Alliage - Alloy

Métal du bois , un alliage eutectique à bas point de fusion de bismuth , plomb , étain et cadmium . Les grains individuels sont considérés comme les surfaces planes des cristaux.

Un alliage est un mélange de métaux , ou un métal combiné avec un ou plusieurs autres éléments . Par exemple, la combinaison des éléments métalliques or et cuivre produit de l'or rouge , l'or et l' argent deviennent de l'or blanc et l'argent combiné au cuivre produit de l' argent sterling . La combinaison du fer avec du carbone ou du silicium non métallique produit des alliages appelés acier ou acier au silicium . Le mélange résultant forme une substance dont les propriétés diffèrent souvent de celles des métaux purs, telles qu'une résistance ou une dureté accrues. Contrairement à d'autres substances qui peuvent contenir des bases métalliques mais ne se comportent pas comme des métaux, comme l'oxyde d'aluminium (saphir), le silicate de béryllium et d'aluminium (émeraude) ou le chlorure de sodium (sel), un alliage conservera toutes les propriétés d'un métal dans le matériau résultant , tels que la conductivité électrique , la ductilité , l' opacité et le lustre . Les alliages sont utilisés dans une grande variété d'applications, des alliages d'acier, utilisés dans tout, des bâtiments aux automobiles aux outils chirurgicaux, aux alliages de titane exotiques utilisés dans l'industrie aérospatiale, aux alliages béryllium-cuivre pour les outils anti-étincelles. Dans certains cas, une combinaison de métaux peut réduire le coût global du matériau tout en préservant des propriétés importantes. Dans d'autres cas, l'association des métaux confère des propriétés synergiques aux éléments métalliques constitutifs telles que la résistance à la corrosion ou la résistance mécanique. Des exemples d'alliages sont l'acier, la soudure , le laiton , l' étain , le duralumin , le bronze et les amalgames .

Un alliage peut être une solution solide d'éléments métalliques (une seule phase, où tous les grains métalliques (cristaux) sont de la même composition) ou un mélange de phases métalliques (deux ou plusieurs solutions, formant une microstructure de différents cristaux dans le métal) . Les composés intermétalliques sont des alliages avec une stoechiométrie et une structure cristalline définies . Les phases Zintl sont également parfois considérées comme des alliages en fonction des types de liaison (voir le triangle Van Arkel-Ketelaar pour des informations sur la classification de la liaison dans les composés binaires).

Les alliages sont définis par un caractère de liaison métallique . Les constituants de l'alliage sont généralement mesurés en pourcentage massique pour les applications pratiques et en fraction atomique pour les études scientifiques fondamentales. Les alliages sont généralement classés comme alliages de substitution ou interstitiels , en fonction de l'arrangement atomique qui forme l'alliage. Ils peuvent en outre être classés comme homogènes (constitués d'une seule phase), ou hétérogènes (constitués de deux phases ou plus) ou intermétalliques .

introduction

Bronze liquide , coulé dans des moules lors de la coulée.
Une lampe en laiton .

Un alliage est un mélange d' éléments chimiques , qui forme une substance impure (mélange) qui conserve les caractéristiques d'un métal . Un alliage se distingue d'un métal impur en ce que, avec un alliage, les éléments ajoutés sont bien contrôlés pour produire des propriétés souhaitables, tandis que les métaux impurs tels que le fer forgé sont moins contrôlés, mais sont souvent considérés comme utiles. Les alliages sont fabriqués en mélangeant deux ou plusieurs éléments, dont au moins un est un métal. C'est ce qu'on appelle généralement le métal primaire ou le métal de base, et le nom de ce métal peut aussi être le nom de l'alliage. Les autres constituants peuvent être ou non des métaux mais, lorsqu'ils sont mélangés à la base fondue, ils seront solubles et se dissoudront dans le mélange. Les propriétés mécaniques des alliages seront souvent très différentes de celles de ses constituants individuels. Un métal qui est normalement très mou ( malléable ), comme l' aluminium , peut être altéré en l'alliant avec un autre métal mou, comme le cuivre . Bien que les deux métaux soient très mous et ductiles , l' alliage d'aluminium résultant aura une résistance beaucoup plus grande . L'ajout d'une petite quantité de carbone non métallique au fer échange sa grande ductilité contre la plus grande résistance d'un alliage appelé acier . En raison de sa très haute résistance, mais toujours d'une ténacité substantielle , et de sa capacité à être considérablement modifié par un traitement thermique , l'acier est l'un des alliages les plus utiles et les plus courants dans l'utilisation moderne. En ajoutant du chrome à l'acier, sa résistance à la corrosion peut être améliorée, créant de l' acier inoxydable , tandis que l'ajout de silicium modifiera ses caractéristiques électriques, produisant de l'acier au silicium .

