Métallurgie

La métallurgie est un domaine de la science et de l’ingénierie des matériaux qui étudie le comportement physique et chimique des éléments métalliques , leurs composés intermétalliques et leurs mélanges, appelés alliages . La métallurgie englobe à la fois la science et la technologie des métaux; c’est-à-dire la manière dont la science est appliquée à la production de métaux et l’ingénierie des composants métalliques utilisés dans les produits destinés aux consommateurs et aux fabricants. La métallurgie est distincte de l’ artisanat de la métallurgie . Le travail des métaux s’appuie sur la métallurgie de la même manière que la médecines’appuie sur la science médicale pour le progrès technique. Un praticien spécialiste de la métallurgie est connu sous le nom de Métallurgiste .

La fusion , une étape fondamentale pour obtenir des quantités utilisables de la plupart des métaux. Moulage ; verser de l’or fondu dans un moule. L’or a été traité dans la mine d’or de La Luz (photo) près de Siuna, au Nicaragua , jusqu’en 1968.

La science de la métallurgie est subdivisée en deux grandes catégories : la métallurgie chimique et la métallurgie physique . La métallurgie chimique s’intéresse principalement à la réduction et à l’oxydation des métaux, ainsi qu’aux performances chimiques des métaux. Les sujets d’études en métallurgie chimique comprennent le traitement des minéraux , l’ extraction des métaux , la thermodynamique , l’ électrochimie et la dégradation chimique ( corrosion ). ^[1] En revanche, la métallurgie physiquese concentre sur les propriétés mécaniques des métaux, les propriétés physiques des métaux et les performances physiques des métaux. Les sujets étudiés en métallurgie physique comprennent la cristallographie , la caractérisation des matériaux , la métallurgie mécanique, les transformations de phase et les mécanismes de défaillance . ^[2]

Historiquement, la métallurgie s’est principalement concentrée sur la production de métaux. La production de métaux commence par le traitement des minerais pour extraire le métal et comprend le mélange de métaux pour fabriquer des alliages . Les alliages métalliques sont souvent un mélange d’au moins deux éléments métalliques différents. Cependant, des éléments non métalliques sont souvent ajoutés aux alliages afin d’obtenir des propriétés adaptées à une application. L’étude de la production de métaux est subdivisée en métallurgie ferreuse (également appelée métallurgie noire ) et Métallurgie non ferreuse (également appelée métallurgie colorée ). La métallurgie ferreuse implique des procédés et des alliages à base de fer, tandis que la métallurgie des métaux non ferreux implique des procédés et des alliages à base d’autres métaux. La production de métaux ferreux représente 95 % de la production mondiale de métaux. ^[3]

Les métallurgistes modernes travaillent dans des domaines émergents et traditionnels au sein d’une équipe interdisciplinaire aux côtés de scientifiques des matériaux et d’autres ingénieurs. Certains domaines traditionnels comprennent le traitement des minéraux, la production de métaux, le traitement thermique, l’analyse des défaillances et l’assemblage des métaux (y compris le soudage , le brasage et le brasage ). Les domaines émergents pour les métallurgistes comprennent la nanotechnologie , les supraconducteurs , les composites , les matériaux biomédicaux, les matériaux électroniques ( semi-conducteurs) et l’ingénierie des surfaces.. De nombreuses applications, pratiques et dispositifs associés ou impliqués dans la métallurgie ont été établis dans la Chine ancienne, tels que l’innovation du haut fourneau , de la fonte , des marteaux – piqueurs hydrauliques et des soufflets à piston à double effet . ^{[4] [5]}

Étymologie et prononciation

La métallurgie dérive du grec ancien μεταλλουργός , metallourgós , “travailleur du métal”, de μέταλλον , métallon , “mine, métal” + ἔργον , érgon , “travail” Le mot était à l’origine un terme d’ Alchimiste pour l’extraction de métaux à partir de minéraux , la désinence -urgy signifiant un processus, notamment de fabrication : il a été traité en ce sens dans l’ Encyclopædia Britannica de 1797 . ^[6] À la fin du 19e siècle, il a été étendu à l’étude scientifique plus générale des métaux, des alliages et des processus connexes. En anglais, le / m ɛˈ t æ l ər dʒ i /la prononciation est la plus courante au Royaume-Uni et dans le Commonwealth. La/ ˈ m ɛ t əl ɜːr dʒ i /est la plus courante aux États-Unis et est la première variante répertoriée dans divers dictionnaires américains (par exemple,Merriam-Webster Collegiate,American Heritage).

