Coefficients de dilatation thermique des matériaux CNC
CTE de 22 matériaux CNC en µm/m·°C avec la plage de température que couvre chaque valeur, plus des exemples chiffrés de ce que ces différences font aux ajustements et au contrôle.
Coefficient de dilatation thermique (CTE) par matériau et plage de température
| Matériau (nuance) | CTE (µm/m·°C) | Plage de température | Signification technique | Source |
|---|---|---|---|---|
| Aluminum 1060 (commercially pure) | 23.6 | 20–100 °C | Le CTE le plus élevé des métaux CNC courants ; les conceptions de barres bus et de dissipateurs doivent prévoir des jeux de dilatation | ASM Handbook Vol. 2 via matmake.com |
| Aluminum 6061-T6 | 23.6 | 20–100 °C | L'alliage d'aluminium le plus usiné ; le CTE est indépendant de l'état (O, T4, T6 et T651 tous 23.6) | ASM Handbook Vol. 2, 10th ed.; MIL-HDBK-5J |
| Aluminum 6061-T6 | 24.6 | 20–200 °C | La moyenne à température élevée monte de ~4% ; utilisez un CTE propre à la plage au-dessus de 150 °C | MIL-HDBK-5J; ASM Handbook Vol. 2 |
| Aluminum 7075-T6 | 23.6 | 20–100 °C | Nuance aérospatiale ; même CTE que 6061 malgré une limite élastique double — simplifie la conception d'outillages à alliages mixtes | matmake.com; arcuscnc.com |
| Copper C11000 (ETP) | 17.0 | 20–100 °C | Matériau de barres bus et de connecteurs ; l'écart de CTE avec l'aluminium (23.6) provoque la fatigue des assemblages en cosses bimétalliques | fabdigit.com (C11000-O properties) |
| Copper C11000 (ETP) | 17.0 | 20–300 °C | CTE moyen sur une plage large ; valeur de la fiche technique du fabricant | jtcopper.com C11000 datasheet |
| Brass C36000 (free-cutting) | 20.5 | 20–100 °C (approx.) | L'alliage de cuivre le plus usinable ; CTE entre le cuivre et l'aluminium — pertinent pour les inserts en laiton dans des carters en aluminium | mechcodex.com C36000 thermal table |
| Carbon steel AISI 1045 (annealed) | 11.6 | 0–100 °C | Acier de référence pour arbres et engrenages ; CTE environ la moitié de l'aluminium — les assemblages boulonnés alu-acier développent 0.12 mm d'écart par 100 mm à ΔT = 100 °C | theworldmaterial.com AISI 1045 physical properties |
| Carbon steel AISI 1045 (annealed) | 12.3 | 0–200 °C | Moyenne à température élevée ; monte avec la plage de température | theworldmaterial.com AISI 1045 |
| Alloy steel AISI 4140 (normalized) | 12.3 | 20–100 °C | Acier à haute résistance pour arbres et essieux ; CTE proche du 1045 — interchangeables dans les calculs de contraintes thermiques | ASM Handbook Vol. 1; metalzenith.com |
| Stainless steel 304/304L | 17.3 | 0–100 °C | L'acier inoxydable austénitique se dilate ~44% de plus que l'acier au carbone ; critique pour les assemblages tube-plaque support des échangeurs de chaleur | jnalloys.com CTE comparison table |
| Stainless steel 316/316L | 15.9 | 0–100 °C | CTE plus bas que le 304 malgré une structure austénitique similaire (ajout de molybdène) ; privilégié pour la conception de dilatation des tuyauteries marines | jnalloys.com CTE comparison table |
| Stainless steel 17-4PH (H900) | 10.8 | 0–100 °C | Acier PH martensitique ; le CTE le plus proche de l'acier au carbone parmi les nuances inoxydables — idéal pour les raccords aérospatiaux de précision s'accouplant à des structures en acier | xometry.com; alloy-materials.com (20–100 °C) |
| Titanium Ti-6Al-4V (Grade 5) | 8.6 | 20–100 °C | Le CTE le plus bas des métaux structuraux courants ; bien apparié au CFRP (0–2) dans les assemblages hybrides aérospatiaux | arcuscnc.com CTE comparison |
| Titanium Ti-6Al-4V (Grade 5) | 8.8 | 20–100 °C (approx.) | Valeur publiée alternative ; l'écart se situe dans l'incertitude de mesure (±2%) | mechcodex.com Ti-6Al-4V properties |
