Après la fin de l’ère du bois, l'aluminium fait son apparition. L'aluminium se présente trois fois plus lourd que le bois, mais aussi trois fois plus fort. Les ingénieurs se concentrent sur la réduction du poids des matériaux composant les avions, c’est comme ca que les alliages d'aluminium furent sélectionnés pour la fabrication des premières cellules d'avions.
L'aluminium est resistant, léger, et facilement trouvé à bon marché. Il permet d'économiser le carburant, de réduire les émissions et d'augmenter la charge que peux porter un avion. Dans les années 1900, il est venu remplacer progressivement le bois, l'acier, et d'autres matériaux utilisés précédemment.
Le premier avion tout aluminium a été construit au début des années 1920 le Junker F13.
Junkers F13
Depuis ce temps, des avions de toutes sortes et de toutes tailles ont été faits en très grande partie en aluminium. Ces alliages permettent d'absorber des pressions et des efforts considérables impliqués par le vol en attitude. L'aluminium est en plus un très bon isolant contre l'air et le froid, mais l’aluminium brut n’étant pas corrosif et étant très rare, en aviation on utilise des alliages d’aluminium qui eux sont corrosifs. Les deux séries d’alliage d’aluminium les plus utilisées sont le 2000 (Aluminium Cuivre) et le 7000 (Aluminium Zinc).
Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments chimiques. En sachant que le métal pure à de faibles propriétés il est renforcé avec d’autres éléments chimiques pour augmenter ses caractéristiques physiques.
Les alliages contenant du cuivre sont ceux qui ont les meilleures propriétés mécaniques. Mais ils sont aussi ceux qui ont du coup une résistance à la corrosion très faible. Les alliages d'aluminium sont généralement utilises en laminés, de 5 à 10 millimètres d'épaisseurs, et sont utilisés comme des revêtements sur des squelettes en acier.
L'aluminium est souvent utilisé en général car sa masse volumique est très faible et sa densite egalement etant de 2.6, ce qui présente un grand intérêt en aéronautique. En effet, plus l'avion est léger, moins il consommera de carburant. L'aluminium est aussi très apprécié pour sa bonne résistance à la corrosion qui est dû à la formation au préalable d'une couche d'alumine qui va ensuite empêcher la corrosion d'atteindre l'aluminium. L’un des problèmes majeurs des alliages d’aluminium vient de là, la résistance à la corrosion est en effet diminuée dès lors que l’on réalise des alliages avec des métaux plus électropositifs (comme le cuivre ou le zinc) car cela va détruire la couche d'alumine qui ne va donc plus protéger l'aluminium. A la différence de la plupart des métaux, l’aluminium est utilisable même s’il est oxydé en surface. On peut même dire que sans cette couche d’oxyde, il serait impropre à la plupart de ses applications. En contact avec l’air, il se forme une couche de quelques micromètres d’oxyde d’aluminium : Al2O3 appelé alumine, solide réfractaire, selon la réaction :
4Al + 3O2 → 2 Al2O3
Ce sont tout ces avantages qui ont fait du metal un materiau attractif dans l'aéronautique.
Après la réalisation du premier avion tout en métal, le Junkers F13, en 1919, nombreux sont ceux qui le succédèrent, même si certains avions en bois continueront à être construits durant la Seconde Guerre mondiale, comme le plus connu "Mosquito", avion de guerre. Le bois servaient pour les ailes, mais le métal sera peu à peu utilisé : il est employé pour le train d’atterrissage, les volets (partie articulée et orientable de l’aile), et les vis de laiton (alliage de métaux). Ce matériel prendra peu à peu une place plus importante dans l'aéronautique, comme nous allons le voir.