Comme l'huile et l'eau, un métal en fusion ne se mélange pas toujours avec un autre élément. Par exemple, le fer pur est presque totalement insoluble avec le cuivre. Même lorsque les constituants sont solubles, chacun aura généralement un point de saturation , au-delà duquel plus aucun constituant ne peut être ajouté. Le fer, par exemple, peut contenir au maximum 6,67 % de carbone. Bien que les éléments d'un alliage doivent généralement être solubles à l' état liquide , ils peuvent ne pas toujours être solubles à l' état solide . Si les métaux restent solubles à l'état solide, l'alliage forme une solution solide , devenant une structure homogène constituée de cristaux identiques, appelée phase . Si, au fur et à mesure que le mélange se refroidit, les constituants deviennent insolubles, ils peuvent se séparer pour former deux ou plusieurs types de cristaux différents, créant une microstructure hétérogène de différentes phases, certaines avec plus d'un constituant que l'autre. Cependant, dans d'autres alliages, les éléments insolubles peuvent ne se séparer qu'après la cristallisation. S'ils sont refroidis très rapidement, ils cristallisent d'abord en phase homogène, mais ils sont sursaturés en constituants secondaires. Au fil du temps, les atomes de ces alliages sursaturés peuvent se séparer du réseau cristallin, devenir plus stables et former une seconde phase qui sert à renforcer les cristaux à l'intérieur.

Certains alliages, comme l' électrum, un alliage d' argent et d' or, se produisent naturellement. Les météorites sont parfois constituées d'alliages naturels de fer et de nickel , mais ne sont pas originaires de la Terre. L'un des premiers alliages fabriqués par l'homme était le bronze , qui est un mélange d' étain et de cuivre . Le bronze était un alliage extrêmement utile pour les anciens, car il est beaucoup plus fort et plus dur que l'un ou l'autre de ses composants. L'acier était un autre alliage commun. Cependant, dans les temps anciens, il ne pouvait être créé que comme sous-produit accidentel du chauffage du minerai de fer dans les incendies ( fusion ) lors de la fabrication du fer. D' autres alliages anciens comprennent l' étain , le laiton et la fonte brute . À l'ère moderne, l'acier peut être créé sous de nombreuses formes. L'acier au carbone peut être fabriqué en faisant varier uniquement la teneur en carbone, produisant des alliages mous comme l' acier doux ou des alliages durs comme l'acier à ressort . Les aciers alliés peuvent être fabriqués en ajoutant d'autres éléments, tels que le chrome , le molybdène , le vanadium ou le nickel , ce qui donne des alliages tels que l'acier rapide ou l' acier à outils . De petites quantités de manganèse sont généralement alliées à la plupart des aciers modernes en raison de sa capacité à éliminer les impuretés indésirables, comme le phosphore , le soufre et l' oxygène , qui peuvent avoir des effets néfastes sur l'alliage. Cependant, la plupart des alliages n'ont pas été créés avant les années 1900, tels que divers alliages d'aluminium, de titane , de nickel et de magnésium . Certains superalliages modernes , tels que l' incoloy , l' inconel et l' hastelloy , peuvent être constitués d'une multitude d'éléments différents.

Terminologie

Un robinet-vanne en Inconel .

En tant que nom, le terme alliage est utilisé pour décrire un mélange d'atomes dont le constituant principal est un métal. Lorsqu'il est utilisé comme un verbe, le terme fait référence à l'acte de mélanger un métal avec d'autres éléments. Le métal primaire est appelé la base , la matrice ou le solvant . Les constituants secondaires sont souvent appelés solutés . S'il y a un mélange de seulement deux types d'atomes (sans compter les impuretés) comme un alliage cuivre-nickel , on parle alors d'alliage binaire. S'il y a trois types d'atomes formant le mélange, comme le fer, le nickel et le chrome, on parle alors d' alliage ternaire. Un alliage à quatre constituants est un alliage quaternaire, tandis qu'un alliage à cinq parties est appelé alliage quinaire. Parce que le pourcentage de chaque constituant peut varier, avec n'importe quel mélange, toute la gamme des variations possibles est appelée un système . A cet égard, l'ensemble des diverses formes d'un alliage ne contenant que deux constituants, comme le fer et le carbone, est appelé système binaire, tandis que toutes les combinaisons d'alliage possibles avec un alliage ternaire, telles que les alliages de fer, de carbone et de chrome, est appelé système ternaire .

