Les métaux et les alliages

Au cours de leur utilisation, les matériaux d’un objet technique peuvent subir des contraintes engendrant des déformations. Ils sont aussi sujets à la dégradation. Il faut donc prêter une attention particulière au choix des matériaux en fonction de l’utilisation de l’objet technique en question.

Dans la nature, les métaux se retrouvent rarement à l’état pur. Ils sont plus souvent mélangés à d’autres substances dans des minerais provenant de la croute terrestre. Une fois que ces minerais sont extraits des mines, ils peuvent subir divers procédés permettant de séparer les différentes substances qui les composent.

En dehors des minerais, on peut également trouver des métaux dans les météorites.

En observant le tableau périodique des éléments, on constate qu’il existe plus de 90 métaux différents. Les métaux sont généralement d’apparence lustrée et conduisent la chaleur ainsi que l’électricité. Puisque ces métaux ont des propriétés très variées, seuls certains d’entre eux sont utilisés fréquemment dans la fabrication d’objets techniques.

Les tableaux suivants présentent quelques-uns des métaux les plus couramment utilisés ainsi que leurs propriétés mécaniques, physiques et chimiques. On remarque que les métaux se retrouvent plus souvent sous forme d’alliage que sous forme d’élément (à l’état pur).

Lorsqu’on développe un objet technique, on doit choisir des matériaux ayant des propriétés bien précises. C’est la raison pour laquelle les alliages sont souvent plus intéressants que les métaux à l’état pur. En effet, effectuer un mélange de substances permet de combiner leurs propriétés. En quelque sorte, on personnalise les métaux afin d’obtenir un alliage dont les propriétés répondent à nos besoins. On peut, par exemple, augmenter la dureté d’un métal et ainsi accroitre 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.

Le fer est l’un des éléments les plus présents dans la croute 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 à du carbone, on peut augmenter sa rigidité et sa dureté. Selon les proportions de fer et de carbone retrouvées dans l’alliage, les propriétés seront modifiées différemment.

Les alliages ferreux les plus courants comprennent du fer et du carbone. Cela dit, le fer peut être allié à d’autres éléments comme le chrome, le nickel et bien d’autres.

Les tableaux suivants présentent plusieurs exemples d’alliages ferreux ainsi que leurs propriétés.

Les alliages non ferreux ont des propriétés diverses. Il est vrai que la plupart des alliages magnétiques sont des alliages ferreux, mais certains alliages non ferreux peuvent aussi être magnétiques. Afin de le savoir, on peut utiliser un aimant. Si l’aimant est attiré par l’alliage, alors celui-ci est magnétique.

Les tableaux suivants présentent plusieurs exemples d’alliages non ferreux communs ainsi que leurs propriétés.

Tous les métaux sont différents, ce qui fait que leurs propriétés peuvent varier grandement d’un métal à l’autre. Par contre, certaines propriétés sont présentes chez plusieurs métaux. En effet, en matière de propriétés mécaniques, les métaux et alliages employés pour fabriquer des objets techniques sont souvent ductiles et malléables (ex. fer, aluminium, laiton, etc.). En matière de propriétés physiques et chimiques, ce sont souvent des substances brillantes, et de bons conducteurs électriques et thermiques. Quant au magnétisme, celui-ci se manifeste notamment chez le fer, le nickel, le cobalt et chez quelques autres métaux moins courants.  

Les tableaux précédents montrent les propriétés de métaux et alliages couramment utilisés dans la fabrication d’objets techniques.

Comme tous les matériaux, les métaux et les alliages subissent des contraintes qui engendrent des déformations. En plus de ces changements physiques, les métaux peuvent subir des changements chimiques entrainant une dégradation avec le temps. Par exemple, une clôture en acier est constamment exposée à l’humidité de l’air, à l’oxygène, voire aux pluies acides. De plus, elle subit de multiples forces au cours de son utilisation. Tous ces facteurs font en sorte que la clôture rouille (changement chimique) et se déforme (changement physique) avec le temps.

Les modifications apportées aux propriétés du matériau par son environnement sont ce qu’on appelle la dégradation. Dans le cas des métaux, le facteur de dégradation le plus fréquent est la corrosion.

Afin de limiter la corrosion des métaux, on peut faire appel à plusieurs techniques de protection :

• la galvanisation (ou placage), soit le recouvrement de la surface à protéger par un métal résistant à la corrosion (souvent le zinc ou le chrome);
• le recouvrement (ou revêtement) à l’aide d’autres substances résistant à la corrosion (peinture, film de plastique, etc.). Ces substances empêchent le métal d’être en contact avec les facteurs aggravants de son environnement;
• la création d’un alliage en ajoutant une substance résistante à la corrosion au métal sensible.

Si on souhaite limiter la déformation des métaux, on peut également changer les propriétés du métal au préalable à l’aide des traitements suivants :

• la création d’un alliage en ajoutant une substance qui augmente la dureté;
• le traitement thermique du métal pour améliorer ses propriétés.