La métallurgie et les alliages

Voici un sujet qui m’est étranger et c’est la raison pour laquelle je l’aborde dans mon blog : j’ai envie d’en savoir plus !

Les métaux

La métallurgie est avant tout une science : celle qui s’intéresse aux métaux et à ses alliages. Un métal est défini physiquement comme un matériau possédant des liaisons atomiques métalliques, c’est-à-dire que les différents atomes échangent plus d’un électron pour rester soudés. Au total, le tableau périodique des éléments contient 91 métaux sur 118 éléments connus, autant dire que les métaux sont omniprésents puisqu’ils représentent plus des trois quarts des éléments connus. En général, les métaux sont extraits de roches issues de la croûte terrestre : le minerai (d’où le nom de métal).

Tous les métaux sont très différents, certains sont radioactifs et dangereux comme l’uranium, et d’autres sont omniprésents dans notre corps comme le fer. Ils possèdent tous des propriétés chimiques et mécaniques distinctes qui leur confèrent des avantages et des inconvénients selon les applications industrielles (poids, solidité, élasticité, corrosion, etc.). Prenons quelques exemples de métaux:

• L’argent est le meilleur conducteur électrique et thermique.
• Le fer est très abondant sur Terre et s’aimante en présence d’un champ magnétique (ferromagnétisme).
• L’osmium est l’élément naturel le plus dense sur Terre avec 22 tonnes pour un mètre cube (3 fois plus dense que du fer).
• Le Tungstène est le métal ayant le plus grand module de Young, c’est-à-dire que c’est le métal le moins élastique.
• Le mercure est le seul métal liquide à température et pression ambiante.
• Le Nickel est très peu sensible à la corrosion et à l’oxydation.
• L’or est un métal jaune, brillant et malléable, ce qui le prête bien à la bijouterie.

C’est à cause de leurs grandes disparités que l’homme a naturellement été tenté de « mélanger » les métaux ensemble pour fabriquer des alliages répondant mieux à ses exigences techniques.

Les alliages

Pour qu’il y ait alliage, les différents métaux de la composition doivent être miscibles entre eux, c’est-à-dire qu’en les chauffant à une température précise, ils se mélangent parfaitement de manière à obtenir un nouveau matériau homogène sans pouvoir distinguer les différentes espèces qui le composent. En général, les éléments ne sont pas complètement miscibles et doivent donc respecter certaines proportions à ne pas dépasser (limite de solubilité).

On trouve de nombreux alliages pour quasiment tous les métaux mais il existe trois grandes familles d’alliage à cause de leur abondance sur Terre et donc de leur prix raisonnable:

• les alliages à base de fer (fonte, acier, inox)
• les alliages à base de cuivre (bronze/arain, laiton, billon)
• les alliages à base d’aluminium

Le cheval du trésor de Neuvy-en-Sullias. Un des plus beaux bronzes de la Gaule romaine, Ier siècle av. J.-C. – Ier siècle ap. J.-C. Alliage cuivreux coulé selon le procédé de la fonte à la cire perdue. (source : JF BRADU).

Au niveau physique, les atomes des différents métaux peuvent se « mélanger » plus ou moins bien selon la température, la nature des atomes et leur arrangement. Pendant longtemps, l’homme a naturellement trouvé des alliages de manière empirique et aujourd’hui notre meilleure compréhension de la matière nous permet de « penser » à des alliages selon nos besoins.

Il existe des alliages homogènes dans lequel l’élément d’addition peut soit remplacer un atome du métal de base (substitution), soit s’intercaler dans le réseau atomique (insertion). Quand il y a substitution, les atomes doivent avoir une taille semblable. Si les atomes des différents métaux sont de taille équivalente à 15 % près, il y a miscibilité totale, et, si les atomes diffèrent de 15 % à 30 % en taille, il y a miscibilité partielle. Au-delà, les métaux ne sont pas miscibles par substitution. En revanche, il peut y avoir une insertion d’un atome de petite taille dans un réseau d’atomes plus gros comme c’est le cas pour les aciers où des atomes de carbone ayant un rayon de 70 picomètres sont insérés dans un réseau d’atomes de fer ayant chacun un rayon de 140 picomètres, soit le double. Cette insertion fonctionne uniquement si la quantité d’éléments ajoutés est relativement faible par rapport au métal de base et dépend du schéma d’organisation des atomes, sinon la miscibilité est impossible.

Acier: Insertion d’atomes de carbone (en noir) dans une structure cubique à face centrée de fer (en rouge) (source : iutenligne).

Les aciers

Un des alliages les plus utilisé dans l’industrie aujourd’hui est l‘acier mais c’est un alliage relativement récent car découvert véritablement à la fin du 18ème siècle (contrairement à la fonte et le bronze qui sont connus depuis plus de 2000 ans). L’acier est un alliage très inégal car il est constitué de fer avec seulement 0,02% à 2% de carbone (au-delà de 2%, c’est de la fonte). Il existe aujourd’hui plusieurs centaines d’aciers différents selon la teneur en carbone et l’addition d’autres métaux dans l’alliage. Les procédés de fabrication sont extrêmement complexes avec des recettes de cuisine bien spéciales. Dans une voiture, on trouve plus de 40 types d’aciers différents (voir cet article intéressant sur l’acier).