Un alliage est techniquement un métal impur, mais lorsqu'il s'agit d'alliages, le terme impuretés désigne généralement des éléments indésirables. De telles impuretés sont introduites à partir des métaux de base et des éléments d'alliage, mais sont éliminées pendant le traitement. Par exemple, le soufre est une impureté courante dans l'acier. Le soufre se combine facilement avec le fer pour former du sulfure de fer , qui est très cassant, créant des points faibles dans l'acier. Le lithium , le sodium et le calcium sont des impuretés courantes dans les alliages d'aluminium, qui peuvent avoir des effets néfastes sur l' intégrité structurelle des pièces moulées. Inversement, les métaux autrement purs qui contiennent simplement des impuretés indésirables sont souvent appelés « métaux impurs » et ne sont généralement pas appelés alliages. L'oxygène, présent dans l'air, se combine facilement avec la plupart des métaux pour former des oxydes métalliques ; en particulier à des températures plus élevées rencontrées lors de l'alliage. Un grand soin est souvent pris pendant le processus d'alliage pour éliminer les impuretés en excès, en utilisant des fondants , des additifs chimiques ou d'autres méthodes de métallurgie extractive .

En pratique, certains alliages sont utilisés de manière si prédominante par rapport à leurs métaux de base que le nom du constituant primaire est également utilisé comme nom de l'alliage. Par exemple, 14 carats or est un alliage d'or avec d' autres éléments. De même, l' argent utilisé dans les bijoux et l' aluminium utilisé comme matériau de construction structurel sont également des alliages.

Le terme "alliage" est parfois utilisé dans le langage courant comme synonyme d'un alliage particulier. Par exemple, les roues d'automobile en alliage d'aluminium sont communément appelées simplement « roues en alliage », bien qu'en fait, les aciers et la plupart des autres métaux utilisés dans la pratique soient également des alliages. L'acier est un alliage si courant que de nombreux articles fabriqués à partir de celui-ci, comme les roues , les barils ou les poutres , sont simplement désignés par le nom de l'article, en supposant qu'il soit en acier. Lorsqu'ils sont fabriqués à partir d'autres matériaux, ils sont généralement spécifiés comme tels (c'est-à-dire : « roue en bronze », « baril en plastique » ou « poutre en bois »).

Théorie

L'alliage d'un métal se fait en le combinant avec un ou plusieurs autres éléments. Le processus d'alliage le plus courant et le plus ancien consiste à chauffer le métal de base au-delà de son point de fusion , puis à dissoudre les solutés dans le liquide en fusion, ce qui peut être possible même si le point de fusion du soluté est bien supérieur à celui de la base. Par exemple, à l'état liquide, le titane est un solvant très puissant capable de dissoudre la plupart des métaux et éléments. De plus, il absorbe facilement les gaz comme l'oxygène et brûle en présence d'azote. Cela augmente le risque de contamination de toute surface de contact et doit donc être fondu dans un chauffage par induction sous vide et des creusets en cuivre spéciaux refroidis à l'eau . Cependant, certains métaux et solutés, tels que le fer et le carbone, ont des points de fusion très élevés et étaient impossibles à faire fondre pour les peuples anciens. Ainsi, l'alliage (en particulier l'alliage interstitiel) peut également être réalisé avec un ou plusieurs constituants à l'état gazeux, tels qu'on les trouve dans un haut fourneau pour fabriquer de la fonte brute (liquide-gaz), de la nitruration , de la carbonitruration ou d'autres formes de cémentation. (solide-gaz), ou le processus de cémentation utilisé pour fabriquer de l' acier blister (solide-gaz). Cela peut également être fait avec un, plusieurs ou tous les constituants à l'état solide, tels que ceux trouvés dans les anciennes méthodes de soudage de modèles (solide-solide), l' acier de cisaillement (solide-solide) ou la production d' acier au creuset (solide-solide). liquide), mélangeant les éléments par diffusion à l' état solide .

En ajoutant un autre élément à un métal, les différences de taille des atomes créent des contraintes internes dans le réseau des cristaux métalliques ; contraintes qui renforcent souvent ses propriétés. Par exemple, la combinaison du carbone et du fer produit de l' acier , qui est plus résistant que le fer , son élément principal. La conductivité électrique et thermique des alliages est généralement inférieure à celle des métaux purs. Les propriétés physiques, telles que la densité , la réactivité , le module de Young d'un alliage peuvent ne pas différer beaucoup de celles de son élément de base, mais les propriétés techniques telles que la résistance à la traction , la ductilité et la résistance au cisaillement peuvent être sensiblement différentes de celles des matériaux constitutifs. C'est parfois le résultat de la taille des atomes dans l'alliage, car les atomes plus gros exercent une force de compression sur les atomes voisins, et les atomes plus petits exercent une force de traction sur leurs voisins, aidant l'alliage à résister à la déformation. Parfois, les alliages peuvent présenter des différences marquées de comportement même lorsque de petites quantités d'un élément sont présentes. Par exemple, les impuretés dans les alliages ferromagnétiques semi-conducteurs conduisent à des propriétés différentes, comme l'avaient d'abord prédit White, Hogan, Suhl, Tian Abrie et Nakamura. Certains alliages sont fabriqués en fondant et en mélangeant deux ou plusieurs métaux. Le bronze , alliage de cuivre et d' étain , fut le premier alliage découvert, durant la période préhistorique connue aujourd'hui sous le nom d' âge du bronze . Il était plus dur que le cuivre pur et utilisé à l'origine pour fabriquer des outils et des armes, mais a ensuite été remplacé par des métaux et des alliages dotés de meilleures propriétés. Plus tard, le bronze a été utilisé pour les ornements , les cloches , les statues et les roulements . Le laiton est un alliage composé de cuivre et de zinc .

