Science et technologie s1549

Les métaux et les alliages

Les métaux

Un métal est un matériau extrait d'un minerai. C'est une substance généralement brillante, qui conduit bien l'électricité et la chaleur.

Tout comme les bois, les métaux proviennent de la nature. On les extrait dans les mines, à partir de minerais retrouvés dans la croûte terrestre. Il faut donc séparer le métal désiré des autres substances retrouvés dans les minerais.

On retrouve les métaux dans la partie gauche du tableau périodique (à l'exception de l'hydrogène). Ce sont généralement des substances brillantes, qui conduisent l'électricité et la chaleur. Certains métaux résistent à la corrosion, d'autres non, de même que certains sont magnétiques et d'autres non.

Le tableau suivant décrit certains métaux utilisés pour la fabrication d'objets techniques. Le fer et l'aluminium sont les métaux les plus utilisés. Toutefois, les métaux sont rarement utilisés à l'état pur; on les utilise davantage sous la forme d'alliage.

Métaux Description et caractéristiques Propriétés mécaniques Exemples d'utilisation
Fer (Fe) Argenté, mou, peut rouiller, métal le plus utilisé Ductilité, malléabilité Automobiles, structures de bâtiments, ustensiles, câbles, clous

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Aluminium (Al) Blanc, mou, très abondant dans la nature Malléabilité, ductilité, élasticité, légèreté, bonne conductibilité, résistance à la corrosion Bateaux, fils électriques, canettes, portes et fenêtres

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Cuivre (Cu) Couleur rouge brun qui s'oxyde à l'air humide (devient vert) Ductilité, malléabilité, lourdeur, excellente conductibilité électrique et thermique Fils électriques, instruments de musique, tuyaux, pièces de un cent

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Zinc (Zn) Couleur gris-blanc brillant Dureté, ductilité, malléabilité, résistance à la corrosion Fils électriques, gouttières, clôtures

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Magnésium (Mg) Couleur blanc argenté Légèreté, inflammabilité, malléabilité, ductilité Feux d'artifices, feux de Bengale, jantes de voiture

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Nickel (Ni) Gris Dureté, malléabilité, grande résistance à la corrosion Pièces de monnaie, éléments chauffants

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Chrome (Cr) Blanc, légèrement bleuté Grande dureté, résistance à la corrosion, bonne conductibilité Revêtements contre la corrosion

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Étain (Sn) Couleur blanc argenté Ductilité, malléabilité, faible point de fusion Soudures, ustensiles

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Titane (Ti) Couleur blanc argenté Grande ductilité, légèreté, résistance à la corrosion Coques de bateau, sous-marin, pièces d'automobiles

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Plomb (Pb) Couleur gris bleuté Mollesse, malléabilité, lourdeur, ductilité, résistance à la corrosion

Utilisé surtout pour la fonte

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Tungstène (W) Couleur blanc d'étain Mollesse, ductilité, légèreté, résistance aux hautes températures Filaments d'ampoules à incandescence

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Les alliages

Un alliage est un mélange homogène est la combinaison d'un métal avec une ou plusieurs autres substances dans le but d'obtenir des propriétés mécaniques précises.

Les métaux sont rarement utilisés à l'état pur. Un alliage permet de combiner les propriétés des différents métaux qui sont mélangés. On peut donc créer des matériaux qui possèdent exactement les propriétés adaptées à des besoins très précis. On peut, par exemple, augmenter la dureté d'un métal et ainsi accroître sa résistance à l'usure tout en conservant une bonne malléabilité. On classe généralement les alliages en deux catégories: les alliages ferreux et les alliages non ferreux. Pour déterminer rapidement si un alliage est ferreux ou non, il suffit d'approcher un aimant de l'alliage en question. Si l'alliage est ferreux, il attirera l'aimant alors qu'il n'y aura pas d'attraction s'il s'agit d'un alliage non ferreux.