| Tool steel P20 (pre-hardened, 28–32 HRC) | 11.7 | 20–100 °C | Acier de cadre de moule ; le CTE doit correspondre aux aciers des inserts pour éviter la fissuration par contrainte thermique dans les moules d'injection lors des cycles thermiques | ASM Handbook Vol. 1; firstmold.com (P20 context) |
| Tool steel H13 (hot-work, 44–52 HRC) | 12.0 | 20–200 °C | Acier à matrices pour moulage sous pression et forge ; il travaille à 500–650 °C en température de surface, donc le CTE de plage élevée compte pour les ajustements des inserts de matrice | ASM Handbook Vol. 1; metalzenith.com |
| Delrin / POM (acetal homopolymer) | 110 | 23–60 °C | Environ 5× l'acier ; les ajustements serrés plastique-métal se desserrent quand la température monte — calez l'interférence à la température maximale de service | firstmold.com; DuPont Delrin 500P datasheet |
| Nylon 6/6 (unfilled, dry-as-molded) | 80 | 23–60 °C | L'absorption d'humidité ajoute une dilatation hygroscopique au terme thermique ; 50% HR augmente la variation dimensionnelle effective de ~0.2% | DuPont Zytel 101L datasheet; ASM Handbook Vol. 21 |
| PEEK (unfilled, e.g. Victrex 450G) | 47 | 23–100 °C | Le CTE le plus bas des plastiques techniques non renforcés ; s'approche de l'aluminium à température élevée — viable pour remplacer le métal dans des environnements à cycles thermiques | makerstage.com (citing Victrex); criterionprecision.com (45–55) |
| PEEK (30% glass-filled, GF30) | 27 | 23–100 °C | Le renfort verre réduit le CTE de ~43% ; choisi quand la stabilité dimensionnelle sous cycles thermiques est critique | makerstage.com PEEK grade comparison (Victrex) |
| ABS (general purpose, unfilled) | 90 | 23–60 °C | Le CTE élevé limite l'usage dans les assemblages de précision ; acceptable pour des boîtiers grand public avec un jeu généreux | firstmold.com; Cycolac/Terlux datasheets |
Comment lire ce tableau. Là où deux sources divergent, les deux lignes sont listées (le Ti-6Al-4V apparaît à 8.6 et 8.8). Les plages de température sont citées telles que publiées et ne sont pas normalisées sur une seule bande — utilisez toujours la ligne de CTE dont la plage couvre votre intervalle de température réel.
Quand la différence devient une cote
Cinq calculs tirés de la pratique, chacun avec ΔL = α × L × ΔT et des valeurs prises dans le tableau ci-dessus. Voilà pourquoi deux matériaux de CTE différents ne peuvent pas être traités comme interchangeables dans un assemblage de précision.
| Cas | Calcul | Résultat | Réponse de conception |
|---|---|---|---|
| Carter en 6061-T6 (CTE 23.6) boulonné sur une base en acier 1045 (CTE 11.6), entraxe de boulons de 200 mm, ΔT = 50 °C | ΔL(Al) = 23.6 × 10⁻⁶ × 200 × 50; ΔL(steel) = 11.6 × 10⁻⁶ × 200 × 50 | 0.236 mm vs 0.116 mm — 0.120 mm differential | Avec seulement 0.1 mm de jeu de boulon, l'assemblage se bloque à ΔT = 50 °C. Utilisez des trous oblongs, un jeu ≥ 0.3 mm ou des rondelles élastiques ; pour les outillages de précision, réalisez alu-sur-alu ou acier-sur-acier. |
| Structure en acier (CTE 12.0) boulonnée directement sur un panneau CFRP (CTE ~1.0 dans le sens des fibres), portée de 300 mm, ΔT = 80 °C | (12.0 − 1.0) × 10⁻⁶ × 300 × 80 | 0.264 mm relative slip per cycle | Un insert en Ti-6Al-4V (CTE 8.6) ramène l'écart à 7.6 µm/m·°C des deux côtés et réduit le mouvement différentiel de ~30% — la raison pour laquelle les raccords en titane dominent les conceptions aérospatiales à assemblages composites. |
| Bague en Delrin (CTE 110) emmanchée à force dans un carter en acier (CTE 11.6) : Ø extérieur 25 mm, interférence de 0.05 mm à 20 °C, service à 80 °C | ΔL(POM) = 110 × 10⁻⁶ × 25 × 60; ΔL(steel) = 11.6 × 10⁻⁶ × 25 × 60 | 0.165 mm vs 0.017 mm — 0.148 mm of interference lost (−0.098 mm, i.e. clearance) | L'ajustement serré devient un ajustement glissant à 80 °C. Calculez l'interférence à la température maximale de service, retenez le POM mécaniquement (anneaux élastiques, moletage) ou passez au PEEK (CTE 47) ou au PEEK chargé verre (CTE 27). |
