Les matériaux métalliques

Les matériaux métalliques sont très souvent utilisés dans la fabrication d’objets techniques. Leurs caractéristiques apportent de nombreuses solutions techniques. Quels sont les différents métaux ?

Historique

Ce n’est pas par hasard que des périodes de la Préhistoire portent le nom de certains matériaux métalliques (Âge du cuivre, Âge du bronze, Âge du fer). 

Au tout début, les Hommes ont découvert des pierres brillantes (minerais) qu’ils ont utilisées comme décoration. Sous l’effet de la chaleur, ils se sont aperçu que ces pierres se déformaient et retrouvaient leur état solide à froid. La métallurgie est alors née.

Le plus ancien des métaux travaillé par l’Homme est l’or dont ses premières utilisations remontent à 6000 ans avant Jésus-Christ. Ensuite vers -4000, c’est le cuivre qui est exploité avant de laisser la place au bronze vers -3000. Au fur et à mesure, les forgerons ont amélioré leur technique et augmenté les températures de fusion avec de meilleurs fours. Vers -1100, l’âge du fer démarre dans le bassin méditerranéen et permet l’amélioration d’outils agricoles ou d’armements.

La maîtrise de la métallurgie a joué un rôle très important dans l’évolution des civilisations.

L’utilisation des métaux

Aujourd’hui, on utilise les matériaux métalliques dans de très nombreux domaines comme les transports, le bâtiment, l’outillage, la médecine, les ustensiles de cuisine, l’électricité, l’électronique et bien d’autres… Les métaux sont obtenus à partir de minerais et peuvent être déformés sans se casser : on dit qu’ils sont ductiles. Il faut les chauffer jusqu’à leur température de fusion pour les travailler. Ainsi, la technique du moulage permet de fabriquer toutes sortes de pièces. Les métaux doivent essentiellement leur succès grâce à leurs propriétés mécaniques.

Les principales caractéristiques des métaux

Les matériaux métalliques sont surtout utilisés pour leurs caractéristiques afin d’apporter des solutions techniques. En voici quelques unes :

La masse volumique ou densité

Souvent exprimée en kg/m3 ou en g/cm3, la masse volumique des métaux peut aller de 0,534 g/cm3 pour le lithium à plus de 22,587 g/cm3 pour l’osmium. Ainsi, les métaux peuvent donc être considérés comme des matériaux relativement lourds.

19,3

g/cm³

Or

11,3

g/cm³

Plomb

10,5

g/cm³

Argent

2,7

g/cm³

Aluminium

La conductivité électrique

C’est la capacité d’un matériau à permettre la circulation de l’électricité. Elle s’exprime en Siemens par mètre (S/m). Les matériaux métalliques sont en majorité de bons conducteurs électriques. En voici les meilleurs :

62,1.106

S/m

Argent

58,7.106

S/m

Cuivre

44,2.106

S/m

Or

36,9.106

S/m

Aluminium

La conduction thermique

C’est la capacité d’un matériau à permettre la circulation de la chaleur. Elle s’exprime en Watts par Mètre Kelvin (W/m.K). Les matériaux métalliques sont en majorité de bons conducteurs thermiques. En voici les meilleurs :

420

W/m.K

Argent

386

W/m.K

Cuivre

317

W/m.K

Or

237

W/m.K

Aluminium

La dureté

C’est la résistance d’un matériau à la pénétration d’un autre matériau et sa résistance à l’usure. Il existe plusieurs échelles de mesure pour la dureté des matériaux. Les échelles de Vickers (HV) et Brinell (HB) se basent sur la mesure de la pénétration d’une pièce dans le métal. L’échelle de Mohs mesure la capacité du matériau à être rayé par un matériau de référence. Cette échelle est surtout utilisée en minéralogie car les références sont les duretés des pierres allants de 1 pour le talc à 10 pour le diamant.

9

Chrome

8

Acier

4,5

Bronze

4

Fer

3

Cuivre et Argent

2,5

Aluminium

2

Or

1

Plomb

L’oxydation ou corrosion

C’est l’altération d’un matériau par réaction chimique avec un oxydant. Très souvent, le dioxygène réagit avec les métaux en surface pour former une couche d’une couleur différente. Avec le fer et l’acier la corrosion forme de la rouille de couleur orange. Avec le cuivre, le bronze et le laiton l’oxydation génère du vert de gris de couleur verdâtre. Il existe certains métaux qui ne s’oxydent pas : l’or, l’aluminium ou le chrome par exemple.

La résistance aux chocs

C’est la résistance à la rupture d’un matériau sous l’effet d’un choc ou d’un impact. On l’appelle aussi ténacité ou résilience. Elle s’exprime en Joules et peut être mesurée à différentes températures 0°C, 20°C ou 40°C. La résilience est une caractéristique très recherchée dans l’emploi des métaux.

La limite d’élasticité

C’est la résistance d’un matériau à l’étirement sans se rompre. On mesure la pression en GigaPascal (GPa) à partir de laquelle le matériau commence à se déformer lorsqu’il est étiré. On appelle ça aussi le module de Young ou le module d’élasticité. Plus la valeur est petite et plus le matériau est élastique.