Nous allons voir les plus importantes réalisations d'avions en métaux, après la réalisation du premier avion tout en métal, en Allemagne, le Junkers F-13, et leur évolution dans le temps :
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- DURANT LA SECONDE GUERRE MONDIALE : Ils étaient construits surtout de métal.<o:p></o:p>
--> Les Yaks soviétiques. En 1941, le Yak-7DI employa du métal à la place du bois dans la structure des ailes. Puis on le reconstruit et on utilisa des alliages légers, comme celui d’aluminium de densité 2.6, bien plus légers que celle du fer de 7.32. Ensuite vers 1942, il y eu le Yak-9, d’une structure à base de tubes principalement métalliques, étant recouverte de contreplaqué ou entoilée. Puis en 1944, le Yak-9U, identique aux autres, mais plus bien plus solide : en effet, sa construction et son revêtement était entièrement métallique.<o:p></o:p>
--> Le Heinkel allemand, HE 162, en 1944 : Il est construit en bois, car les matériaux stratégique, qui étaient les métaux, se faisaient rares à la fin de la guerre, et étaient chers. Mais sa particularité était que son fuselage était en aluminium.<o:p></o:p>
--> Et toutes la plupart des avions de guerre, les modèles français, américains comme le Consolidated B-24 Liberator de la 7th United States Army Air Force par exemple, japonais,...<o:p></o:p>
Après cette guerre, tous les avions furent désormais constitués de métaux principalement, et surtout des alliages d’aluminium. On utilisait beaucoup l’aluminium, sous forme pure ou alliée, et il devient alors extrêmement performant. Il résiste à la corrosion, et est très léger, et du coup, on consommait moins de carburant. Après la Seconde Guerre mondiale, il y eu d’ailleurs eu une pénurie de stock. On a découvert les caractéristiques des nombreux autres métaux après ça. Grâce à eux, on construisit alors des avions militaires et civils encore plus performants. Mais avant ça, on a du étudié les contraintes auxquelles les avions pourraient être exposés lors du vol, de l’atterrissage, et du décollage. Les ailes y sont le plus exposées à ces contraintes qui sont: la compression, la torsion, la flexion, etc.
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On utilise également le duralium, qui est un alliage d’aluminium, de cuivre, qui est léger, dur, résistant ; l’acier, un dérivé du fer, qui est composé de fer, et de carbone, et qui résiste aux chocs; et lorsqu’ils sont alliés, ils ont de nombreuses capacités (par exemple, l’aluminium le désoxyde) ; le titane, qui résiste à la corrosion, au feu, et qui commença à être industriellement produit qu’en 1939. On le considère comme l’un des huit matières premières stratégiques indispensables en temps de guerre, comme le magnésium. Il constitue de nos jours environ 9% de la masse des avions, et le magnésium, 1/3 plus léger que l’aluminium.<o:p></o:p>
Un exemple de composition d’avion chez Airbus :
Désormais les métaux, qui étaient au début surtout de l'alliage d'alluminium, vont peu à peu se diversifiés, et c'est pour cela qu'aujourd'hui, on possèdent des avions plus performants qu'auparavant, dû à l'utilisation d'autre métaux, comme l'acier, le titane,...
L’avion aujourd’hui, contient 65 à 75% de métaux, et en majeur partie une enveloppe en alliage d'aluminium, qui représente 85% des métaux utilisés, et n'en contient que 25 à 35% de matières diverses (hors métaux) comme le bois, par exemple pour les planchers, ainsi que le plastique, caoutchouc, verre,...
L’avion en métal, comme tout autre avion, a des limites qui ne peuvent pas êtres dépassées.
Pendant le début de la création de l’avion de chasse avec des alliages en métal (aluminium), il n’y avait pas de moteurs d’avion très puissant qui pouvaient rendre la vitesse de l’avion en métal plus importante que l’avion de chasse en bois. En effet, le métal a un poids plus important que celui du bois. Comme c’était juste pour une meilleure protection contre les mitrailleuses, cela ne changeait pas beaucoup des capacités de l’avion.
Voici un avion de chasse en alliage d'aluminium :
Puisque l’avion en métal est lourd, donc il consomme beaucoup de pétrole ce qui coûte cher sur une grande utilisation et sa construction est difficile car on a besoin de l’aluminium liquide pour sa construction.
