Écrit par Martin Ahner
   
Vous souhaitez savoir comment sont constitués les métaux et ce qui est important dans la fabrication du fer ? 

Vous découvrirez ici ce que sont les matériaux et pourquoi la science des matériaux est importante. Vous découvrirez étape par étape la composition des métaux, et verrez comment l’agencement des atomes forme le réseau cristallin et quelle structure en résulte. Vous découvrirez également les propriétés des métaux. Pour finir, vous découvrirez le processus d’extraction du fer et de fabrication de l’acier, et vous verrez ce dont il faut tenir compte.

Classification des matériaux

Les matériaux peuvent être classés en métaux et en non-métaux. L’acier et la fonte comptent parmi les matériaux les plus utilisés au monde.

La science des matériaux et son importance

L’utilisation d’un matériau donné dépend de ses propriétés. Celles-ci peuvent être classées en différentes catégories.

Pour pouvoir classer les matériaux en différentes catégories et selon leurs propriétés, on a recours à diverses méthodes scientifiques issues de la science des matériaux.

La science des matériaux s’intéresse à l’extraction et à l’utilisation des matériaux et en étudie les différentes propriétés. Elle permet ainsi d’utiliser correctement les matériaux, d’en développer de nouveaux et d’améliorer ceux déjà existants.

Pour étudier les propriétés des matériaux, il est indispensable de connaître leur structure interne. Ce n’est qu’en sachant de quels composants se compose un matériau et comment ceux-ci fonctionnent que vous pourrez acquérir de nouvelles connaissances utiles à son perfectionnement.

Metalle unter dem Mikroskop

Die positiven Ladungen der Metallatome sind immer in festen Abständen zueinander angeordnet und bilden die Kristallgitter. Dabei geben sie die negativen Elektronen ab, die das Kristallgitter als sogenannte Elektronenwolke umgeben. Die Elektronen können sich in der Wolke frei bewegen, diese jedoch nicht verlassen.

Durch die Anziehung der positiven und negativen Ladungen entsteht eine starke Metallbindung. Diese sorgt für einen äußerst festen Zusammenhalt der Metallatome im Kristallgitter und somit für die Festigkeit des Metalls.

Zusammenfassung von Werkstoffe

Sie wissen nun, dass Werkstoffe seit jeher eine wichtige Rolle spielen und viele Zeitepochen und Kulturen prägen. Sie haben erfahren, dass sich Werkstoffe allgemein in Metalle und Nichtmetalle einteilen lassen und verschiedene Eigenschaften haben können. 

Überdies haben Sie erfahren, dass Werkstofftechnik dazu genutzt wird, um die Eigenschaften von Werkstoffen zu untersuchen, damit immer neue entwickelt und bestehende verbessert werden können. Schließlich haben Sie gesehen, dass Metalle aus einem Gefüge, Kristallgittern und schließlich aus Metallatomen aufgebaut sind, deren Zusammensetzung die metallischen Eigenschaften beeinflussen.

Aufbau von Metalle

Jetzt sehen wir uns den genauen Aufbau von Metallen und deren Eigenschaften an. Dazu erfahren Sie zunächst, wie Metalle leiten und sich verformen lassen. Sie lernen verschiedene Kristallgitterarten kennen und sehen, welche Gitterbaufehler auftreten können. Anschließend werfen Sie einen genaueren Blick auf das Gefüge von Metallen und erfahren, was eigentlich bei einer Legierung geschieht. Abschließend erfahren Sie, welche Legierungsarten es gibt und wie Sie die dazugehörigen Zustandsdiagramme lesen.  

Leitfähigkeit von Metalle

Metalle sind leitfähig und werden daher im Alltag für verschiedene Zwecke eingesetzt. Durch den Aufbau der Kristallgitter lässt sich die elektrische Leitfähigkeit besser nachvollziehen.

Deformation of metals

Besides being electrically conductive, metals can also be deformed. They can be deformed°elastically or plastically.

Let's take another look at the atomic level in the crystal lattice. When force is applied to sheet metal, the metal atoms are displaced slightly in the lattice, but then spring back. By a°lead rod°however, the displaced positions in the crystal lattice remain after the force is removed, thus causing a permanent deformation.

Three key crystal lattice types

BODY CENTRED CUBIC (BCC)°

The cube has an enclosed metal atom at the centre. Since it is only loosely packed, there is no stacking sequence.°

Relatively wide spacing between the atoms permits additional foreign atoms to be incorporated.°

° °°

FACE-CENTRED CUBIC (FCC)°

The cube consists of of 8 atoms, one in each corner of the cube and one atom in the centre of each side.°

The atoms are arranged in three stacks (ABC) and thus form the densest spherical packing.°

A disturbed stacking sequence leads to stacking faults into which alloying elements can be deposited.°This results in other properties. 

HEXAGONAL-CLOSE-PACKED (HCP)°

The metal atoms are arranged in an hexagonal prism, with one atom at the centre of each base surface.°3 atoms are inside the prism.°

The stacking sequence is ABA and thus forms the densest spherical packing.°

Wide lattice gaps provide space for foreign atoms.°

Less cold formable than metals with fcc lattices. 

Les défauts du réseau cristallin

Les métaux ne sont pas des cristaux parfaits, mais présentent des défauts de réseau cristallin. Selon leur nature et leur taille, ces défauts peuvent être classés en trois catégories. La première concerne les défauts de dimension zéro. Ceux-ci correspondent à un point du réseau et peuvent être subdivisés.

