Bimétalliques : Définition, Propriétés et Applications

Un bimétal est défini comme un objet composé de deux métaux distincts assemblés par un processus métallurgique. Contrairement aux alliages, qui sont des mélanges de deux métaux ou plus, les bimétaux se composent de couches de métaux différents qui conservent leurs attributs individuels. Les bimétaux peuvent également être appelés produits bimétalliques ou matériaux bicompomants.

Les bimétaux sont caractérisés par deux zones métalliques distinctes des métaux de base, qui fonctionnent mécaniquement et électriquement comme une unité unique. L'avantage des bimétaux est la possibilité d'utiliser pleinement les meilleures qualités de chaque métal dans un seul produit. Par exemple, les bimétaux peuvent combiner la résistance d'un métal avec la résistance à la corrosion d'un autre, ou la conductivité d'un métal avec l'efficacité économique d'un autre.

Les bimétaux sont largement utilisés dans divers secteurs et applications, tels que les conducteurs électriques, les contacts électriques, les thermostats, les thermomètres, les dispositifs de protection, les horloges, les pièces de monnaie, les boîtes de conserve, les lames, et bien plus encore. Dans cet article, nous explorerons le principe de fonctionnement, les combinaisons courantes et les principales applications des bimétaux.

Comment fonctionnent les bimétaux ?

Le principe de fonctionnement des bimétaux repose sur le fait que différents métaux ont des coefficients de dilatation thermique linéaire (αL) différents, ce qui signifie qu'ils se dilatent ou se contractent à des taux différents lorsqu'ils sont chauffés ou refroidis. Le coefficient de dilatation thermique linéaire est défini comme le changement fractionnel de longueur par degré de changement de température.

Où,

l est la longueur initiale de l'objet,

Δl est le changement de longueur,

Δt est le changement de température,

L'unité de αL est par °C.

Un bimétal se compose de deux bandes de deux métaux différents ayant des coefficients de dilatation thermique linéaire différents, soudées ensemble longitudinalement. Un bimétal à température normale est illustré dans la figure ci-dessous.

Lorsqu'il est chauffé, les expansions en longueur des deux bandes métalliques sont différentes. Cela provoque la courbure de l'élément bimétallique pour former un arc de telle manière que le métal ayant un coefficient de dilatation thermique linéaire plus élevé se trouve du côté extérieur de l'arc, et le métal ayant un coefficient de dilatation thermique linéaire plus faible se trouve du côté intérieur de l'arc, comme illustré dans la figure ci-dessous.

Lorsqu'il est refroidi, l'élément bimétallique se courbe et forme un arc de telle manière que le métal ayant un coefficient de dilatation thermique linéaire plus faible se trouve du côté extérieur de l'arc, et le métal ayant un coefficient de dilatation thermique linéaire plus élevé se trouve du côté intérieur de l'arc, comme illustré dans la figure ci-dessous.

Ce phénomène peut être utilisé pour produire un dispositif utile pour détecter et mesurer les changements de température.

Quelles sont les combinaisons courantes pour fabriquer des bimétaux ?

De nombreuses combinaisons de métaux ayant des coefficients de dilatation thermique linéaire différents peuvent être utilisées pour former des bimétaux. Certaines des combinaisons couramment utilisées pour fabriquer des bandes bimétalliques sont énumérées ci-dessous :

• Fer (αL élevé) et nickel (αL faible)

• Laiton (αL élevé) et acier (αL faible)

• Cuivre (αL élevé) et fer (αL faible)

• Constantan (αL élevé) et Invar (αL faible)

Quelles sont les principales applications des bimétaux ?

Les bimétaux ont de nombreuses applications dans divers domaines. Certaines de ces applications sont énumérées ci-dessous :

Thermostats

Les bimétaux sont très utiles pour la fabrication de thermostats pour le basculement automatique des circuits afin de contrôler la température de certains appareils tels que les radiateurs électriques, les fers à repasser, les réfrigérateurs, les fours électriques, etc. Dans certains circuits, le courant qui passe à travers le thermostat lui-même produit de la chaleur pour son fonctionnement.

Un thermostat bimétallique typique pour cette opération est illustré dans la figure ci-dessous :

Dans le fonctionnement d'un thermostat, une extrémité du bimétal est fixe et connectée à la source d'alimentation. L'autre extrémité est libre de se déplacer. Un contact électrique est attaché à l'extrémité libre du bimétal, qui se déplace avec sa dilatation et sa courbure.

À température normale, ce contact mobile entre en contact avec un contact fixe, comme illustré dans la figure ci-dessus. Lorsqu'il est chauffé, cette bande bimétallique se courbe et se déconnecte du contact fixe, comme illustré dans la figure ci-dessous. Cela ouvre ou ferme un circuit selon sa conception.

Lorsqu'il refroidit à nouveau à la température normale,