Histoire de la métallurgie

Minerai d’or de la mine Boundary Red Mountain , Washington , États-Unis Artefacts de la Nécropole de Varna , Bulgarie Objets façonnés d’or de la Nécropole de Varna, culture de Varna Enterrement d’élite à la Nécropole de Varna , photo de découverte originale (détail) Taureaux d’or, culture de Varna

Le premier métal enregistré utilisé par les humains semble être l’ or , qui peut être trouvé libre ou ” natif “. De petites quantités d’or naturel ont été trouvées dans des grottes espagnoles datant de la fin du Paléolithique , 40 000 av. ^[7] L’argent , le cuivre , l’ étain et le fer météorique peuvent également être trouvés sous forme native, permettant une quantité limitée de travail des métaux dans les premières cultures. ^[8] Certains métaux, notamment l’étain, le plomb et, à plus haute température, le cuivre, peuvent être récupérés de leurs minerais en chauffant simplement les roches dans un feu ou un haut fourneau, un procédé connu sous le nom defonte . La première preuve de cette métallurgie extractive, datant des 5e et 6e millénaires av. J.-C., ^[9] a été trouvée sur des sites archéologiques à Majdanpek , Jarmovac près de Priboj et Pločnik , dans l’actuelle Serbie . À ce jour, les premières preuves de la fusion du cuivre se trouvent sur le site de Belovode près de Plocnik. ^[10] Ce site a produit une hache en cuivre à partir de 5 500 av. J.-C., appartenant à la culture Vinča . ^[11]

La première utilisation du plomb est documentée dans les colonies néolithiques tardives de Yarim Tepe et Arpachiyah en Irak. Les artefacts suggèrent que la fusion du plomb a précédé la fusion du cuivre. ^[12]

La fusion du cuivre est également documentée sur ce site à peu près à la même période (peu après 6 000 avant JC), bien que l’utilisation du plomb semble précéder la fusion du cuivre. La métallurgie ancienne est également documentée sur le site voisin de Tell Maghzaliyah , qui semble être daté encore plus tôt, et manque complètement de cette poterie. ^{[ la citation nécessaire ]} Les Balkans étaient le site de cultures Néolithiques importantes, en incluant Butmir , Vinča , Varna , Karanovo et Hamangia .

La Nécropole de Varna , en Bulgarie , est un site funéraire situé dans la zone industrielle ouest de Varna (à environ 4 km du centre-ville), considérée internationalement comme l’un des sites archéologiques clés de la préhistoire mondiale. Le plus ancien trésor d’or au monde, datant de 4 600 avant JC à 4 200 avant JC, a été découvert sur le site. ^[13] La pièce d’or datant de 4 500 av. J.-C., récemment fondée à Durankulak , près de Varna en est un autre exemple important. ^{[14] [15]} D’autres signes de métaux anciens se trouvent à partir du troisième millénaire avant notre ère dans des endroits comme Palmela (Portugal), Los Millares (Espagne) etStonehenge (Royaume-Uni). Cependant, les débuts ultimes ne peuvent pas être clairement déterminés et les nouvelles découvertes sont à la fois continues et en cours.

Zones minières de l’ancien Moyen-Orient . Couleurs des boîtes : l’arsenic est en brun, le cuivre en rouge, l’ étain en gris, le fer en brun rougeâtre, l’or en jaune, l’argent en blanc et le plomb en noir. La zone jaune représente le Bronze à l’arsenic , tandis que la zone grise représente le bronze à l’étain .

Au Proche-Orient , vers 3 500 av. J.-C., on découvrit qu’en combinant le cuivre et l’étain, on pouvait fabriquer un métal supérieur, un alliage appelé bronze . Cela représentait un changement technologique majeur connu sous le nom d’ âge du bronze .