| Une pièce en 6061 de 500 mm usinée à 30 °C de température d'atelier, contrôlée à 20 °C (température de référence ISO 1) | 23.6 × 10⁻⁶ × 500 × 10 | 0.118 mm — reads 500.000 mm at 30 °C, 499.882 mm at 20 °C | Pour du ±0.05 mm, cette erreur vaut 2.4× la bande de tolérance : stabilisez les pièces à 20 °C ± 1 °C avant le contrôle final, ou appliquez une compensation en cours d'usinage. |
| Cadre de moule P20 (CTE 11.7) portant un insert de noyau H13 (CTE 12.0), diamètre d'insert 100 mm, ΔT = 60 °C, jeu conçu de 0.02 mm | 12.0 × 10⁻⁶ × 100 × 60; 11.7 × 10⁻⁶ × 100 × 60 | 0.072 mm vs 0.070 mm — clearance grows only 0.002 mm | P20 avec H13 est thermocompatible (écart de 0.3 µm/m·°C). Un insert en cupro-beryllium (CTE 16.6) contre du P20 perd 0.029 mm de jeu au même ΔT — concevez les inserts BeCu avec une marge de croissance. |
Comment utiliser ces nombres
- Le CTE ici est en µm/(m·°C), soit 10⁻⁶/K ou ppm/°C. Choisissez la ligne dont la plage de température correspond à l'application — le même alliage publie des moyennes différentes sur des intervalles différents (6061 : 23.6 sur 20–100 °C, 24.6 sur 20–200 °C).
- Le traitement thermique ne change pas le CTE de l'aluminium : le 6061 lit 23.6 µm/m·°C dans tous les états (O, T4, T6, T651). Seule la plage de température déplace la valeur effective.
- Là où les sources divergent, les deux valeurs sont conservées : le Ti-6Al-4V apparaît à 8.6 et 8.8 µm/m·°C, une dispersion dans l'incertitude de mesure typique (±2%). Pour l'acier inoxydable 304 nous utilisons 17.3 — une table de calculatrice affiche 10.8, qui est la valeur du 17-4PH et une erreur de saisie.
- Le CTE des plastiques dépend fortement du chargement, de la cristallinité et de l'humidité. La ligne du Nylon 6/6 est à l'état sec de moulage (80) ; à l'équilibre de 50% HR la variation dimensionnelle effective monte de ~0.2% en plus du terme thermique.
- Le piège du contrôle : les pièces grandissent avec la chaleur de coupe et rétrécissent sur la MMT. Une pièce en 6061 de 300 mm coupée à 40 °C rétrécit de 0.14 mm quand elle atteint 20 °C — mesurez après une stabilisation thermique, ou budgétez le décalage dans la tolérance.
Questions fréquentes
De combien s'allonge une barre d'aluminium 6061 de 200 mm de 20 °C à 60 °C ?
Environ 0.19 mm. ΔL = 23.6 × 10⁻⁶ × 200 × 40 = 0.189 mm.
Environ 0.19 mm. ΔL = 23.6 × 10⁻⁶ × 200 × 40 = 0.189 mm.
Pourquoi mes pièces en aluminium mesurent-elles trop petites après usinage CNC ?
Contraction thermique due à la chaleur de coupe. Une pièce en 6061 de 300 mm coupée à 40 °C rétrécit de 0.14 mm à 20 °C (23.6 × 10⁻⁶ × 300 × 20). Stabilisez la pièce à 20 °C avant la mesure finale.
Contraction thermique due à la chaleur de coupe. Une pièce en 6061 de 300 mm coupée à 40 °C rétrécit de 0.14 mm à 20 °C (23.6 × 10⁻⁶ × 300 × 20). Stabilisez la pièce à 20 °C avant la mesure finale.
Quelle est la différence de CTE entre l'aluminium et l'acier inoxydable 304 ?
6.3 µm/m·°C (23.6 vs 17.3). Sur 100 mm à ΔT = 50 °C, cela fait 0.032 mm de mouvement différentiel.
6.3 µm/m·°C (23.6 vs 17.3). Sur 100 mm à ΔT = 50 °C, cela fait 0.032 mm de mouvement différentiel.
Puis-je emmancher à force une bague en Delrin dans un carter en acier pour une application à 80 °C ?
Pas avec la seule interférence. Le CTE du POM (110) est 9.5× celui de l'acier (11.6) : une interférence de 0.05 mm à 20 °C sur un diamètre de 25 mm devient du jeu vers 50 °C. Utilisez une retenue mécanique, ou passez au PEEK chargé verre (CTE 27).
