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.

Les métaux au microscope

Les charges positives des atomes métalliques sont toujours disposées à des distances fixes les unes des autres et forment les réseaux cristallins. Ce faisant, elles libèrent les électrons négatifs qui entourent le réseau cristallin sous la forme d’un « nuage d’électrons ». Les électrons peuvent se déplacer librement dans le nuage, mais ne peuvent pas en sortir.

L’attraction entre les charges positives et négatives crée une forte liaison métallique. Celle-ci assure une liaison extrêmement forte entre les atomes métalliques au sein du réseau cristallin et, par conséquent, la résistance du métal.

Résumé sur les matériaux

Vous savez désormais que les matériaux ont toujours joué un rôle important et ont marqué de nombreuses époques et cultures. Vous avez appris que les matériaux peuvent généralement être classés en métaux et en non-métaux et qu’ils peuvent présenter des propriétés différentes. 

Vous avez également appris que la science des matériaux sert à étudier les propriétés des matériaux afin d’en développer de nouveaux et d'améliorer ceux déjà existants. Enfin, vous avez vu que les métaux sont constitués d’une structure, de réseaux cristallins et d’atomes métalliques dont la composition influence les propriétés métalliques.

Structure des métaux

Nous allons maintenant examiner la structure précise des métaux et leurs propriétés. Pour ce faire, vous découvrirez tout d’abord comment les métaux conduisent l’électricité et comment on peut les déformer. Vous vous familiarisez avec différents types de réseaux cristallins et verrez quels défauts de structure peuvent apparaître. Vous examinerez ensuite de plus près la structure des métaux et découvrirez ce qui se passe réellement dans un alliage. Pour finir, vous apprendrez quels sont les différents types d’alliages et comment lire les diagrammes d’état correspondants.  

Conductivité des métaux

Les métaux sont conducteurs et sont donc utilisés à diverses fins dans la vie quotidienne. La structure de leur réseau cristallin permet de mieux comprendre leur conductivité électrique.

Déformation des métaux

Outre leur conductivité électrique, les métaux sont également malléables. Ce faisant, ils subissent une déformation élastique ou plastique.

Revenons au niveau atomique dans le réseau cristallin. Lorsqu’une force est exercée sur une tôle, les atomes métalliques sont légèrement déplacés de leur position dans le réseau cristallin, mais ils reprennent ensuite leur place initiale. Cependant, dans le cas d’un bloc d’alliage, le déplacement dans le réseau cristallin persiste après la fin de l’application de la force, ce qui entraîne une déformation permanente.

Les trois principaux types de réseaux cristallins

CUBIQUE CENTRÉ (CC) 

Le cube comporte un atome métallique entouré en son centre. Comme cet atome n’est que faiblement lié, il n’y a pas d’ordre d’empilement. 

L’espace relativement important entre les atomes permet l’insertion d’atomes étrangers supplémentaires. 

CUBIQUE À FACES CENTRÉES (CFC) 

Le cube est composé de 8 atomes au total situés aux sommets et d’un atome au centre de chacune des faces. 

Ces atomes sont disposés en trois piles (ABC) et forment ainsi un empilement de sphères très dense. 

Une séquence d’empilement perturbée entraîne des défauts d’empilement dans lesquels des éléments d’alliage peuvent venir se loger. Il en résulte d’autres propriétés. 

HEXAGONAL COMPACT (HC)

Les atomes métalliques sont disposés en un prisme hexagonal, avec un atome au centre de chacune des faces. 3 atomes se trouvent à l’intérieur du prisme. 

L’ordre d’empilement est ABA et forme ainsi un empilement de sphères très dense. 

Les grands interstices du réseau permettent l’insertion d’atomes étrangers. 

Malléabilité à froid moindre que les métaux avec réseau CFC. 

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

Les diagrammes d’état des alliages

Pour étudier et améliorer les propriétés des alliages, on analyse leurs diagrammes d’état. En général, les diagrammes d’état représentent les états physiques des métaux purs. Pour cela, on utilise le point d’inflexion de la courbe de refroidissement ou de réchauffement. 

Dans le cas des alliages, il faut également tenir compte de la température du deuxième métal ainsi que de sa proportion dans l’alliage. Si l’on reporte tous les points d’inflexion et que l’on relie les points de température, on obtient le diagramme d’état de l’alliage. 

Les alliages à cristaux mixtes et les alliages à phase mixte présentent des diagrammes d’état différents. Les alliages à cristaux mixtes, tels que le cuivre ou le nickel, se caractérisent par une solubilité totale à l’état liquide et à l’état solide.

Le diagramme d’état des alliages à phase mixte, tels que le plomb et l’étain, est différent. Il se caractérise par une solubilité totale à l’état liquide et une insolubilité à l’état solide.

L’extraction de la fonte brute

Dans la dernière partie, nous allons d’abord voir comment on extrait la fonte brute et quelles sont les étapes importantes de ce processus. Vous découvrirez ensuite les différents procédés permettant de transformer la fonte brute en acier. Pour finir, vous verrez les différentes méthodes de traitement ultérieur et de coulée de l’acier. 

Comme vous l’avez appris, l’acier est l’un des matériaux les plus utilisés au monde. Son principal composant est le fer. Le fer est présent dans la nature sous forme de minerai de fer, un composé de fer et d’oxygène. Pour fabriquer de l’acier, le fer doit d’abord être extrait au moyen de procédés de réduction. 

Deux procédés de réduction sont utilisés pour l’extraction de la fonte brute. Voici un aperçu de ces deux procédés. 

La fabrication de l’acier

Une fois la fonte brute, ou l’éponge de fer solide, obtenue, on passe à ce que l’on appelle les « procédés d’affinage » pour produire l’acier. Pouvez-vous imaginer ce qui se passe lors de l’affinage ? 

Dans le procédé de soufflage à l’oxygène, la fonte brute liquide est versée dans un convertisseur avec de la ferraille et des additifs. Un tube refroidi à l’eau insuffle de l’oxygène dans ce récipient, ce qui provoque une réaction chimique avec les particules de fer. Le carbone contenu dans la fonte brute s’oxyde et la chaux vient fixer les impuretés présentes dans le fer. L’acier et les scories sont ensuite coulés.

Le procédé du four à arc électrique est utilisé pour la fabrication d’aciers fortement alliés. Pour ce faire, on remplit une cuve de fusion de fonte brute et d’autres composants. On place des électrodes en carbone par-dessus, puis on déclenche un arc électrique. Le carbone résiduel et les impuretés sont éliminés par combustion au cours de la fusion. L’acier et les scories sont ensuite coulés.

Après la fabrication de l’acier, il reste souvent des composants indésirables. Pour obtenir des aciers de qualité, on élimine ces composants en recourant à des traitements ultérieurs. Vous trouverez ici les principaux procédés et leur description. Sélectionnez les procédés pour en savoir plus.