Contrairement aux métaux purs, la plupart des alliages n'ont pas de point de fusion unique , mais une plage de fusion pendant laquelle le matériau est un mélange de phases solide et liquide (une neige fondue). La température à laquelle la fusion commence s'appelle le solidus , et la température à laquelle la fusion est juste terminée s'appelle le liquidus . Pour de nombreux alliages, il existe une proportion d'alliage particulière (dans certains cas plus d'une), appelée soit un mélange eutectique, soit une composition péritectique, qui confère à l'alliage un point de fusion unique et bas, et aucune transition liquide/solide de neige fondue.

Alliages de traitement thermique

Allotropes de fer , ( fer alpha et fer gamma ) montrant les différences d'arrangement atomique.
Microphotographies de l' acier . Photo du haut : L' acier recuit (refroidi lentement) forme une microstructure lamellaire hétérogène appelée perlite , constituée des phases cémentite (claire) et ferrite (foncée). Photo du bas : L' acier trempé (refroidi rapidement) forme une phase unique appelée martensite , dans laquelle le carbone reste piégé dans les cristaux, créant des contraintes internes.

Des éléments d'alliage sont ajoutés à un métal de base, pour induire la dureté , la ténacité , la ductilité ou d'autres propriétés souhaitées. La plupart des métaux et alliages peuvent être écrouis en créant des défauts dans leur structure cristalline. Ces défauts sont créés lors de la déformation plastique par martelage, pliage, extrusion, etc., et sont permanents à moins que le métal ne soit recristallisé . Sinon, certains alliages peuvent également voir leurs propriétés altérées par traitement thermique . Presque tous les métaux peuvent être ramollis par recuit , qui recristallise l'alliage et répare les défauts, mais pas autant peuvent être durcis par chauffage et refroidissement contrôlés. De nombreux alliages d' aluminium , de cuivre , de magnésium , de titane et de nickel peuvent être renforcés dans une certaine mesure par une méthode de traitement thermique, mais peu y répondent au même degré que l' acier .

Le fer de métal de base de l'alliage fer-carbone connu sous le nom d'acier, subit un changement dans l'arrangement ( allotropie ) des atomes de sa matrice cristalline à une certaine température (généralement entre 1 500 °F (820 °C) et 1 600 °F ( 870 °C), selon la teneur en carbone). Cela permet aux atomes de carbone plus petits d'entrer dans les interstices du cristal de fer. Lorsque cette diffusion se produit, les atomes de carbone sont dits en solution dans le fer, formant une phase cristalline unique et homogène appelée austénite . Si l'acier est refroidi lentement, le carbone peut diffuser hors du fer et il reviendra progressivement à son allotrope à basse température. Pendant le refroidissement lent, les atomes de carbone ne seront plus aussi solubles avec le fer et seront forcés de précipiter hors de la solution, nucléant en une forme plus concentrée de carbure de fer (Fe 3 C) dans les espaces entre les cristaux de fer pur. L'acier devient alors hétérogène, car il est formé de deux phases, la phase fer-carbone appelée cémentite (ou carbure ), et la ferrite de fer pur . Un tel traitement thermique produit un acier assez mou. Si l'acier est refroidi rapidement, cependant, les atomes de carbone n'auront pas le temps de diffuser et de précipiter sous forme de carbure, mais seront piégés dans les cristaux de fer. Lorsqu'il est rapidement refroidi, une transformation sans diffusion (martensite) se produit, dans laquelle les atomes de carbone sont piégés dans la solution. Cela provoque la déformation des cristaux de fer lorsque la structure cristalline essaie de passer à son état de basse température, laissant ces cristaux très durs mais beaucoup moins ductiles (plus cassants).

Alors que la haute résistance de l'acier résulte de l'empêchement de la diffusion et de la précipitation (formation de martensite), la plupart des alliages pouvant être traités thermiquement sont des alliages durcissables par précipitation , qui dépendent de la diffusion des éléments d'alliage pour atteindre leur résistance. Lorsqu'ils sont chauffés pour former une solution puis refroidis rapidement, ces alliages deviennent beaucoup plus mous que la normale, au cours de la transformation sans diffusion, mais durcissent ensuite en vieillissant. Les solutés de ces alliages précipiteront avec le temps, formant des phases intermétalliques , difficiles à discerner du métal de base. Contrairement à l'acier, dans lequel la solution solide se sépare en différentes phases cristallines (carbure et ferrite), les alliages à durcissement par précipitation forment différentes phases au sein du même cristal. Ces alliages intermétalliques semblent homogènes dans la structure cristalline, mais ont tendance à se comporter de manière hétérogène, devenant durs et quelque peu cassants.

