Mémo complémentaire de Jean Lehervet sur les Métaux et

Jean LEHERVET
10/06/2014
AGREPI – Est
METAUX & ALLIAGES
Complément à la visite de GENERAL ELECTRIC – France à Belfort &Bourogne
1 - Atomes – rappel
Tout élément chimique est composé d’atomes, eux- même constituées:
- d’un noyau lui-même formé de protons (masse 1, charge électrique +1) et de neutrons (masse 1, charge
électrique 0)
- d’électrons (masse 0, charge électrique -1) gravitant sur des orbites autour du noyau
L’atome est électriquement neutre (autant d’électrons que de protons) et toute sa masse est donc
concentrée dans le noyau
NN
Noyau
Proton
(Masse =1 ,Charge +)
Neutron (Masse =1,Charge 0)
Electron (Masse =0,Charge -)
NN
Orbitales électrons
La dimension d’un atome est de l’ordre de l’Angström ( A°) = 10-10m = 10-4 m. Une image (très grossière)
des dimensions relatives : si le noyau avait la taille d’un ballon de football, le « nuage » d’électrons aurait
la taille du terrain.
Chaque élément chimique est caractérisé par :
- son numéro atomique = nb. de protons (= nb. d’électrons)
- sa masse atomique = nb. de protons + nb. de neutrons
Tous les éléments chimique naturels (= non radioactifs) existants sont répertoriés selon ces critères dans la
« classification périodique des éléments « (aussi connue comme « Tableau de Mandeléev – V. doc. joint)
basée sur les critères ci-dessus.
Ex : le fer =
26
56
Fe  l’atome de fer a 26 électrons, et son noyau 56 protons +neutrons ( soit, en fonction
de ce qui précède, 26 protons et (56 – 26) = 20 neutrons )
Le nombre d’AVOGADRO = 6,023. 1023
6,023. 1023 atomes de fer pur (= Fe) ont une masse de 56 grammes
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2 – Qu’est-ce qu’un métal ?
Définition (Larousse) = corps simple, doué d’un éclat particulier, bon conducteur de la chaleur et de
l’électricité, et donnant avec l’oxygène un ou des oxydes basiques
Description physico-chimique :c’est un empilement dense de noyaux d’atomes (chargés +) maintenu
cohérent par la circulation des électrons entre les noyaux. Ce mécanisme explique :
- l’aptitude à la déformation des métaux (ductilité) par rapport
à d’autres éléments chimiques car les liaisons ne sont pas orientées
- leur bonne conductibilité thermique et électrique du fait de la
mobilité des électrons périphériques
- un apport suffisant d’énergie (in fine thermique) peut aussi rompre
ces liaisons fusion/liquéfaction
+
+
+
+
+
+
+
+
+
La compacité maximale pour un élément pur (métal seul, non combiné) est obtenue avec 3 types d’empilement
des noyaux atomique
Cubique centré (BBC)
Cubique face centrée (CFC)
Hexagonal compact(HCP)
La dimension d’une maille élémentaire telle que représentée ci-dessus est d’env. 2 à 3 A°, l’empilement élémentaire
étant beaucoup plus dense que représenté ci-dessus dans un but de lisibilité (V. représentation ci-dessous donnant
une meilleure idée de la compacité
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2 – Qu’est-ce qu’un métal (suite) ?
L’analyse de la structure et des dimensions de la maille est réalisée par diffraction des rayons X (à ne pas
confondre avec la radiographie de pièces métalliques aux rayons X pour en déceler les défauts)
Au niveau microscopique (rappel : 1m = 104 A°), les mailles s’agglomèrent en « grains » séparés par des « joints »,
fractures résultant des contraintes thermiques au refroidissement du métal ou de la formation de matière différente
(par ex. Oxydes, carbures, etc…). Ces discontinuités entre grains facilitent le travail du métal (mais aussi, dans
certains cas, la corrosion).
Il faut souligner que la structure de la maille (V. diagramme du Fer ci-dessous) peut varier avec :
- la température
- la présence d’autres éléments mélangés - même à faible dose - l’élément de base
Ex. : on constate que le fer est sous forme (= ferrite = cubique centré) jusqu’à 723°C ; et sous forme
austénite = cubique face centrée) au - delà de
723°C . On note aussi que la teneur en carbone (résidu de la
fabricaton du fer en haut-fourneau, ajustée ensuite lors de l’affinage en convertisseur ou four) influe sur la structure
finale, même à faible teneur .
L’on peut néanmoins conserver la structure austénitique, même à
température ambiante en refroidissant brusquement le métal à l’état
d’austénite . C’est le phénomène de trempe. On peut revenir a
une structure partiellement ferritique par un réchauffage lent =
recuit ou revenu.
