Fiche explicative de la leçon: Alliages Chimie • Troisième année secondaire

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre comment on obtient des alliages et quelles sont leurs applications ainsi que leurs effets sur les propriétés des métaux.

Depuis plusieurs milliers d'années, l'homme a appris à combiner différents éléments pour produire des alliages plus désirables. Les anciens Sumériens produisaient des alliages de bronze il y a 5‎ ‎500 ans, et les archéologues ont trouvé des artefacts en bronze sur les sites de la culture néolithique Majiayao. L’Homme a sans cesse constitué des alliages de différents éléments de métal pur au cours de l’histoire, car l’alliage est un procédé relativement simple qui peut transformer un métal relativement inutile en un composé métallique bien plus utile.

Les alliages contiennent toujours au moins un élément métallique et un autre élément qui peut être une substance métallique ou non métallique. Les alliages sont parfois décrits comme étant des solutions solides métalliques. Cela est dû en partie au fait qu’il s’agit d’un matériau composite solide qui contient au moins deux éléments chimiques différents. C’est aussi parce que les différents types d’atomes dans un alliage sont disposés de manière assez semblable aux atomes dans une solution liquide. Les atomes d’au moins un élément chimique sont dispersés dans le réseau d’un autre élément métallique.

Il est généralement admis que le bronze est le premier alliage produit par l’homme. Les sociétés préhistoriques ont produit des alliages de bronze à partir de minerai de cuivre brut. A cette époque, on chauffait d’abord le minerai de cuivre pour éliminer les impuretés indésirables, puis on combinait le produit de cuivre raffiné avec d’autres éléments métalliques tels que l’étain et l’arsenic. Ce procédé était utilisé pour fabriquer des blocs de bronze. Les forgerons prenaient ces blocs de bronze et les remodelaient pour fabriquer des sculptures et des armes.

Le bronze a une couleur caractéristique brun rougeâtre, et il a tendance à être bien plus dur que le cuivre pur. Il a également tendance à être bien moins ductile et bien moins malléable. Le bronze est très résistant à la plupart des formes de corrosion, et il est actuellement utilisé pour fabriquer les composants des navires et d’autres types de d’embarcation de navigation. L’alliage possède un ensemble unique de propriétés mécaniques qui le rendent adapté à de nombreuses applications maritimes et liés à la navigation.

Le bronze a un coefficient de frottement exceptionnellement bas. Il est idéal pour la conception de certains composants de véhicules automobiles. Cette substance est utilisée pour fabriquer des manchons métalliques qui peuvent être placés à côté des essieux. Les manchons ont un coefficient de frottement faible permettant une rotation en douceur des essieux adjacents. En anglais, certaines formes de bronze ont des noms spécifiques tels que « bearing bronze » [bronze pour roulements] car elles sont utilisées très souvent pour fabriquer des composants de roulements mécaniques.

Les éléments en métal pur sont généralement décrits comme étant malléables et ductiles car ils sont constitués d’atomes qui sont tous essentiellement de la même taille. Les atomes de taille similaire sont disposés en un réseau tridimensionnel relativement simple, il est donc facile pour une couche d’atomes de métal pur de glisser sur une autre couche d’atomes de métal pur. Les alliages sont généralement décrits comme étant beaucoup moins malléables et ductiles car ils sont constitués d’au moins deux types d’atomes différents et les atomes dans un alliage ne sont pas disposés en un seul réseau. Chaque couche d’atomes dans un alliage peut avoir sa propre structure unique qui diffère de toutes les autres couches, et il est beaucoup plus difficile de pousser une couche d’atomes sur une autre couche d’atomes dans un alliage. La disposition irrégulière des atomes dans les alliages explique également pourquoi ils sont d'habitude plus forts et plus durs que les métaux purs. La figure suivante montre comment la structure simple du réseau d’un élément métallique (A) peut être rompue si elle est mélangée avec un deuxième élément métallique complètement différent (B).