De plus, les matériaux sont sous l’effet de plusieurs contraintes : ils sont soumis à des sollicitations de flexion, torsion, traction, compression et cisaillement. Ces sollicitations induisent, dans les différentes sections de ces éléments des contraintes de trois types, à savoir des contraintes de traction, de compression ou de cisaillement, dont la valeur ne peut dépasser certaines limites admises par le constructeur. Les contraintes admissibles sont déterminées, avec un coefficient de sécurité convenable, à partir de la résistance des matériaux utilisés et plus précisément de leur limite d'élasticité et de leur résistance à la fatigue. Tous les éléments sont dimensionnés de telle manière qu'ils se comportent élastiquement, c'est-à-dire qu'ils se déforment sous l'effet d'une sollicitation mais reprennent leur forme initiale lorsque cesse la sollicitation.
Limite d'élasticité et résistance statique des matériaux
Si l'on soumet, par exemple, un barreau métallique de section (s) à un effort de traction (T), on peut tracer un diagramme de la déformation du barreau, exprimée en % de sa longueur initiale, en fonction de la contrainte appliquée (σ= T / s), exprimée en Newton / mm2. La fig. 1.21 schématise un tel diagramme. Dans la phase 0A du chargement, le diagramme est une droite (la déformation est proportionnelle à la contrainte appliquée). La contrainte σe correspondant au point A est appelée "limite d'élasticité ou de proportionnalité.
Tant que le matériau n'est pas sollicité au-delà de cette limite, il reprend sa longueur initiale lorsqu'il est déchargé, le matériau se comporte élastiquement. Si la contrainte dépasse cette limite, la déformation n'est plus proportionnelle à la contrainte ; le matériau s'allonge considérablement (phase des grands allongements). Si le barreau est déchargé après avoir atteint un point B du diagramme, on constate que le diagramme de déchargement (BC) est une droite parallèle à la droite OA mais qu'il ne reprend plus sa longueur initiale. Il conserve, après déchargement, une déformation permanente (OC). Le métal a été plastifié ou écroui.
La rupture du barreau se produit lorsqu'on atteint une contrainte σr, appelée contrainte de rupture ou résistance du matériau.
Il faut donc que le constructeur limite la contrainte dans tous les éléments de la structure à une valeur maximale admissible (σa) inférieure à la limite d'élasticité, fixée en divisant celle-ci par un coefficient de sécurité, par exemple 1,5. (σa =σ e /1,5).
La limite d'élasticité n'est pas le seul élément dont il faut tenir compte dans le dimensionnement des éléments de la structure mais il faut aussi en tenir compte de résistance à la fatigue de la matière. Par exemple, pour obtenir une durée de vie illimitée du matériau, la contrainte répétée devrait être limitée à une valeur extrêmement faible, appelée "limite d'endurance".
Les charges maximales admissibles dans chaque compartiment de la cellule limitent aussi le vol de l’avion.
Après avoir étudié tous ces facteurs en plusieurs années, les chercheurs ont trouvé des matériaux qui peuvent rendre la consommation du pétrole moins importante pour un trajet qui est plus long pour les avions à passagers, une flexibilité qui rend le trajet plus confortable de ces matériaux et que ces matériaux augmenteraient la vitesse de l’avion.
Ces matériaux sont les matériaux composites.
[ BIBLIOGRAPHIE :
http://groups.google.com/group/fr.soc.histoire/browse_thread/thread/9f5812194d7d8bf9
http://www.encyclopedie-gratuite.fr/Definition/chimie/densite-metaux.php
http://www.pionnair-ge.com/spip1/spip.php?article373
http://www.avionslegendaires.net/annee_histoire.php?annee=1912
http://fr.wikipedia.org/wiki/Aluminium#Alliages_remarquables_et_utilisations
http://fr.wikipedia.org/wiki/Titane
http://aeronautiques2.free.fr/materiaux.php
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