L’extraction du fer de son minerai en un métal exploitable est beaucoup plus difficile que pour le cuivre ou l’étain. Le procédé semble avoir été inventé par les Hittites vers 1200 av. J.-C., au début de l’ âge du fer . Le secret de l’extraction et du travail du fer a été un facteur clé du succès des Philistins . ^{[16] [17]}

Les développements historiques de la métallurgie ferreuse peuvent être trouvés dans une grande variété de cultures et de civilisations passées. Cela comprend les royaumes et empires anciens et médiévaux du Moyen-Orient et du Proche-Orient , l’ancien Iran , l’ Égypte ancienne , l’ancienne Nubie et l’Anatolie ( Turquie ), l’ancienne Nok , Carthage , les Grecs et les Romains de l’Europe ancienne , l’Europe médiévale, l’ancienne et Chine médiévale , Inde ancienne et médiévale , Japon ancien et médiéval, entre autres. De nombreuses applications, pratiques et dispositifs associés ou impliqués dans la métallurgie ont été établis dans la Chine ancienne, tels que l’innovation du haut fourneau , de la fonte , des marteaux – piqueurs hydrauliques et des soufflets à piston à double effet . ^{[18] [5]}

Un livre du XVIe siècle de Georg Agricola intitulé De re metallica décrit les processus hautement développés et complexes d’extraction de minerais métalliques, d’extraction de métaux et de métallurgie de l’époque. Agricola a été décrit comme le “père de la métallurgie”. ^[19]

Extraction

Soufflet de four actionné par des roues hydrauliques , Dynastie Yuan , Chine. Usine d’aluminium à Žiar nad Hronom ( Slovaquie centrale )

La métallurgie extractive consiste à retirer les métaux précieux d’un minerai et à raffiner les métaux bruts extraits en une forme plus pure. Afin de convertir un oxyde ou un sulfure métallique en un métal plus pur, le minerai doit être réduit physiquement, chimiquement ou électrolytiquement . Les métallurgistes de l’ extraction s’intéressent à trois flux principaux : l’alimentation, le concentré (oxyde métallique/sulfure) et les résidus (déchets).

Après l’extraction, de gros morceaux de l’alimentation en minerai sont brisés par concassage ou broyage afin d’obtenir des particules suffisamment petites, où chaque particule est soit principalement précieuse, soit principalement un déchet. La concentration des particules de valeur sous une forme favorisant la séparation permet d’éliminer le métal recherché des déchets.

L’exploitation minière peut ne pas être nécessaire si le corps minéralisé et l’environnement physique sont propices à la lixiviation . La lixiviation dissout les minéraux dans un corps minéralisé et donne une solution enrichie. La solution est collectée et traitée pour extraire les métaux précieux. Les corps minéralisés contiennent souvent plus d’un métal précieux.

Les résidus d’un procédé précédent peuvent être utilisés comme alimentation dans un autre procédé pour extraire un produit secondaire du minerai d’origine. De plus, un concentré peut contenir plus d’un métal précieux. Ce concentré serait ensuite traité pour séparer les métaux précieux en constituants individuels.

Métal et ses alliages

Coulée de bronze

Les métaux industriels courants comprennent l’aluminium , le chrome , le cuivre , le fer , le magnésium , le nickel , le titane , le zinc et le silicium . Ces métaux sont le plus souvent utilisés comme alliages à l’exception notable du silicium.

Beaucoup d’efforts ont été déployés pour comprendre le système d’alliage fer-carbone, qui comprend les aciers et les fontes . Les aciers au carbone simples (ceux qui ne contiennent essentiellement que du carbone comme élément d’alliage) sont utilisés dans des applications à faible coût et à haute résistance, où ni le poids ni la corrosion ne sont une préoccupation majeure. Les fontes , dont la fonte ductile , font également partie du système fer-carbone. Les alliages Fer-Manganèse-Chrome (aciers de type Hadfield) sont également utilisés dans des applications non magnétiques telles que le forage dirigé.

L’acier inoxydable , en particulier les aciers inoxydables austénitiques , l’Acier galvanisé , les alliages de nickel, les Alliages de titane , ou occasionnellement les alliages de cuivre sont utilisés, où la résistance à la corrosion est importante.

Les alliages d’aluminium et les alliages de magnésium sont couramment utilisés lorsqu’une pièce solide et légère est requise, comme dans les applications automobiles et aérospatiales.

Les alliages cuivre-nickel (tels que Monel ) sont utilisés dans des environnements hautement corrosifs et pour des applications non magnétiques.

Les superalliages à base de nickel comme l’ Inconel sont utilisés dans des applications à haute température telles que les turbines à gaz , les turbocompresseurs , les réservoirs sous pression et les échangeurs de chaleur .