Exemple 3: Effet de l’alliage sur la malléabilité

Le dessin ci-dessous illustre l’alliage d’un métal A avec de petites quantités d’élément B. La malléabilité de l’alliage diffère de celle du métal pur A.

1. Laquelle des expressions suivantes est la meilleure définition de la malléabilité ? 
   1. la capacité à être martelé ou roulé en feuilles
   2. la capacité à être étiré dans des fils fins
   3. la résistance à l’étirement et à la compression
   4. la résistance à la rupture sous l’effet d’une force appliquée
   5. la résistance à la fissuration lors d’un choc soudain
2. D'après le dessin, comment et pourquoi la malléabilité de l’alliage diffère-t-elle de celle du métal pur A ? 
   1. La malléabilité est plus élevée car les atomes de B occupent un plus grand volume.
   2. La malléabilité est plus faible car la disposition atomique est moins uniforme.
   3. La malléabilité est plus faible car des atomes différents interagissent plus fortement.
   4. La malléabilité est plus élevée car les atomes de B interagissent avec un plus grand nombre d’atomes voisins.
   5. La malléabilité est plus faible car il est plus difficile pour les couches de se déplacer les unes sur les autres.

Réponse

Partie 1

Les matériaux malléables sont ceux qui peuvent être martelés ou pressés dans différentes formes et en feuilles minces sans se casser ou se fissurer. Cette définition est très similaire à la réponse A ; par conséquent, nous pouvons conclure que la réponse à la première partie de cette question est A.

Partie 2

Il est plus facile pour une couche de particules métalliques de glisser sur une autre couche d’atomes métalliques si tous les atomes métalliques ont une taille similaire et sont disposés dans un réseau tridimensionnel simple. Les éléments en métal pur sont généralement plus malléables que les alliages car les éléments en métal pur sont constitués d’atomes essentiellement identiques. Cette description est très similaire à la réponse E, de sorte que nous pouvons déterminer que E est la réponse correcte pour la deuxième partie de cette question.

On pense que le laiton a été fabriqué pour la première fois autour de l’année 500 BC, mais il y a quelques exemples où des archéologues ont découvert des artefacts en laiton de calamine qui sont plus anciens de milliers d’années. Le laiton a une couleur jaune caractéristique qui est quelque peu semblable à la couleur de l’or pur, mais le laiton métallique est généralement bien moins brillant et bien moins précieux. Le laiton est habituellement fabriqué en combinant du cuivre métallique pur avec du zinc, en un rapport massique approximatif de .

Le laiton est considérablement plus malléable que le bronze, et il est régulièrement frappé en formes longues et complexes pour fabriquer des instruments de musique brillants qui ont des propriétés acoustiques exceptionnelles. L'alliage est en outre plus malléable que le cuivre ou le zinc pur. Le laiton a également été beaucoup utilisé au cours des 2‎ ‎500 dernières années pour fabriquer des ornements, car il est beaucoup moins cher que l’or pur et il est également assez facile à sculpter et à remodeler. Même aujourd’hui, le laiton est encore utilisé pour fabriquer des engrenages et des charnières, car il a des coefficients de frottement très bas et peut également être conçu pour être très résistant à la plupart des formes de corrosion.

Le laiton a une conductivité électrique relativement faible. Il a une valeur de conductivité électrique beaucoup plus faible que le cuivre pur, ce qui fait qu’il ne convient pas pour la fabrication de fils électriques. Le cuivre pur métallique a une conductivité électrique de et les alliages en laiton ont plutôt des valeurs de conductivité électrique comprises entre et . Le cuivre métallique est devenu très précieux au cours des dernières décennies en raison de cette conductivité électrique si élevée. Le cuivre pur finit généralement par être beaucoup plus cher que le laiton et d’autres types d’alliages à base de cuivre.

Le bronze et le laiton ne sont que deux types d’alliages qui peuvent être obtenus en mélangeant du cuivre avec un autre élément en métal pur. De même, le cuivre peut être combiné avec le nickel pour former un alliage métallique cuivre-nickel connu sous le nom de cupronickel. Le cupronickel est un alliage de cuivre métallique assez intéressant car il a un point de fusion de . Le bronze et le laiton ont un point de fusion de et le cuivre a un point de fusion de . Le cupronickel a un point de fusion plus élevé que le cuivre, tandis que le bronze et le laiton ont un point de fusion plus bas.