Par ailleurs ,une variation relativement faible de la teneur en carbone
peut modifier substanciellement le comportement du matériau
(passage de l’acier à la fonte). L’ajout d’un ou plusieurs composants
au métal de base afin de modifier ses proprétés physiques et/ou
chimiques permet la fabrication d’alliages.
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3 - Alliages
Dès l’Antiquité, les hommes ont constaté empiriquement que l’on pouvait améliorer les performances notamment mécaniques - des métaux purs en y incorporant d’autres éléments, en particulier d’autres
métaux ; inventant ainsi les alliages :
- le Cuivre (pur) est utilisé en Mésopotamie dès - 8000 en Mésopotamie et - 2000 en Europe , mais le
bronze (Cu + 25% Sn), plus duret moins cassant, n’apparait que vers -1500 (Pyramides d’Egypte ~ -2500)
- l’on trouve des objets en Fer forgé vers -1100 autour de la Méditerranée et vers – 800 en Europe
Centrale. Les Chinois utilisent la fonte (Fe + 4% C) dès – 400 ; mais il faut attendre le 12e siècle pour voir se
développer en Europe le travail de l’acier (taux de carbone, trempe, recuit)
D’un point de vue physico-chimique , on distingue 3 types d’alliages :
- les alliages d’insertion / - les solutions solides / - les précipités
3.1 alliages d’insertion : Ex. : Fer – carbone (acier / fonte)
Fe
Fe
c
Fe
Les atomes de carbone C , de petite taille par
rapport à ceux du fer Fe , viennent s’insérer
entre les atomes du réseau cubique face
centrée du fer sans modifier celui –ci.
Selon le taux de carbone, on obtient :
Fe
Fe
c
c
Fe
Fe
c
Fe
- de l’acier « doux » si C% < 2%
- de la fonte si C% > 2% (habituellement ~4%)
3.2 Solutions solides
L’on fond 2 (ou plusieurs) métaux purs A et B , dont les noyaux atomiques sont de dimensions voisines.
L’un des 2 métaux se substitue partiellement à l’autre sans déformation (ou déformation faible) du réseau
cristallin. C’est le cas de très nombreux alliages dont, parmi les plus connus :
-les bronzes (Cuivre/Etain - Cu /Sn) et laitons (Cuivre/Zinc – Cu/Zn)
- les cupro-nickels (Cuivre/ Nickel – Cu/Ni) et cupro-aluminium (Cu/Al) résistant à la corrosion par l’eau de
mer et soudables sous certaines conditions
- les superalliages (Nickel/ Chrome) utilisés dans les parties chaudes de turbines à gaz
- les aciers inox austénitiques (Fer/Chrome/Nickel – Fe/Cr/Ni)
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3.2 solution solide (suite)
La substitution peut être complète (une seule phase de B dans A) ou partielle ( 2 phases : B dans A et A
dans B comme ci-dessus 1 et 2
3.3 précipité insoluble
L’élément B peut - dans certaines conditions - réagir avec A pour former des molécules chimiquement
définies et comportant plusieurs atomes.
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
C
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Ex : la cémentite Fe3C - composé chimique défini, très dur et cassant - se forme dans certaines conditions
(v. diagramme Fer-carbone § 3.2). Il ne ne forme pas un alliage d‘insertion mais des « agglomérats » dans
le réseau cubique centré du fer 


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4 - Superalliages & turbines à gaz
La recherche constante d’amélioration du rendement énergétique des turbo- réacteurs et des turbines à
gaz a conduit à une augmentation non moins constante des températures – et donc des contraintes –
appliquées aux parties chaudes de la turbine (aubages directeurs, disques de rotor, aubes de turbine) ; à
des formes de plus en plus sophistiquées des aubages (aubes vrillés diamétralement , creuses pour
refroidissement, pieds d’aube creux devant résister à la force centrifuge -~3000 trs/mn – etc…)
Seuls des alliages métalliques dits « superalliages »
permettent de répondre à ces conditions tout en évitant le
fluage (déformation progressive dans le temps consécutive à
une modification structurelle du métal , due aux conditions
physiques - contraintes + température – auxquelles il est
exposé). Ils conservent leur stabilité dimensionnelle jusqu’à ~
0,7. TFusion
Ils résistent également à la »corrosion sèche » (formation
progressive d’une couche d’oxyde aux dépends du métal pour
des températures > 600 – 700°C )
Il s’agit essentiellement de solutions solides Nickel - Chrome
Ni-Cr (Cf . § 3.2 ci-dessus) auxquelles on a rajouté d’autres
éléments (Co,Ti,Mo,…) et avec un taux de carbone très bas
(0,01< C% < 0,03) .
Ils sont connus sous les noms commerciaux de Monel, Inconel, Hastelloy, etc…. et sont également utilisés
pour d’autres applications en raison de leur grande résistance à la corrosion (y compris en milieux aqueux
corrosifs), de leur stabilité dimensionnelle et, pour certains, de leur soudabilité (selon des techniques très
spécifiques)
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