289

GPa

Chrome

196

GPa

Fer

124

GPa

Cuivre

18

GPa

Plomb

Les métaux purs

Les métaux purs sont des matériaux métalliques composés d’un seul élément. Voici quelques métaux purs couramment utilisés avec leurs propriétés :

Aluminium (Al)

Masse volumique : 2,7 g/cm³
Température de fusion : 660 °C
Oxydation : Oui (Alumine)
Dureté : 2,5 (Échelle de Mohs)
Module d’élasticité : 69 GPa
Applications : Canettes, vélos, jantes, aviation…

Argent (Ag)

Masse volumique : 10,5 g/cm³
Température de fusion : 961 °C
Oxydation : Oui
Dureté : 3
Module d’élasticité : 83 GPa
Applications : Joaillerie, contacteurs, monnaie…

Chrome (Cr)

Masse volumique : 7,2 g/cm³
Température de fusion : 1857 °C
Oxydation : Non
Dureté : 9
Module d’élasticité : 289 GPa
Applications : Inox, décorations…

Cuivre (Cu)

Masse volumique : 8,9 g/cm³
Température de fusion : 1083 °C
Oxydation : Oui (Vert de gris)
Dureté : 3
Module d’élasticité : 124 GPa
Applications : Câbles électriques, échangeurs…

Fer (Fe)

Masse volumique : 7,9 g/cm³
Température de fusion : 1535 °C
Oxydation : Oui (Rouille)
Dureté : 4
Module d’élasticité : 196 GPa
Applications : Structures, pièces mécaniques…

Or (Au)

Masse volumique : 19,3 g/cm³
Température de fusion : 1 064 °C
Oxydation : Non
Dureté : 2
Module d’élasticité : 78 GPa
Applications : Joaillerie, électronique, monnaie…

Plomb (Pb)

Masse volumique : 11,3 g/cm³
Température de fusion : 327 °C
Oxydation : Oui
Dureté : 1
Module d’élasticité : 18 GPa
Applications : Fusibles, scellées, munitions…

Zinc (Zn)

Masse volumique : 7,1 g/cm³
Température de fusion : 419 °C
Oxydation : Oui
Dureté : 2,5
Module d’élasticité : 78 GPa
Applications : Gouttières

Les alliages

Un alliage est le mélange d’un métal avec un ou plusieurs éléments chimiques. Par exemple, l’acier est obtenu à partir de fer et de carbone. Un alliage combine les propriétés de plusieurs éléments et permet d’obtenir de meilleures caractéristiques. Ainsi, l’acier inoxydable ne s’oxyde pas grâce au chrome qui entre dans sa composition et qui ne rouille pas.
Voici quelques alliages couramment utilisés avec leurs propriétés :

Alliages de fer

Acier (Fe+C)

Composition : 98% Fer, < 2% Carbone
Masse volumique : 7,85 g/cm³
Température de fusion : 1 400 °C
Oxydation : Oui (Rouille)
Dureté : 8
Module d’élasticité : 210 GPa
Applications : Structures, pièces mécaniques…

Fonte (Fe+C)

Composition : 93% à 98% Fer, 2% à 7% Carbone
Masse volumique : 7,1 g/cm³
Température de fusion : 1 135 °C
Oxydation : Oui (Rouille)
Dureté : 8
Module d’élasticité : 83 à 170 GPa
Applications : Casseroles, plaque de voirie, cheminées…

Acier inoxydable (Fe+Cr+Ni+C)

Composition : 73% Fer, 18% Chrome, 8% Nickel, 1% Carbone
Masse volumique : 8 g/cm³
Température de fusion : 1 400 °C
Oxydation : Non
Dureté : 8
Module d’élasticité : 203 GPa
Applications : Couverts, mécanique, montres…

Alliages de cuivre

Bronze (Cu+Sn)

Composition : 60% Cuivre, 40% Étain
Masse volumique : 8,8 g/cm³
Température de fusion : 980 °C
Oxydation : Oui
Dureté : 4,5
Module d’élasticité : 124 GPa
Applications : Statues, cloches, mécanique…

Laiton (Cu+Zn)

Composition : 90% Cuivre, 10% Zinc
Masse volumique : 8,4 g/cm³
Température de fusion : 932 °C
Oxydation : Oui
Dureté : 3 à 4
Module d’élasticité : 100 à 130 GPa
Applications : Robinetterie, poignées de porte, douilles de munition..

À retenir

  • Depuis la Préhistoire, la maîtrise de la métallurgie a joué un rôle très important dans l’évolution des civilisations.
  • Les métaux sont obtenus à partir de minerais.
  • Ils sont surtout utilisés pour leurs caractéristiques afin d’apporter des solutions techniques.
  • Parmi les caractéristiques principales des métaux, on retrouve : la masse volumique, la conductivité électrique, la conduction thermique, la dureté, la corrosion, la résistance aux chocs ou bien la limite d’élasticité.
  • Un métal pur est un matériau métallique composé d’un seul élément.
  • Un alliage est le mélange d’un métal avec un ou plusieurs éléments chimiques qui permet d’obtenir de meilleures caractéristiques.


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