Le cupronickel a une couleur argent plutôt inintéressante, ce qui fait qu’il n’est presque jamais utilisé pour fabriquer des objets de décoration. Mais il a au moins quelques applications intéressantes. Il est très résistant à l’eau salée, étant régulièrement utilisé pour fabriquer des canalisations et des échangeurs de chaleur pour les systèmes à eau de mer. Le cupronickel peut même être utilisé pour fabriquer les hélices et les coques de bateaux de luxe et les composants structurels de support pour les usines de dessalement et des plates-formes pétrolières en mer. Certains pays ont également utilisé l’alliage cupronickel hautement résistant à la corrosion pour fabriquer des pièces de monnaie comme le franc suisse et les pièces de 500 et 100 won sud-coréen sud-coréens.

L’or est un métal très précieux, vénéré et très recherché par presque toutes les cultures pendant des milliers d’ ans. C’est un métal très brillant qui a un aspect esthétique agréable, de nombreuses sociétés l’ayant utilisé comme forme de monnaie ou comme moyen de réguler la valeur des billets de banque. L’or pur n’est généralement pas adapté à la fabrication de la plupart des babioles et des petites pièces de bijouterie, car il est trop malléable et pas assez dur à lui tout seul. L’or est généralement combiné avec une petite quantité d’éléments métalliques purs comme le cuivre ou le nickel pour le rendre plus dur et plus résistant à la corrosion. La teneur en métal combiné est généralement maintenue faible car les alliages d’or ressemblent de moins en moins à de l’or au fur et à mesure que la teneur en un autre métal augmente. L’or pur (or de 24 carat) a une teinte dorée attrayante et très recherchée, mais les alliages d’or ont une couleur beaucoup moins recherchée qui est une combinaison de jaune et de marron ou d’argent.

Les alliages comme le laiton et le bronze sont appelés des alliages de substitution car ils contiennent deux types d’atomes différents qui ont des caractéristiques de liaison similaires et des diamètres pas si différents. Les atomes d’un métal dans un alliage par substitution peuvent effectivement prendre la place des atomes des autres éléments métalliques, cet échange de positions dans le réseau peut produire un nouveau réseau composite ayant une forme et une structure tridimensionnelles irrégulières.

Les alliages interstitiels ont une forme et une structure tout à fait différentes car ils contiennent généralement des atomes qui ont des caractéristiques de liaison très différentes et des diamètres différents. Les atomes de ces deux éléments distincts ne peuvent pas changer librement de positions dans le réseau, et l’un des types d’atomes finit par occuper les interstices du réseau bien aligné de l’autre élément. L’acier est un exemple d’alliage interstitiel composé d’un pourcentage relativement élevé d’atomes de fer et d’un pourcentage relativement faible d’atomes de carbone. Les atomes de carbone ne peuvent pas occuper les positions du réseau des atomes de fer, et ils doivent au contraire occuper des positions entre les atomes de fer liés par la liaison métallique.

L’acier a été utilisé pendant plus de cent ans pour fabriquer des véhicules de transport et de grands bâtiments, car il est beaucoup plus solide que le fer pur et il n’est ni coûteux ni difficile à fabriquer dans les grandes aciéries. Le fer peut aussi être combiné avec une petite quantité de carbone et d’autres métaux comme le chrome pour fabriquer de l’acier inoxydable. L’acier inoxydable est très rigide et solide, étant aussi très résistant à la plupart des formes de corrosion. Les scientifiques ont montré qu'un alliage d'acier peut être plus dur et plus résistant s'il a une teneur en carbone plus élevée. Les alliages d'acier doux ont une teneur en carbone d'environ , et les alliages d'acier inoxydable plus durs ont une teneur en carbone plus proche de . Une teneur en carbone plus élevée rend l'acier plus résistant, mais le rend aussi plus cassant car il est moins malléable. L'acier inoxydable est utilisé pour fabriquer des équipements médicaux et aéronautiques sophistiqués qui doivent être à la fois durs et résistants à la corrosion.

