Aluminium 2024 - AU4G1 - 3.1354 - EN AW-2024 - Al-Cu4Mg1

Au cœur du 2024

Trois points clés à retenir :

• Composition et genèse : l’alliage 2024 contient principalement du cuivre (~4 %) et du magnésium (~1,5 %), dont la combinaison produit un durcissement par précipitation très efficace après traitement thermique.
• Propriétés et usages : il offre une haute résistance mécanique (limite d’élasticité ~330 MPa, résistance ultime à la traction (UTS) ~470 MPa en T3) et une bonne résistance à la fatigue. On le retrouve dans des pièces automobiles et aéronautiques lorsqu’on recherche légèreté et performance.
• Traitements et évolutions : ses propriétés varient selon l’état métallurgique (T3, T4, T351, etc.), basé sur le durcissement par précipitation. Des traitements appropriés améliorent sa résistance (ex. : écrouissage pour le T3) ou sa formabilité (recuit O). De nouvelles variantes (alliages 2524 à haute ténacité, alliages Al-Li) visent à améliorer encore sa durabilité et sa résistance aux dommages.

Entrons-y plus en détails.

Une composition chimique pensée pour le durcissement par précipitation

L’alliage 2024 est principalement composé d’aluminium (~90–94 %) allié avec environ 3,8–4,9 % de cuivre, 1,2–1,8 % de magnésium et 0,3–0,9 % de manganèse. Chaque élément joue un rôle précis :

• Cuivre augmente fortement la résistance en formant des précipités durcissants (phases Al₂Cu et Al₂CuMg) dans la matrice ;
• Magnésium agit en synergie avec le cuivre pour former la phase S (Al₂CuMg), qui accroît la dureté après vieillissement ;
• Manganèse (~0,5 %) contribue à la solidité via des composés dispersoïdes (p. ex. Al₂₀Cu₂Mn₃/phase T) qui stabilisent la microstructure et limitent le grossissement de grain.

En somme, cet alliage Al-Cu-Mg-Mn présente une structure durcissable par traitement thermique, avec l’aluminium pour base légère et les éléments d’alliage pour renforcer (Cu, Mg) ou affiner (Mn) sa structure.

Genèse de l’alliage : naissance du duralumin 2.0

Le 2024 s’inscrit dans la lignée des duralumins, premiers alu-cuivre durcissables découverts au début du XXᵉ siècle. En 1906, Alfred Wilm met en évidence le durcissement par vieillissement naturel sur un aluminium à ~4 % Cu : naissance du Duralumin (alliage 2017 actuel), utilisé notamment dans les dirigeables Zeppelin.

En 1931, Alcoa introduit l’alliage 24S (future désignation 2024), afin de surpasser le 2017. Ce super-duralumin plus riche en magnésium offre une résistance améliorée. Sa faible tenue à la corrosion est compensée par le plaquage Alclad. L’adoption du 24ST Alclad dans les avions des années 1930 (par ex. le Douglas DC-3) a permis des gains de masse, synonymes de charges utiles accrues et de consommations réduites.

Propriétés mécaniques du 2024-T3, son état le plus courant

Les propriétés mécaniques dépendent fortement de l’état métallurgique. À l’état trempé-formé T3, on observe typiquement une résistance ultime à la traction (UTS) d’environ 470 MPa et une limite d’élasticité (0,2 %) d’environ 320 MPa, avec un allongement à rupture de ~18 % (selon l’épaisseur). À l’état 2024-O (recuit), le matériau est beaucoup plus mou (UTS ~120 MPa) mais très ductile.

L’avantage majeur du 2024 : une remarquable résistance à la fatigue

En T3, la limite d’endurance (10^7 cycles) est d’environ 140 MPa (éprouvettes non entaillées), supérieure à celle de la plupart des 6xxx. D’où son usage historique pour les revêtements de fuselage et d’ailes, où le 2024-T3, grâce à sa ténacité, retarde l’initiation et la propagation des fissures, assurant une bonne tolérance aux dommages.

Sa ténacité (résistance à la propagation des fissures) est bonne : il dissipe une partie de l’énergie par déformation avant rupture. Le 2024-T3 « vieillit » donc mieux qu’un alliage plus résistant mais plus cassant, ce qui a motivé son choix pendant des décennies.