Alliages de substitution et interstitiels

Différents mécanismes atomiques de formation d'alliages, montrant du métal pur, de substitution, interstitiel et une combinaison des deux.

Lorsqu'un métal en fusion est mélangé à une autre substance, deux mécanismes peuvent provoquer la formation d'un alliage, appelés échange d'atomes et mécanisme interstitiel . La taille relative de chaque élément du mélange joue un rôle primordial dans la détermination du mécanisme qui se produira. Lorsque les atomes sont de taille relativement similaire, la méthode d'échange d'atomes se produit généralement, où certains des atomes composant les cristaux métalliques sont substitués par des atomes de l'autre constituant. C'est ce qu'on appelle un alliage de substitution . Des exemples d'alliages de substitution comprennent le bronze et le laiton , dans lesquels certains des atomes de cuivre sont respectivement substitués par des atomes d'étain ou de zinc.

Dans le cas du mécanisme interstitiel, un atome est généralement beaucoup plus petit que l'autre et ne peut pas se substituer avec succès à l'autre type d'atome dans les cristaux du métal de base. Au lieu de cela, les atomes plus petits sont piégés dans les espaces entre les atomes de la matrice cristalline, appelés interstices . C'est ce qu'on appelle un alliage interstitiel . L'acier est un exemple d'alliage interstitiel, car les très petits atomes de carbone s'insèrent dans les interstices de la matrice de fer.

L'acier inoxydable est un exemple d'une combinaison d'alliages interstitiels et de substitution, car les atomes de carbone s'insèrent dans les interstices, mais certains des atomes de fer sont remplacés par des atomes de nickel et de chrome.

Histoire et exemples

Fer météorique

Une météorite et une hache forgées en fer météorique .

L'utilisation d'alliages par l'homme a commencé avec l'utilisation de fer météorique , un alliage naturel de nickel et de fer . C'est le constituant principal des météorites de fer . Comme aucun procédé métallurgique n'a été utilisé pour séparer le fer du nickel, l'alliage a été utilisé tel quel. Le fer météorique pouvait être forgé à partir d'une chaleur rouge pour fabriquer des objets tels que des outils, des armes et des clous. Dans de nombreuses cultures, il a été façonné par martelage à froid en couteaux et pointes de flèches. Ils étaient souvent utilisés comme enclumes. Le fer météorique était très rare et précieux, et difficile à travailler pour les anciens .

Bronze et laiton

Hache en bronze 1100 av.
Heurtoir en bronze

Le fer se trouve généralement sous forme de minerai de fer sur Terre, à l'exception d'un gisement de fer natif au Groenland , qui était utilisé par les Inuits . Le cuivre natif , cependant, a été trouvé dans le monde entier, ainsi que l' argent , l' or et le platine , qui ont également été utilisés pour fabriquer des outils, des bijoux et d'autres objets depuis l'époque néolithique. Le cuivre était le plus dur de ces métaux et le plus répandu. Il est devenu l'un des métaux les plus importants pour les anciens. Il y a environ 10 000 ans, dans les hautes terres d' Anatolie (Turquie), les humains ont appris à fondre des métaux tels que le cuivre et l' étain à partir du minerai . Vers 2500 avant JC, les gens ont commencé à allier les deux métaux pour former du bronze , qui était beaucoup plus dur que ses ingrédients. L'étain était rare, cependant, étant trouvé principalement en Grande-Bretagne. Au Moyen-Orient, les gens ont commencé à allier du cuivre avec du zinc pour former du laiton . Les civilisations anciennes ont pris en compte le mélange et les diverses propriétés qu'il produisait, telles que la dureté , la ténacité et le point de fusion , dans diverses conditions de température et d' écrouissage , développant une grande partie des informations contenues dans les diagrammes de phase des alliages modernes . Par exemple, les pointes de flèche de la dynastie chinoise Qin (environ 200 avant JC) étaient souvent construites avec une tête en bronze dur, mais une soie en bronze plus douce, combinant les alliages pour éviter à la fois l'émoussement et la rupture lors de l'utilisation.

Amalgames

Le mercure est fondu à partir du cinabre depuis des milliers d'années. Le mercure dissout de nombreux métaux, tels que l'or, l'argent et l'étain, pour former des amalgames (un alliage sous forme de pâte molle ou de liquide à température ambiante). Les amalgames sont utilisés depuis 200 avant JC en Chine pour la dorure d' objets tels que des armures et des miroirs avec des métaux précieux. Les anciens Romains utilisaient souvent des amalgames mercure-étain pour dorer leurs armures. L'amalgame était appliqué sous forme de pâte puis chauffé jusqu'à ce que le mercure se vaporise, laissant l'or, l'argent ou l'étain derrière. Le mercure était souvent utilisé dans l'exploitation minière, pour extraire des métaux précieux comme l'or et l'argent de leurs minerais.