Les premiers alliages de duralumin ont été découverts il y a juste un peu plus de . Les alliages de duralumin sont des substances qui contiennent habituellement une grande quantité d’aluminium et une quantité relativement petite de cuivre. Ils peuvent également contenir un faible pourcentage d’autres éléments métalliques tels que de manganèse ou de magnésium. Les alliages de duralumin sont plutôt légers car ils contiennent beaucoup d’aluminium métallique. Ils sont aussi plutôt durs car ils contiennent des métaux comme le cuivre. Les industriels font régulièrement varier l'abondance d'aluminium et de cuivre dans les alliages de duralumin afin de modifier la densité et la résistance de ces alliages. La résistance des alliages de duralumin peut être augmentée par des processus de durcissement par vieillissement ou par durcissement structural. Des procédés de traitement thermique peuvent être utilisés pour fabriquer des alliages de duralumin aussi solides que l’acier doux. Les alliages de duralumin sont utilisés pour fabriquer des avions et des composants d’avions, car ils sont légers et ont des valeurs élevées du rapport résistance par unité de masse. Les alliages en duralumin sont solides, et ils finissent rarement par être fissurés ou fracturés quand ils sont soumis à des sollicitations d’une force moyenne à élevée.

Les scientifiques ont progressivement compris comment les propriétés de deux éléments peuvent être combinées de différentes manières pour obtenir de nouveaux matériaux composites avec les propriétés physiques souhaitées. Les scientifiques produisent maintenant des alliages dits intelligents qui ont des propriétés intéressantes comme la super-élasticité. Le Nitinol est un alliage de titane et de nickel découvert pour la première fois il y a quelques dizaines d’années et utilisé à présent pour produire des bagues dentaires et des stents pour les vaisseaux sanguins. Le Nitinol est souvent présenté comme ayant des propriétés de mémoire de forme car il a un module d’élasticité élevé et retourne à une forme donnée s’il est déformé. Le Nitinol est idéal pour fabriquer des bagues dentaires, car il peut appliquer en continu une force faible sur les dents mal alignées. Il peut forcer lentement les dents à devenir droites et bien alignées.

Les alliages en Nitinol sont très résistants à la plupart des formes de corrosion et ils ne se détérioreront pas s’ils sont introduits dans différentes parties du corps humain. Cet alliage a de nombreuses propriétés physiques recherchées, mais il est également assez coûteux à produire, ce qui peut limiter son application dans les milieux hospitaliers et orthodontiques. Il a également tendance à être très sensible à la fatigue des métaux. L’alliage peut devenir faible et accumuler beaucoup de fissures au fil du temps car il contient des structures très flexibles qui peuvent subir de grands changements de structure pendant les processus de déformation.

Les scientifiques peuvent utiliser des graphiques pour déterminer comment les propriétés physiques d’un type d’alliage dépendent de sa composition. Ils peuvent ensuite utiliser ces connaissances pour fabriquer de nouveaux alliages qui ont un ensemble de propriétés physiques très recherchées. La figure suivante montre comment la résistance d’un type d’alliage dépend de l’abondance d’un élément métallique non spécifié (). Le type d’alliage a une valeur de résistance relativement faible lorsqu’il contient une petite quantité de , puis sa résistance est bien plus élevée lorsqu’il contient une quantité relativement importante de . Ce graphique peut être utilisé pour fabriquer des alliages qui ont des valeurs de résistance entre 100 MPa - 400 MPa. Des graphiques comparables peuvent être produits pour presque n’importe quel type de propriété physique. Les graphiques peuvent être utilisés pour déterminer la relation entre la composition de l’alliage et les propriétés physiques telles que la conductivité électrique, la malléabilité et la résistance à la corrosion.

Récapitulons ce que nous avons appris dans cette fiche explicative.