Cours sur les alliages. Présentation, variétés et propriétés.

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Nouveau cours de sami. Ce cours sur les alliages présente le sommaire suivant:

1) PRÉSENTATION DES ALLIAGES
2) PRÉPARATION DES ALLIAGES
3) PROPRIÉTÉS DES ALLIAGES
4) VARIÉTÉS D’ALLIAGES
–4-1) Alliages métalliques industriels
–4-2) Superalliages
–4-3) Alliages non métalliques

1) PRÉSENTATION DES ALLIAGES

Alliage, produit métallique obtenu par incorporation d’un ou plusieurs éléments à un métal. Les alliages à deux composants sont dits binaires, ceux qui contiennent trois composants sont appelés alliages ternaires. Comme les métaux purs, les alliages ont un éclat métallique et sont des conducteurs de chaleur et d’électricité. Des composés qui contiennent un métal et des produits non métalliques, comme par exemple le carbone, sont également appelés alliages. Le plus important de ceux-ci est l’acier. Les aciers simples à base de carbone contiennent environ 0,5% de manganèse et jusqu’à 0,8% de carbone, le reste étant constitué de fer.

2) PRÉPARATION DES ALLIAGES

On peut préparer les alliages par fusion. Lors de la fabrication de l’acier, on effectue une trempe de l’acier (refroidissement rapide) dans un domaine précis de température, suivi d’un réchauffement. Cela permet de stabiliser la structure de l’alliage et de réguler sa dureté La métallurgie des poudres permet de préparer des alliages aux propriétés spécifiques. Dans le frittage, les alliages sont préparés par mélange des poudres sèches des matériaux, comprimés sous haute pression et chauffés jusqu’à des températures supérieures à leurs points de fusion. On obtient un alliage solide et homogène. Cette technique permet une production à grande échelle avec d’importantes économies de coût. Les cermets, peuvent être fabriqués en utilisant la métallurgie des poudres. L’implantation ionique est une autre technique de préparation d’alliages. C’est une technique adaptée des procédés utilisés pour fabriquer des circuits intégrés des faisceaux d’ions : de carbone, d’azote et d’autres éléments sont projetés sur des métaux dans une chambre à vide, pour obtenir une fine couche résistante d’alliage à la surface du métal. Par exemple, en bombardant du titane avec de l’azote, on peut obtenir des alliages de qualité supérieure pour des implants prothétiques.

3) PROPRIÉTÉS DES ALLIAGES

En général, les propriétés des alliages sont très différentes de celles de leurs éléments constitutifs. Par exemple, la résistance mécanique et la résistance à la corrosion d’un alliage peuvent être considérablement supérieures à celles de ses constituants pris séparément. C’est pourquoi on utilise plus fréquemment les métaux alliés que les métaux purs. Cependant, les propriétés d’un alliage n’évoluent pas de façon linéaire avec celles des constituants qui le composent. Il est donc difficile de prévoir les caractéristiques d’un alliage à partir des propriétés de ses composants. Ainsi, on détermine expérimentalement les propriétés d’un alliage donné. En général, les alliages ont une température de fusion inférieure à celle de leurs constituants.

4) VARIÉTÉS D’ALLIAGES

4-1) Alliages métalliques industriels

Ce sont principalement les aciers, métaux ductiles. L’acier le plus simple est un alliage de fer et de carbone contenant 2% en poids de carbone. Dans cet alliage, les atomes de carbone se placent dans les interstices du réseau cristallin du fer : les aciers sont des alliages interstitiels. Plus les propriétés demandées à l’alliage sont importantes et particulières, plus sa formule est complexe. Dans l’acier simple, le fer et le carbone peuvent être alliés à d’autres métaux, dont la nature dépend des propriétés souhaitées. Ces métaux sont le chrome, le manganèse, le molybdène, le nickel, le tungstène et le vanadium. Ces alliages à base d’acier ont une résistance mécanique et une dureté supérieures à celles de l’acier pur. Les aciers sont des matériaux de construction, ils servent également à fabriquer de nombreux outils.

Les fontes sont des alliages de fer et de carbone, avec un pourcentage pondéral de carbone compris entre 2% et 5%. Elles contiennent également du silicium (jusqu’à 4%) et du manganèse, ainsi que des impuretés. Certaines fontes sont utilisées dans la production de l’acier, d’autres dans l’industrie du bâtiment. Les fontes dites grises sont utilisées dans la fabrication de pièces automobiles.

Les laitons sont principalement constitués de cuivre (majoritaire) et de zinc (minoritaire). On les utilise dans les pièces d’horlogerie et dans la robinetterie.

Les bronzes, alliages à base de cuivre et contenant essentiellement de l’étain, sont utilisés dans la fabrication des cloches et des engrenages.

Dans l’industrie aérospatiale, on utilise de nombreux alliages légers aux propriétés spécifiques, dans la conception des fusées par exemple. La légèreté d’un alliage est en général apportée par l’aluminium ou le béryllium. La pénétration des véhicules spatiaux dans l’atmosphère terrestre s’accompagne d’une élévation considérable de la température. Pour résister à ces différences importantes de température et à ces températures extrêmes, on a conçu des alliages très résistants à la chaleur. Ces alliages contiennent des métaux tels que le tantale, le niobium, le tungstène, le cobalt ou le nickel.

Une grande variété d’alliages spécifiques contenant des métaux, tels que le béryllium, le bore, l’hafnium et le zirconium, ont des caractéristiques d’absorption nucléaire particulières : on les utilise dans les centrales nucléaires. Les alliages de niobium-étain sont employés comme supraconducteurs à des températures extrêmement basses ( Supraconductivité). Des alliages spéciaux de cuivre, de nickel et de titane, mis au point pour résister aux effets corrosifs de l’eau salée, sont utilisés dans les usines de dessalement. L’industrie aéronautique emploie l’alliage à base de titane contenant 6% d’aluminium en poids et 4% de vanadium en poids. C’est en effet un alliage très léger et de bonne résistance mécanique. L’argent monétaire, l’or de 14 carats et le platine-iridium sont des alliages précieux. Les amalgames, alliages du mercure avec un autre métal, sont utilisés en soins dentaires.

4-2) Superalliages
Ce sont des alliages qui ont une très bonne résistance à la corrosion lorsqu’ils sont soumis à des contraintes mécaniques intenses à température et à pression élevées. Il existe trois familles de superalliages : les superalliages à base de fer, qui contiennent de 15 à 20 p. 100 de chrome ; les superalliages à base de nickel-chrome et les alliages à base de cobalt. Les superalliages sont entre autres utilisés dans les réacteurs chimiques et pétrochimiques et dans les raffineries de pétrole.

4-3) Alliages non métalliques
On peut obtenir des alliages de céramiques et de métaux : les cermets. Ils combinent les avantages des céramiques:
— la tenue aux températures élevées, la stabilité, la résistance à l’oxydation — aux propriétés des métaux — ductilité et résistance aux chocs.

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