Alliages de métaux précieux

L'électrum , un alliage naturel d'argent et d'or, était souvent utilisé pour fabriquer des pièces de monnaie.

De nombreuses civilisations anciennes ont allié les métaux à des fins purement esthétiques. Dans l' Egypte ancienne et à Mycènes , l'or était souvent allié au cuivre pour produire de l'or rouge, ou du fer pour produire un or bordeaux brillant. L'or a souvent été trouvé allié avec de l'argent ou d'autres métaux pour produire divers types d' or coloré . Ces métaux ont également été utilisés pour se renforcer mutuellement, à des fins plus pratiques. Le cuivre était souvent ajouté à l'argent pour fabriquer de l' argent sterling , augmentant sa résistance pour une utilisation dans la vaisselle, l'argenterie et d'autres objets pratiques. Très souvent, les métaux précieux étaient alliés à des substances moins précieuses afin de tromper les acheteurs. Vers 250 avant JC, Archimède a été chargé par le roi de Syracuse de trouver un moyen de vérifier la pureté de l'or dans une couronne, ce qui a conduit au célèbre bain public criant "Eureka!" à la découverte du principe d' Archimède .

Étain

Le terme étain couvre une variété d'alliages constitués principalement d'étain. En tant que métal pur, l'étain est beaucoup trop mou pour être utilisé à des fins pratiques. Cependant, à l' âge du bronze , l'étain était un métal rare dans de nombreuses régions d'Europe et de la Méditerranée, il était donc souvent plus apprécié que l'or. Pour fabriquer des bijoux, des couverts ou d'autres objets en étain, les ouvriers l'alliaient généralement à d'autres métaux pour augmenter la résistance et la dureté. Ces métaux étaient généralement le plomb , l' antimoine , le bismuth ou le cuivre. Ces solutés étaient parfois ajoutés individuellement en quantités variables, ou additionnés, créant une grande variété d'objets, allant d'objets pratiques tels que des plats, des outils chirurgicaux, des chandeliers ou des entonnoirs, à des objets décoratifs comme des boucles d'oreilles et des pinces à cheveux.

Les premiers exemples d'étain proviennent de l'Egypte ancienne, vers 1450 av. L'utilisation de l'étain était répandue dans toute l'Europe, de la France à la Norvège et à la Grande-Bretagne (où la plupart de l'étain ancien était extrait) au Proche-Orient. L'alliage a également été utilisé en Chine et en Extrême-Orient, arrivant au Japon vers 800 après JC, où il a été utilisé pour fabriquer des objets tels que des récipients de cérémonie, des boîtes à thé ou des calices utilisés dans les sanctuaires shinto.

Acier et fonte brute

Puddling en Chine, vers 1637. Contrairement à la plupart des procédés d'alliage, la fonte liquide est versée d'un haut fourneau dans un récipient et agitée pour éliminer le carbone, qui se diffuse dans l'air en formant du dioxyde de carbone, laissant derrière lui un acier doux en fer forgé.

La première fonte connue du fer a commencé en Anatolie , vers 1800 av. Appelé le processus de floraison , il produisait du fer forgé très doux mais ductile . En 800 avant JC, la technologie de fabrication du fer s'était répandue en Europe, arrivant au Japon vers 700 après JC. La fonte brute , un alliage très dur mais cassant de fer et de carbone , était produite en Chine dès 1200 avant JC, mais n'est arrivée en Europe qu'au Moyen Âge. La fonte brute a un point de fusion inférieur à celui du fer et était utilisée pour fabriquer de la fonte . Cependant, ces métaux ont trouvé peu d'utilisation pratique jusqu'à l'introduction de l'acier au creuset vers 300 avant JC. Ces aciers étaient de mauvaise qualité, et l'introduction du soudage par modèle , vers le 1er siècle après JC, a cherché à équilibrer les propriétés extrêmes des alliages en les laminant, pour créer un métal plus résistant. Vers 700 après JC, les Japonais ont commencé à plier l'acier à fleurs et la fonte en couches alternées pour augmenter la résistance de leurs épées, en utilisant des flux d'argile pour éliminer les scories et les impuretés. Cette méthode de forge d'épée japonaise a produit l'un des alliages d'acier les plus purs du monde antique.