Pas avec la seule interférence. Le CTE du POM (110) est 9.5× celui de l'acier (11.6) : une interférence de 0.05 mm à 20 °C sur un diamètre de 25 mm devient du jeu vers 50 °C. Utilisez une retenue mécanique, ou passez au PEEK chargé verre (CTE 27).
Quel métal a la plus faible dilatation thermique pour des outillages de précision ?
Le titane Ti-6Al-4V à 8.6 µm/m·°C — plus bas que tout acier courant (11.6–12.3) et moins de la moitié de l'aluminium (23.6). Pour une structure à très faible dilatation, l'Invar (FeNi36) à 1.2 µm/m·°C est l'option extrême mais coûte 10–20× plus cher.
Le titane Ti-6Al-4V à 8.6 µm/m·°C — plus bas que tout acier courant (11.6–12.3) et moins de la moitié de l'aluminium (23.6). Pour une structure à très faible dilatation, l'Invar (FeNi36) à 1.2 µm/m·°C est l'option extrême mais coûte 10–20× plus cher.
De combien s'allonge une poutre en acier de 1 mètre avec une élévation de 40 °C ?
Environ 0.46 mm pour l'acier au carbone 1045 (11.6 × 10⁻⁶ × 1000 × 40 = 0.464 mm). Pour l'acier inoxydable 304, 0.69 mm — la raison pour laquelle les structures longues ont besoin de joints de dilatation.
Environ 0.46 mm pour l'acier au carbone 1045 (11.6 × 10⁻⁶ × 1000 × 40 = 0.464 mm). Pour l'acier inoxydable 304, 0.69 mm — la raison pour laquelle les structures longues ont besoin de joints de dilatation.
Le traitement thermique (T6 vs T4) change-t-il le CTE de l'aluminium 6061 ?
Non. Le CTE est de 23.6 µm/m·°C dans tous les états (O, T4, T6, T651). Il est fixé par le réseau de l'aluminium, pas par la population de précipités ; seule la plage de température change la valeur effective.
Non. Le CTE est de 23.6 µm/m·°C dans tous les états (O, T4, T6, T651). Il est fixé par le réseau de l'aluminium, pas par la population de précipités ; seule la plage de température change la valeur effective.
Quel CTE utiliser pour le PEEK dans un dispositif médical à température corporelle ?
Utilisez 47 µm/m·°C (non chargé, plage 23–100 °C). À ΔT = 17 °C (20 → 37 °C), un composant de 50 mm ne grossit que de 0.040 mm — dans une tolérance d'usinage typique de ±0.025 mm s'il est mesuré à 20 °C.
Utilisez 47 µm/m·°C (non chargé, plage 23–100 °C). À ΔT = 17 °C (20 → 37 °C), un composant de 50 mm ne grossit que de 0.040 mm — dans une tolérance d'usinage typique de ±0.025 mm s'il est mesuré à 20 °C.
Normes et sources
- ASM Handbook Vol. 2, 10e éd. (1990) — valeurs de CTE des alliages d'aluminium et indépendance vis-à-vis de l'état
- MIL-HDBK-5J (U.S. DoD, 2003) — CTE en fonction de la température pour 6061 (20–100/200/300/400 °C)
- ASM Handbook Vol. 1 — AISI 4140 = 12.3 ; P20 = 11.7 ; H13 = 12.0 µm/m·°C
- Fiches techniques DuPont Delrin 500P et Zytel 101L — POM 110 µm/m·°C (23–60 °C), Nylon 6/6 80 µm/m·°C (sec à la sortie du moule)
- Données PEEK Victrex via makerstage.com — non chargé 47, GF30 27 µm/m·°C ; criterionprecision.com donne 45–55
- Comparaison de CTE jnalloys.com — 304/304L = 17.3, 316/316L = 15.9 µm/m·K (0–100 °C)
- xometry.com et alloy-materials.com — 17-4PH = 10.8 µm/m·°C (20–100 °C)
- arcuscnc.com — Ti-6Al-4V = 8.6 ; matmake.com (données ASM) — tableau des alliages d'aluminium ; mechcodex.com — C36000 = 20.5, Ti-6Al-4V = 8.8
- theworldmaterial.com — AISI 1045 = 11.6 (0–100 °C) et 12.3 (0–200 °C) ; fabdigit.com — C11000 = 17 (20–100 °C) ; jtcopper.com — C11000 = 17.0 (20–300 °C)
- Là où les sources se contredisent, les deux lignes sont listées et la divergence est documentée dans les notes d'utilisation
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