Quelques types d’aciers:

• acier inoxydable (inox) : fer contenant moins de 1,2% de carbone avec plus de 10,5% de chrome. D’aspect brillant, il résiste bien à la corrosion, il ne rouille pas. Il en existe une vingtaine de différents car on ajoute aussi généralement du nickel ou du manganèse (d’où l’expression « nickel-chrome« ). En cryogénie, on utilise généralement de l’acier inoxydable 304L (0,02% de carbone, 18% de chrome et 10% de nickel) qui résiste très bien aux très basses températures (< -200 °C).
• acier galvanisé : ici on vient recouvrir l’acier d’une couche de zinc pour le protéger contre la corrosion. Ce dépôt fait entre 50 et 100 microns selon les applications et la durée de vie souhaitée. En milieu rural, un dépôt de 100 microns permet une protection pour 100 ans !
• acier trempé : l’homme a découvert qu’en chauffant l’acier à haute température (autour de 900 °C pendant environ 30 minutes) et en le trempant dans l’eau froide soudainement, on améliore par la suite ses propriétés mécaniques en le rendant plus dur (mais plus fragile).

Durée de vie de la galvanisation selon l’épaisseur de zinc (source : wikipédia)

La bijouterie

L’alliage est de rigueur en bijouterie ! Si vous aviez des bijoux en or pur, ils se déformeraient trop, un coup de dent modéré laissant une empreinte dans l’or pur sans problème ! En France, un bijou est qualifié « en or » s’il possède au moins 75 % d’or, soit 18 carats (24 carats = 100%). Les joailliers ajoutent donc d’autres métaux pour des raisons mécaniques et esthétiques. Par exemple, on ajoute du cuivre pour faire de l’or rouge, du nickel pour l’or blanc, de l’argent et du cuivre pour l’or jaune ou rose selon les proportions. Avec de l’argent, c’est pratiquement toujours du cuivre qui est ajouté. On trouve aussi des bijoux en platine (plus cher encore que l’or), en bronze, en laiton, en cuivre ainsi qu’en vermeil (argent à 92,5% recouvert d’au moins 5 microns d’or à 75%).

Différentes couleurs de l’or selon les proportions d’or, d’argent et de cuivre (source: wikipédia)

Des alliages high-tech

Il existe aujourd’hui des alliages de hautes technologies pour les applications de pointes comme l’aéronautique ou le spatial qui nécessitent des exigences en matière de solidité, de poids, d’élasticité et de durée de vie (mais pas trop en matière de prix). Ici, on parle généralement de titane, de tungstène et de cobalt.

Un des plus utilisés est le Ti 6Al-4V (alliage de titane avec 6% d’aluminium et 4% de vanadium) qui est très léger et robuste. De plus il peut fonctionner à haute température (300 °C) et est peu sensible à la corrosion. On le retrouve dans les pales de turbines, dans les structures d’avion et d’armes mais également dans des équipements de sport haut de gamme et dans des implants médicaux et dentaires. Club de golf en alliage Ti 6Al-4V (source : Tour spec golf)

On retrouve aussi des alliages sous forme de marque déposée par les entreprises qui les ont créés comme l’Invar® (64% de fer et 36% de Nickel) qui présente une étonnante propriété de dilatation thermique : l’Invar® ne se déforme presque pas quand sa température change (10 fois moins que du fer) et est donc utilisé abondamment en horlogerie ainsi que pour fabriquer des appareils de mesure. L’Invar® est également utilisé pour fabriquer les membranes des cuves des méthaniers transportant du gaz naturel liquéfié à -164 °C pour éviter leur déformation avec la température.

Méthanier possédant une membrane interne en Invar®.

Signalons aussi des alliages à base de tungstène qui sont très intéressants car très denses (19 tonnes par mètre cube) et résistants aux très hautes températures (point de fusion du tungstène à 3422 °C) comme le Densimet® (tungstene+nickel+fer), l’Inermet® (tungstene+nickel+cuivre) ou le Denal® (tungstene+nickel+acier+cobalt) qui possèdent une densité d’environ 17 tonnes par mètre cube et qui sont utilisés pour réaliser des blindages ou des systèmes de collimation pour les rayons X ou gamma dans les centres de radiothérapie.

Combien ca coûte ?

Coté prix, un kilo d’or vaut environ 20 000 euros contre 250 euros pour 1 kilo d’argent, 4,5 euros pour un kilo de cuivre et 4,5 centimes pour un kilo de fer ! Mais il y a des métaux beaucoup plus cher que l’or : un kilo de rhodium (métal parfois appliqué sur les bijoux en argent pour les rendre anti-corrosifs) coûte 300 000 euros !! Quant aux alliages, le prix dépend bien évidemment des métaux qui les composent mais surtout de la complexité du travail à accomplir pour l’obtenir. L’acier coûte ainsi 40 centimes le kilo, soit 10 fois plus cher que le fer qui est son constituant à 98%, et l’inox s’échange à 2 euros le kilo pour 90% de fer à 4,5 centimes par kilo (50 fois plus cher). Pas étonnant quand on voit la complexité d’une acierie…