Alors que l'utilisation du fer a commencé à se généraliser vers 1200 avant JC, principalement à cause des interruptions des routes commerciales de l'étain, le métal était beaucoup plus doux que le bronze. Cependant, de très petites quantités d' acier (un alliage de fer et d'environ 1% de carbone) ont toujours été un sous-produit du processus de floraison. La capacité de modifier la dureté de l'acier par traitement thermique était connue depuis 1100 avant JC, et le matériau rare était apprécié pour la fabrication d'outils et d'armes. Parce que les anciens ne pouvaient pas produire des températures suffisamment élevées pour faire fondre complètement le fer, la production d'acier en quantités décentes n'a pas eu lieu avant l'introduction de l' acier blister au Moyen Âge. Cette méthode introduisait du carbone en chauffant du fer forgé dans du charbon de bois pendant de longues périodes, mais l'absorption du carbone de cette manière est extrêmement lente, donc la pénétration n'était pas très profonde, donc l'alliage n'était pas homogène. En 1740, Benjamin Huntsman a commencé à faire fondre de l'acier blister dans un creuset pour égaliser la teneur en carbone, créant ainsi le premier processus de production en série d' acier à outils . Le procédé de Huntsman a été utilisé pour la fabrication d'acier à outils jusqu'au début des années 1900.

L'introduction du haut fourneau en Europe au Moyen Âge signifiait que les gens pouvaient produire de la fonte brute dans des volumes beaucoup plus élevés que le fer forgé. Comme la fonte pouvait être fondue, les gens ont commencé à développer des procédés pour réduire le carbone dans la fonte liquide pour créer de l'acier. Le puddling était utilisé en Chine depuis le premier siècle et a été introduit en Europe au cours des années 1700, où la fonte en fusion était agitée tout en étant exposée à l'air, pour éliminer le carbone par oxydation . En 1858, Henry Bessemer a développé un procédé de fabrication de l'acier en soufflant de l'air chaud à travers de la fonte liquide pour réduire la teneur en carbone. Le procédé Bessemer a conduit à la première fabrication à grande échelle d'acier.

Aciers alliés

L'acier est un alliage de fer et de carbone, mais le terme acier allié ne fait généralement référence qu'aux aciers qui contiennent d'autres éléments, comme le vanadium , le molybdène ou le cobalt , en quantités suffisantes pour modifier les propriétés de l'acier de base. Depuis les temps anciens, lorsque l'acier était principalement utilisé pour les outils et les armes, les méthodes de production et de travail du métal étaient souvent des secrets bien gardés. Même longtemps après l' âge de raison , l'industrie sidérurgique était très compétitive et les fabricants se sont donné beaucoup de mal pour garder leurs processus confidentiels, résistant à toute tentative d'analyse scientifique du matériau de peur qu'il ne révèle leurs méthodes. Par exemple, les habitants de Sheffield , un centre de production d'acier en Angleterre, étaient connus pour interdire régulièrement aux visiteurs et aux touristes d'entrer en ville pour dissuader l'espionnage industriel . Ainsi, presque aucune information métallurgique n'existait sur l'acier jusqu'en 1860. En raison de ce manque de compréhension, l'acier n'était généralement pas considéré comme un alliage avant les décennies entre 1930 et 1970 (principalement en raison des travaux de scientifiques comme William Chandler Roberts-Austen , Adolf Martens , et Edgar Bain ), de sorte que "acier allié" est devenu le terme populaire pour les alliages d'acier ternaires et quaternaires.

Après que Benjamin Huntsman eut développé son acier à creuset en 1740, il commença à expérimenter l'ajout d'éléments comme le manganèse (sous la forme d'une fonte à haute teneur en manganèse appelée spiegeleisen ), qui aidait à éliminer les impuretés telles que le phosphore et l'oxygène ; un procédé adopté par Bessemer et toujours utilisé dans les aciers modernes (bien qu'à des concentrations suffisamment faibles pour être toujours considéré comme de l'acier au carbone). Par la suite, de nombreuses personnes ont commencé à expérimenter divers alliages d'acier sans grand succès. Cependant, en 1882, Robert Hadfield , pionnier de la métallurgie de l'acier, s'y intéresse et produit un alliage d'acier contenant environ 12 % de manganèse. Appelé Mangalloy , il présentait une dureté et une ténacité extrêmes, devenant le premier alliage d'acier commercialement viable. Par la suite, il crée l' acier au silicium , lançant la recherche d'autres alliages d'acier possibles.

Robert Forester Mushet a découvert qu'en ajoutant du tungstène à l'acier, il pouvait produire un bord très dur qui résisterait à la perte de sa dureté à haute température. « L'acier spécial de R. Mushet » (RMS) est devenu le premier acier rapide . L'acier de Mushet a été rapidement remplacé par l' acier au carbure de tungstène , développé par Taylor et White en 1900, dans lequel ils ont doublé la teneur en tungstène et ajouté de petites quantités de chrome et de vanadium, produisant un acier de qualité supérieure pour les tours et les outils d'usinage. En 1903, les frères Wright ont utilisé un acier au chrome-nickel pour fabriquer le vilebrequin de leur moteur d'avion, tandis qu'en 1908, Henry Ford a commencé à utiliser des aciers au vanadium pour des pièces telles que les vilebrequins et les soupapes de son Ford modèle T , en raison de leur plus grande résistance et de leur résistance aux hautes températures. températures. En 1912, les forges Krupp en Allemagne développèrent un acier résistant à la rouille en ajoutant 21 % de chrome et 7 % de nickel , produisant le premier acier inoxydable .

