéristiques mécaniques rapportées à la densité.
Ils ne donnent que peu d'infos sur les modes d'endommagement, les marges de sécurité et la tolérance au dommage. Cette dernière notion est importante pour les véhicules. Il est souvent préférable d'avoir un matériau qui se déforme élastiquement (et réversiblement) dans le domaine normal d'utilisation, mais se déforme plastiquement (en absorbant de l'énergie) lors d'un accident ou une surcharge, plutôt que de casser brutalement (c'est la ductilité, avec un avantage aux métaux et un gros moins à la fibre de carbone)

Je propose donc de détailler plutôt le "comment ça casse"


1/ La Corrosion

1.a / Par l'oxygène de l'air :  c'est l'oxydation qui donne la rouille sur les alliages de fer (donc les aciers... sauf Inox) ou l'alumine sur les alliages d'aluminium.
En corrosion uniforme et superficielle, certains oxydes (alumine, oxydes de chrome dans les Inox, rouille des aciers Corten) forment une pellicule protectrice pour le métal dessous, stoppant ainsi la corrosion dans la masse et la destruction de la matière.
Cette couche est toutefois fragile et peut être contaminée (autres éléments chimiques) ou fissurée, donnant alors des corrosions plus vicieuses... voir plus loin.
La rouille superficielle est foisonnante (l'épaisseur de rouille fait jusqu'à 7 fois l'épaisseur d'acier consommée) ce qui fait qu'un cadre "tout rouillé" est souvent utilisable... après décapage et peinture.
La fibre de carbone s'oxyde...mais très lentement aux températures ambiantes... mais surtout elle est protégée par la résine du composite.
Le titane, très réactif s'oxyde très rapidement, formant une couche protectrice efficace.

2.b / Les corrosions chimiques/thermiques
Par confinement (à l'intérieur des tubes, sous des goussets mal brasés...) et action d'agents chimiques (chlore du sel des routes) voire de bactéries on peut avoir des corrosions entre les "grains du métal" ou des contaminations qui le fragilisent. Les métaux les plus fortement alliés ("nobles et chers") sont les plus vulnérables. Les fissures qui en résultent sont bien plus dangereuses... un cadre pas rouillé sauf une légère trace près d'un gousset peut lâcher d'un coup !
Les composites sont vulnérables... ne serait-ce qu'à l'action des UV du soleil mais aussi à pas mal de solvants.
Le cuivre est un dépolymérisant des résines... c'est pas exactement de la corrosion mais cela ressemble.
Le titane est très sensible au chlore (fissuration garantie même pour des petites contaminations comme un marquage au feutre à solvant chloré)

2.c /  Les phénomènes galvaniques
Des métaux (voire du carbone) différents en contact font une pile électrique... ça c'est parfois intéressant mais c'est un autre post !  Le problème est que cela consomme l'un des métaux en contact jusqu'à la disparition.
On raconte des cas de fissurations sur des tôles d'alu en aviation, simplement parce qu'elles avaient été tracées au crayon à mine de plomb...

2/ La Fatigue

La fatigue se caractérise par la fissuration, à plus ou moins long terme, d'un matériau sous une charge cyclique répétée et / ou alternée. On a en gros deux grandes familles de comportement :

• les matériaux qui en dessous d'un certain niveau de contrainte (force divisée par la section résistante) ont une durée de vie "infinie" (genre supérieure à 10^9 cycles).  L'acier et le titane en font partie. Pour des contraintes statiques et alternées connues fortes, les durées de vie sont simples à calculer.
  
• les matériaux qui vont casser à terme, même pour un très faible niveau de contrainte. Les alliages d'aluminium ont ce défaut...  les durées de vie sont plus délicates à prévoir.
  

Tous les métaux fatiguent. En aviation, les pièces ont donc une durée de vie calculée définie, au delà de laquelle on les remplace même si elles ont "l'air bien".
Les composites aussi fatiguent, mais à l'époque où je travaillais dans le domaine, on avait bien du mal à le prévoir. L'autre défaut, c'est qu'on avait autant de mal à contrôler leur état lors des contrôles non destructifs. Cette épée de Damoclès a longtemps été un frein à leur utilisation dans les structures d'avions commerciaux certifiés (plus que le coût)
Quelqu'un du forum pourra peut-être mettre à jour ce point avec les derniers progrès ?

"Le titane est très sensible au chlore"

Merci pour l'info.
C'est bien ce que je pensais. Depuis un an je me balade avec un implant en titane. Du coup j'arrête de boire de l'eau !...Surtout celle du robinet  

Mes trois vélos en cadre acier "tange, colombus" datent pas mal, pour le plus vieux du début 80, ils ont bien vieilli...certes, toujours à l'abri de l'intempérie. Ils pourraient certainement être encore menés vers des sommets.