Verfasst von Martin Ahner

   
Sie möchten wissen, wie Metalle eigentlich aufgebaut sind und was bei der Eisenherstellung wichtig ist?

SIe erfahren hier, was Werkstoffe eigentlich sind und warum Werkstofftechnik wichtig ist. Sie lernen Schritt für Schritt den Aufbau von Metallen kennen, sehen wie die Zusammenlagerung der Atome das Kristallgitter bilden und wie daraus das Gefüge entsteht. Zudem erfahren Sie, welche Eigenschaften Metalle haben. Abschließend durchlaufen Sie den Prozess zur Gewinnung von Eisen und Herstellung von Stahl und sehen, was dabei zu beachten ist.

Werkstoff Unterteilung

Werkstoffe lassen sich in Metalle und Nichtmetalle einteilen. Stahl und Eisenguss gehören dabei zu den weltweit am meisten genutzten Werkstoffen.

Werkstofftechnik und Ihre Bedeutung

Zu welchem Zweck ein bestimmter Werkstoff eingesetzt wird, hängt von dessen Eigenschaften ab. Diese lassen sich in verschiedene Kategorien einteilen.

Damit die Unterteilung der Werkstoffe in verschiedene Kategorien und Eigenschaften überhaupt erst möglich ist, werden verschiedene wissenschaftliche Methoden der Werkstofftechnik eingesetzt.

Die Werkstofftechnik beschäftigt sich mit der Gewinnung und Verwendung von Werkstoffen und untersucht die verschiedenen Eigenschaften. Somit ermöglicht sie, dass Werkstoffe richtig genutzt, neue Werkstoffe entwickelt und bestehende verbessert werden.

Voraussetzung für die Untersuchung der Eigenschaften ist Wissen über den inneren Aufbau von Werkstoffen. Nur, wenn Sie wissen aus welchen Komponenten ein Werkstoff besteht und wie diese funktionieren, können Sie neue Erkenntnisse für die Weiterentwicklung gewinnen.

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.

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.