En règle générale, les défauts de dimension zéro n’ont pas d’effet négatif sur les propriétés des matériaux métalliques et permettent même de réaliser des traitements thermiques importants.

Les défauts unidimensionnels

Il existe également des défauts unidimensionnels, également appelés défauts linéaires. Si un demi-plan est inséré dans le réseau cristallin régulier, la ligne est perturbée, provoquant ainsi un décalage. Ces décalages sont mobiles et sont donc à l’origine de la déformabilité plastique des métaux.

Les défauts bidimensionnels 

Les défauts bidimensionnels résultent de défauts d’empilement     dans la séquence régulière des couches. Ces défauts d’empilement sont dus à la   cristallisation ou à l’effondrement d’un   groupe de vides. Les défauts de réseau bidimensionnels ont une influence sur la résistance à la traction d’un métal. 

Structure

Vous savez déjà que les métaux sont constitués d’une multitude de grains de forme régulière qui, ensemble, forment la structure du matériau. Cette structure n’est pas visible à l’œil nu. Cependant, une coupe métallographique permet de visualiser leur structure sous un microscope métallurgique. 

Cette coupe montre la taille des grains et les limites des grains d’un métal. Leur granulométrie varie de fine à grossière et peut être ajustée grâce à un traitement spécifique. Les limites des grains constituent des discontinuités dans la disposition atomique des grains et font partie des défauts de réseau bidimensionnels mentionnés. Elles se forment par exemple lors de la cristallisation. 

Les métaux à grains fins présentent de meilleures propriétés mécaniques que ceux à gros grains, car ils comportent davantage de limites de grains. Une augmentation de la taille des grains améliore la solidité.  Cependant, des phénomènes de fluage indésirables se produisent à des températures élevées.

Les formes de grains

Outre les points communs que représentent la taille et les limites des grains, leur forme varie en fonction du métal et du type de réseau cristallin.

GRAINS GLOBULAIRES Grains arrondis, par ex. fer pur	GRAINS POLYÉDRIQUES  Grains de forme polygonale, par ex. fer à structure austénitique
GRAINS DENDRITIQUES Grains aciculaires, par ex. acier trempé	STRUCTURES LAMELLAIRES Cristaux en forme de lamelles, par ex. graphite lamellaire de la fonte grise

Diagrammi di stato delle leghe

Per studiare e sviluppare ulteriormente le proprietà delle leghe si analizzano i loro diagrammi di stato. In generale, i diagrammi di stato rappresentano gli stati di aggregazione dei metalli puri. A tale scopo si utilizzano i punti di inflessione delle curve di raffreddamento o di riscaldamento. 

Per le leghe si aggiungono la temperatura del secondo metallo e il rapporto di miscelazione della lega. Riportando tutti i punti di inflessione e collegando i valori di temperatura, si ottiene il diagramma di stato della lega.   

Le soluzioni solide e le miscele di cristalli presentano diagrammi di stato differenti. Le soluzioni solide come il rame e il nichel sono caratterizzate da una completa solubilità allo stato sia liquido che solido.

Il diagramma di stato delle miscele cristalline, come piombo e stagno, è invece caratterizzato da completa solubilità allo stato liquido e insolubilità allo stato solido.

Produzione della ghisa grezza

In questa ultima sezione viene illustrato il processo di produzione della ghisa grezza e le fasi importanti del processo di estrazione. Seguono i diversi processi per la produzione dell'acciaio a partire dalla ghisa grezza. Infine, i trattamenti secondari e le tecniche di colata.   

Come noto, l'acciaio è il materiale più utilizzato al mondo. Il suo componente principale è il ferro. Il ferro si trova in natura sotto forma di minerale ferroso, composto da ferro e ossigeno. Per la produzione dell'acciaio, occorre prima ottenere il ferro mediante processi di riduzione. 

Per l'estrazione della ghisa grezza si impiegano due processi di riduzione. Qui potete vedere una panoramica dei due processi. 

Produzione dell'acciaio

Una volta ottenuta la ghisa grezza o il ferro spugnoso solido, si procede con i cosiddetti 'processi di affinazione' per la produzione dell'acciaio. Ma in cosa consiste esattamente l'affinazione? 

Nel processo di insufflaggio con ossigeno , la ghisa grezza liquida viene caricata in un convertitore insieme a rottame d'acciaio e fondenti. Una lancia raffreddata ad acqua soffia ossigeno nel crogiolo e provoca una reazione chimica con gli elementi di accompagnamento del ferro. Il carbonio presente nella ghisa grezza viene bruciato e la calce lega gli elementi accompagnatori del ferro. Al termine del processo, l'acciaio e le scorie vengono colati separatamente.

Il processo con forno elettrico ad arco è utilizzato per produrre acciai alto-legati. Una vasca di fusione viene caricata con ghisa grezza e ulteriori componenti. Gli elettrodi di grafite vengono abbassati sulla carica e si innesca un arco elettrico. Durante la fusione vengono bruciati il carbonio residuo e gli elementi accompagnatori. Al termine del processo, l'acciaio e le scorie vengono colati separatamente.

Spesso dopo la produzione dell'acciaio possono rimanere componenti indesiderati residui. Per la produzione di acciai di qualità questi vengono rimossi mediante ulteriori trattamenti secondari. Qui potete vedere i principali processi e le relative descrizioni. Selezionate i processi per maggiori dettagli.