Pour des températures extrêmement élevées, des alliages monocristallins sont utilisés pour minimiser le fluage . Dans l’électronique moderne, le silicium monocristallin de haute pureté est essentiel pour les transistors métal-oxyde-silicium (MOS) et les circuits intégrés .

Production

Dans l’ingénierie de la production , la métallurgie concerne la production de composants métalliques destinés à être utilisés dans des produits de consommation ou d’ingénierie . Cela implique la production d’alliages, la mise en forme, le traitement thermique et le traitement de surface du produit.

La détermination de la dureté du métal à l’aide des échelles de dureté Rockwell, Vickers et Brinell est une pratique couramment utilisée qui permet de mieux comprendre l’élasticité et la plasticité du métal pour différentes applications et processus de production. ^[20]

La tâche du Métallurgiste est d’atteindre un équilibre entre les propriétés des matériaux, telles que le coût, le poids , la résistance , la ténacité , la dureté , la corrosion , la résistance à la fatigue et les performances aux températures extrêmes. Pour atteindre cet objectif, l’environnement d’exploitation doit être soigneusement étudié.

Dans un environnement d’eau salée, la plupart des métaux ferreux et certains alliages non ferreux se corrodent rapidement. Les métaux exposés à des conditions froides ou cryogéniques peuvent subir une transition ductile à fragile et perdre leur ténacité, devenant plus fragiles et sujets à la fissuration. Les métaux soumis à des charges cycliques continues peuvent souffrir de fatigue du métal . Les métaux soumis à des contraintes constantes à des températures élevées peuvent fluer .

Processus de travail des métaux

Les métaux sont façonnés par des processus tels que

1. Coulée – le métal en fusion est versé dans un moule en forme .
2. Forgeage – une billette chauffée au rouge est martelée en forme.
3. Laminage – une billette est passée à travers des rouleaux successivement plus étroits pour créer une feuille.
4. Extrusion – un métal chaud et malléable est forcé sous pression à travers une filière , qui le façonne avant qu’il ne refroidisse.
5. Usinage – tours , fraiseuses et perceuses coupent le métal froid en forme.
6. Frittage – un métal en poudre est chauffé dans un environnement non oxydant après avoir été comprimé dans une matrice.
7. Fabrication – les feuilles de métal sont coupées avec des guillotines ou des coupeurs de gaz et pliées et soudées en forme structurelle.
8. Rechargement laser – la poudre métallique est soufflée à travers un faisceau laser mobile (par exemple monté sur une machine NC 5 axes). Le métal fondu résultant atteint un substrat pour former un bain de fusion. En déplaçant la tête laser, il est possible d’empiler les pistes et de constituer une pièce tridimensionnelle.
9. Impression 3D – Frittage ou fusion de poudre métallique amorphe dans un espace 3D pour créer n’importe quel objet à façonner.

Les processus de travail à froid , dans lesquels la forme du produit est modifiée par le laminage, la fabrication ou d’autres processus, alors que le produit est froid, peuvent augmenter la résistance du produit par un processus appelé écrouissage . L’écrouissage crée des défauts microscopiques dans le métal, qui résistent à d’autres changements de forme.

Diverses formes de moulage existent dans l’industrie et le milieu universitaire. Il s’agit notamment du moulage au sable , du moulage de précision (également appelé processus de cire perdue ), du moulage sous pression et des moulages continus. Chacune de ces formes présente des avantages pour certains métaux et applications compte tenu de facteurs tels que le magnétisme et la corrosion. ^[21]

Traitement thermique

Les métaux peuvent être traités thermiquement pour modifier les propriétés de résistance, de ductilité, de ténacité, de dureté et de résistance à la corrosion. Les procédés de traitement thermique courants comprennent le recuit , le renforcement par précipitation , la trempe et le revenu . ^[22]

Le processus de recuit ramollit le métal en le chauffant puis en le laissant refroidir très lentement, ce qui élimine les contraintes dans le métal et rend la structure du grain large et douce de sorte que, lorsque le métal est frappé ou stressé, il bosse ou peut-être se plie , plutôt que de casser; il est également plus facile de poncer, meuler ou couper le métal recuit.

La trempe est le processus de refroidissement du métal très rapidement après le chauffage, “gelant” ainsi les molécules du métal sous la forme très dure de martensite, ce qui rend le métal plus dur.