Aluminium et autres alliages non ferreux

Les alliages non ferreux ne contiennent pas de quantités appréciables de fer. Les premiers alliages, le bronze et le laiton, ont été utilisés pendant des milliers d'années, ainsi que les alliages de plomb, l'étain et autres, mais ils étaient tous fabriqués à partir de métaux assez peu réactifs et pouvant être fondus sur des flammes nues. Au XVIIIe siècle, Antoine Lavoisier a contribué à établir la théorie de la combustion de l'oxygène , supplantant la défunte théorie du phlogistique qui avait régné depuis la fin du Moyen Âge. La théorie de l'oxygène a aidé à expliquer correctement le phénomène de choses comme l' oxydation des métaux (c'est-à-dire la rouille) et la façon dont les minerais rocheux se transforment en métaux lorsqu'ils sont chauffés. Lavoisier a prédit que beaucoup de terres, de sels et d'alcalis, par exemple dans l' alun , un sel utilisé depuis l'Antiquité, contenaient des bases métalliques trop réactives à l'oxygène pour être fondues par les méthodes habituelles. Ses travaux ont finalement abouti au tableau périodique des éléments , qui a permis de confirmer l'existence de ces « métaux manquants ».

En raison de leur grande réactivité, la plupart des métaux n'ont été découverts qu'au XIXe siècle. Une méthode pour extraire l'aluminium de la bauxite a été proposée par Humphry Davy en 1807, en utilisant un arc électrique . Bien que ses tentatives aient échoué, en 1855, les premières ventes d'aluminium pur ont atteint le marché. Cependant, comme la métallurgie extractive n'en était qu'à ses balbutiements, la plupart des procédés d'extraction de l'aluminium produisaient des alliages involontaires contaminés par d'autres éléments trouvés dans le minerai ; dont le plus abondant était le cuivre. Ces alliages d'aluminium et de cuivre (appelés à l'époque « bronze d'aluminium ») ont précédé l'aluminium pur, offrant une résistance et une dureté supérieures à celles du métal doux et pur, et se sont révélés, dans une faible mesure, traitables à la chaleur. Cependant, en raison de leur douceur et de leur trempabilité limitée, ces alliages ont trouvé peu d'utilisation pratique et étaient plutôt une nouveauté, jusqu'à ce que les frères Wright utilisent un alliage d'aluminium pour construire le premier moteur d'avion en 1903. Entre 1865 et 1910, les processus de l'extraction de nombreux autres métaux ont été découverts, tels que le chrome, le vanadium, le tungstène, l' iridium , le cobalt et le molybdène , et divers alliages ont été développés.

Avant 1910, la recherche consistait principalement en des particuliers bricolant dans leurs propres laboratoires. Cependant, alors que les industries aéronautique et automobile commençaient à se développer, la recherche sur les alliages est devenue un effort industriel dans les années qui ont suivi 1910, alors que de nouveaux alliages de magnésium ont été développés pour les pistons et les roues des voitures, et le métal en pot pour les leviers et les boutons, et les alliages d'aluminium développés pour les cellules et les peaux d'avion ont été mises en service.

Alliages durcissant par précipitation

En 1906, des alliages à durcissement par précipitation ont été découverts par Alfred Wilm . Les alliages à durcissement par précipitation, tels que certains alliages d' aluminium , de titane et de cuivre, sont des alliages pouvant être traités thermiquement qui se ramollissent lorsqu'ils sont trempés (refroidis rapidement), puis durcissent avec le temps. Wilm cherchait un moyen de durcir les alliages d'aluminium pour les utiliser dans les douilles de mitrailleuses. Sachant que les alliages aluminium-cuivre pouvaient être traités thermiquement dans une certaine mesure, Wilm a essayé de tremper un alliage ternaire d'aluminium, de cuivre et d'ajouter du magnésium , mais a d'abord été déçu des résultats. Cependant, lorsque Wilm l'a retesté le lendemain, il a découvert que la dureté de l'alliage augmentait lorsqu'on le laissait vieillir à température ambiante, et dépassait de loin ses attentes. Bien qu'une explication du phénomène n'ait été fournie qu'en 1919, le duralumin a été l'un des premiers alliages à « durcissement par vieillissement » utilisé, devenant le principal matériau de construction des premiers Zeppelins , et a été rapidement suivi par de nombreux autres. Parce qu'ils présentent souvent une combinaison de résistance élevée et de faible poids, ces alliages sont devenus largement utilisés dans de nombreuses formes d'industrie, y compris la construction d' avions modernes .

Voir également

Les références

Bibliographie

  • Buchwald, Vagn Fabritius (2005). Le fer et l'acier dans les temps anciens . Det Kongelige Danske Videnskabernes Selskab. ISBN 978-87-7304-308-0.

Liens externes