Alliages ferreux

Un alliage ferreux est un alliage dont le principal constituant est le fer.

Le fer est un des éléments les plus répandus dans la croûte terrestre. Il s'agit d'un métal ductile (qui peut être étiré), malléable (qui peut être réduit en feuilles) et magnétique. Toutefois, le fer à l'état pur ne résiste pas à la corrosion ni à l'usure. En le combinant avec du carbone, on peut augmenter la résistance mécanique et la dureté du fer. Selon les proportions de fer et de carbone retrouvées dans l'alliage, les propriétés seront modifiées différemment.

Alliages ferreux Composition et description Propriétés mécaniques Exemples d'utilisation
Fonte -Mélange de fer et de carbone (au moins 2%)
-Couleur blanc brillant ou gris
Fragilité, dureté, lourdeur Étaux, poêlons, haltères

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Acier inoxydable -Mélange de fer, de carbone (moins de 1,5%), de chrome et d'étain
-Couleur gris métallique
Résistance à la corrosion, résistance mécanique, dureté Batteries de cuisine, coutellerie

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Acier doux -Mélange de fer et de carbone (à peine 0,2%) Faible résistance à la corrosion, dureté Chaînes

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Fer blanc -Tôle mince d'acier doux recouverte d'une couche d'étain sur les deux faces Facilité de pliage et de coupe, résistance à la corrosion Boîtes de conserve

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Alliages non ferreux

Un alliage non ferreux ne contient pas de fer, mais combine plutôt d'autres métaux.

En plus des alliages à base de fer, il existe dans la nature d'autres minéraux que l'on peut combiner pour former des alliages non ferreux. Ces alliages ne seront pas attirés pas un aimant.

Alliages non ferreux Composition et description Propriétés mécaniques Exemples d'utilisation
Laiton

-Mélange de zinc et de cuivre
-Couleur variant du rose au jaune selon la teneur des différents métaux

Ductilité, malléabilité, lourdeur, résistance à la corrosion, bonne conductibilité Décoration, composantes électriques, instruments de musique

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Bronze -Mélange de cuivre et d'étain
-Couleur variant du jaune au brun
Dureté, malléabilité, lourdeur, résistance à la corrosion, bonne conductibilité Objets d'arts, hélice de bateau, robinetterie, médaille olympique

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Titanium

-Mélange de titane et d'aluminium
-Couleur gris argenté

Légèreté, malléabilité, résistance à la corrosion, grande dureté Pièces d'avion, pièces de bicyclette, pièces électroniques

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Propriétés des métaux

Les métaux sont généralement des matériaux brillants, conducteurs d'électricité et de chaleur. Certains sont magnétiques, alors que d'autres résistent à la corrosion. Toutefois, étant donné leur grande diversité, les propriétés des métaux sont différentes selon le type de métal considéré. Les tableaux précédents présentent les propriétés des principaux métaux et alliages utilisés dans la fabrication d'objets techniques.

Dégradation et protection des métaux

La principale cause de dégradation des métaux est le processus d'oxydation qui cause leur corrosion. Ainsi, dans des conditions particulières, par exemple en présence d'eau salée, la surface du métal s'oxyde et se dégrade. Le pH de l'eau, sa concentration en oxygène et en sel ainsi que sa température influent sur l'importance de la corrosion subie.

Pour protéger les métaux et les alliages contre la dégradation, il est courant de les recouvrir d'un revêtement tel qu'un film protecteur de plastique, un vernis ou de la peinture. Ce revêtement permet d'isoler le matériau de son environnement, c'est-à-dire d'empêcher le contact de l'eau et de l'oxygène avec le métal. L'acier peut, quant à lui, subir différents traitements thermiques qui lui permettent d'accroître sa dureté et sa ductilité.

Dans certains cas, la galvanisation peut s'avérer un traitement anticorrosif efficace. Dans ce procédé, les métaux sont recouverts d'une couche de zinc dans le but de les protéger contre les réactions d'oxydation.

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