La trempe soulage les contraintes dans le métal qui ont été causées par le processus de durcissement ; la trempe rend le métal moins dur tout en le rendant plus apte à supporter les impacts sans se casser.

Souvent, les traitements mécaniques et thermiques sont combinés dans ce qu’on appelle les traitements thermomécaniques pour de meilleures propriétés et un traitement plus efficace des matériaux. Ces procédés sont communs aux aciers spéciaux fortement alliés, aux superalliages et aux Alliages de titane.

Placage

La galvanoplastie est une technique de traitement chimique de surface. Il s’agit de coller une fine couche d’un autre métal tel que l’or , l’argent , le chrome ou le zinc .à la surface du produit. Cela se fait en sélectionnant la solution d’électrolyte du matériau de revêtement, qui est le matériau qui va revêtir la pièce (or, argent, zinc). Il doit y avoir deux électrodes de matériaux différents : une du même matériau que le matériau de revêtement et une qui reçoit le matériau de revêtement. Deux électrodes sont chargées électriquement et le matériau de revêtement est collé à la pièce à usiner. Il est utilisé pour réduire la corrosion ainsi que pour améliorer l’aspect esthétique du produit. Il est également utilisé pour faire ressembler les métaux bon marché aux plus chers (or, argent). ^[23]

Grenaillage

Le grenaillage est un procédé de travail à froid utilisé pour finir les pièces métalliques. Dans le processus de grenaillage, une petite grenaille ronde est projetée contre la surface de la pièce à finir. Ce processus est utilisé pour prolonger la durée de vie de la pièce, prévenir les défaillances de corrosion sous contrainte et également prévenir la fatigue. La grenaille laisse de petites fossettes sur la surface comme le fait un marteau à panne, ce qui provoque une contrainte de compression sous la fossette. Au fur et à mesure que le support de tir frappe le matériau, il forme de nombreuses fossettes qui se chevauchent tout au long de la pièce traitée. La contrainte de compression à la surface du matériau renforce la pièce et la rend plus résistante à la fatigue, aux contraintes, à la corrosion et à la fissuration. ^[24]

Projection thermique

Les techniques de pulvérisation thermique sont une autre option de finition populaire et ont souvent de meilleures propriétés à haute température que les revêtements électrolytiques. La projection thermique, également connue sous le nom de procédé de soudage par pulvérisation ^[25] , est un procédé de revêtement industriel qui consiste en une source de chaleur (flamme ou autre) et un matériau de revêtement qui peut être sous forme de poudre ou de fil, qui est fondu puis pulvérisé sur la surface du matériau étant traitée à grande vitesse. Le procédé de traitement par pulvérisation est connu sous de nombreux noms différents tels que HVOF (High Velocity Oxygen Fuel), pulvérisation au plasma, pulvérisation à la flamme, pulvérisation à l’arc et métallisation.

La métallographie permet au Métallurgiste d’étudier la microstructure des métaux.

Caractérisation

Les métallurgistes étudient la structure microscopique et macroscopique des métaux à l’aide de la métallographie , une technique inventée par Henry Clifton Sorby .

En métallographie, un alliage d’intérêt est meulé à plat et poli pour obtenir une finition miroir. L’échantillon peut ensuite être gravé pour révéler la microstructure et la macrostructure du métal. L’échantillon est ensuite examiné au microscope optique ou électronique et le contraste de l’image fournit des détails sur la composition, les propriétés mécaniques et l’historique du traitement.

La cristallographie , utilisant souvent la diffraction des rayons X ou des électrons , est un autre outil précieux dont dispose le Métallurgiste moderne. La cristallographie permet l’identification de matériaux inconnus et révèle la structure cristalline de l’échantillon. La cristallographie quantitative peut être utilisée pour calculer la quantité de phases présentes ainsi que le degré de contrainte auquel un échantillon a été soumis.

Voir également

• Adrien Chenot
• Archéométallurgie
• CALPHAD
• Métallurgie du carbonyle
• Coupellation
• Archéométallurgie expérimentale
• Battre l’or
• Complexe de phosphine d’or
• Analyse des défaillances métallurgiques
• Industrie minérale
• Pyrométallurgie

Références

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Liens externes

Wikisource contient le texte de l’ article de 1879 American Cyclopædia Metallurgy .

• Médias liés à la métallurgie sur Wikimedia Commons
• Matériel d’apprentissage lié au sujet:Ingénierie métallurgique sur Wikiversité