Traitements thermiques et états de livraison

Rappel : principe du durcissement par précipitation

L’alliage 2024 est traitable thermiquement et doit sa résistance au durcissement par précipitation. On met en solution (~495 °C) pour dissoudre Cu et Mg, puis on trempe (eau froide). Un vieillissement contrôlé forme des précipités. Ces précipités se forment naturellement à température ambiante (T1 à T4) sur plusieurs jours. Ce processus peut multiplier par 3 à 4 la limite d’élasticité par rapport à l’état recuit O. Les états vieillis artificiellement (T6, T8) sont utilisés pour les produits épais afin d’optimiser la résistance, la stabilité dimensionnelle et la résistance à la corrosion sous contrainte.

Les états de livraison les plus courants pour le 2024

• 2024-T3 : mis en solution, écroui à froid (quelques %) puis vieilli naturellement. Offre le meilleur compromis entre résistance statique, ténacité et résistance à la fatigue. Moins formable que le T4 à cause de l’écrouissage.
• 2024-T4 : mis en solution et vieilli naturellement sans écrouissage. UTS légèrement plus bas (~450 MPa) mais meilleure formabilité.
• 2024-T351 : mis en solution, étiré (1–3 %) pour détendre les contraintes, puis vieilli naturellement. Propriétés proches du T3 mais meilleure stabilité dimensionnelle et meilleure résistance à la corrosion sous contrainte.
• 2024-O (recuit) : résistance minimale mais ductilité maximale (limite d’élasticité 0,2 % ~60–100 MPa). Utilisé pour le formage, avant traitement ultérieur (T4/T3).

Le cuivre, coupable de la sensibilité à la corrosion du 2024

Les séries 2000 riches en cuivre sont moins résistantes à la corrosion que les alliages Mg ou Mg-Si. Le 2024 est sujet à la corrosion (piqûres, intergranulaire) en milieu humide.

Les précipités riches en cuivre créent des différences de potentiel favorisant les piqûres en présence d’un électrolyte. Le 2024 est aussi sensible à la corrosion sous contrainte (SCC) : sous traction en milieu corrosif, des fissures peuvent se propager rapidement.

Solutions de protection contre la corrosion

Deux solutions majeures : l’Alclad et l’anodisation.

Alclad : une fine couche d’aluminium pur (~5 % d’épaisseur de chaque côté) est appliquée en laminage sur la tôle 2024. Elle agit comme barrière sacrificielle, s’oxydant à la place de l’alliage. Malgré sa sensibilité aux rayures profondes, l’Alclad reste une solution efficace et économique.

Anodisation : procédé électrochimique formant une couche épaisse d’oxyde d’aluminium (Al₂O₃). Le 2024 répond bien à l’anodisation sulfurique ou chromique, qui améliore la résistance à la corrosion et à l’usure, avec une légère baisse possible de la résistance à la fatigue.

Un alliage facilement usinable, compliqué à former et difficile à souder par fusion

Usinabilité : excellente. La matrice durcie par précipités favorise des copeaux francs et limite le collage outil, permettant des vitesses d’usinage élevées et une production efficace de pièces complexes.

Formage à froid : moins adapté que les 5052/6061. En T3/T351, la ductilité limitée restreint les plis sévères et l’emboutissage sans fissuration. Solution : utiliser l’état O ou W (avant vieillissement), former, puis traiter.

Formage à chaud : vers 200 °C, la résistance diminue et la ductilité augmente, permettant des formages plus sévères. Doit être suivi d’une trempe et d’un vieillissement.

Soudage par fusion (MIG/TIG) : déconseillé. Le 2024 est très sensible à la fissuration à chaud à cause de sa large plage de solidification (~548 °C). Les soudures sont faibles (~50 % de la résistance du métal de base) et fissurables. Préférer les assemblages mécaniques (rivets, boulons).

Écologie : recyclage de l’aluminium

L’aluminium est hautement recyclable, et le 2024 ne fait pas exception. En fin de vie, les pièces en 2024 peuvent être refondues et réutilisées, sous réserve d’un tri soigné (teneur en Cu, risque de contamination Mg/Si).

La refusion consomme ~5 % de l’énergie de l’extraction primaire. Le 2024 s’inscrit dans une logique d’économie circulaire : près de 75 % de tout l’aluminium jamais produit est encore utilisé aujourd’hui.