Vidéo de la leçon: Les alliages Chimie

Transcription de la vidéo

Dans cette vidéo, nous allons apprendre ce qu’est un alliage. Nous allons découvrir quelques alliages courants et comment la composition d’un alliage influence ses propriétés et par conséquent ses utilisations. Un alliage est un mélange d’au moins un métal avec un ou plusieurs autres éléments. Les autres éléments peuvent être des métaux ou des non-métaux. Nous avons dit qu’un alliage était un mélange. Il s’agit en fait d’une solution solide d’éléments dissous l’un dans l’autre. En fait, presque tous les métaux qui nous entourent au quotidien sont des alliages et non des métaux purs. Alors, comment pouvons-nous obtenir un mélange en solution solide d’un métal et d’autres éléments? Prenons l’exemple de la production d’acier.

Un métal, dans ce cas le fer, est chauffé. Quand il atteint son point de fusion, il se liquéfie. On peut ensuite mélanger le fer liquide avec d’autres métaux chauffés et liquéfiés, ou avec des non-métaux comme par exemple le carbone. On ajoute du carbone sous forme de charbon. On mélange le tout dans un haut fourneau, et on obtient un mélange liquide de fer et de carbone. Parfois, il peut y avoir d’autres étapes de traitement, puis on le laisse refroidir et se solidifier. Nous obtenons ainsi un alliage de fer et de carbone, qui est une solution solide des éléments fer et carbone, c’est de l’acier. Ceci est une description très simplifiée de la production d’acier. Le thème de l’acier sera traité plus en détail dans une autre vidéo.

Le processus de fusion, mélange, refroidissement et solidification que nous avons décrit est le procédé le plus courant de production d’un alliage. Il existe d’autres méthodes où des métaux en poudre sont mélangés à d’autres éléments en poudre, puis pressés et laminés à chaud. Il est important de se rappeler qu’un alliage ce n’est pas la même chose qu’un composé. Dans un composé, les composants sont présents dans des proportions spécifiques. Alors que dans un alliage, les proportions des composants peuvent variées, exactement comme pour les autres mélanges.

On peut se demander : pourquoi allier des métaux avec d’autres éléments? Les métaux purs sont souvent difficilement utilisables dans les applications de la vie quotidienne. Par exemple, le fer, sous sa forme pure, est assez mou et il rouille très facilement. Mais, en alliant le fer à d’autres éléments, en d’autres termes, en le mélangeant avec d’autres éléments, comme par exemple du carbone pour produire l’acier allié, on obtient un matériau qui réunit différentes caractéristiques ou qui en acquiert de nouvelles à celles de ses composants. L’acier est beaucoup plus dur que le fer pur. L’alliage modifie les propriétés d’un métal. On pourrait dire que les alliages ont des propriétés combinées ou nouvelles par rapport à celles de leurs composants individuels. Parmi les changements de propriétés résultant de l’alliage, il y a des changements de dureté, de résistance, solidité, des changements de malléabilité, de ductilité, de conductivité électrique et thermique, ainsi que de propriétés magnétiques.

Les alliages sont généralement beaucoup plus durs et résistants que le métal pur. L’alliage est très utile car ces nouvelles propriétés peuvent être ajustées ou régulées afin de produire un matériau adapté à une application donnée. En d’autres termes, on peut donner aux matériaux des propriétés à la carte. Examinons quelques alliages communs. Il y a trois types d’acier : l’acier doux, l’acier à outils et l’acier inoxydable. L’acier doux, de faible teneur en carbone, est assez malléable et est utilisé pour le moulage des carrosseries automobiles. L’acier à outils a une teneur en carbone plus élevée, et il contient généralement d’autres éléments comme le tungstène. Cela le rend très dur, même à hautes températures, ce qui convient parfaitement à son utilisation pour les outils soumis à des forces élevées, comme les marteaux et les robots, qui subissent beaucoup de frottements lors de leur utilisation.

L’acier inoxydable contient généralement un pourcentage relativement élevé de chrome, ainsi que d’autres éléments comme le nickel. Ceux-ci empêchent l’acier de rouiller ou de se corroder. Le matériel chirurgical comme les scalpels, ainsi que les couverts de table, sont généralement en acier inoxydable. Il est important de se rappeler que, plus le pourcentage de carbone est élevé, plus l’acier est résistant, mais cela le rend aussi plus fragile car il est moins malléable. Le duralumin est un alliage courant d’aluminium, composé en grande partie d’aluminium, d’un peu de cuivre et d’autres métaux. Il est de faible densité et léger grâce à l’aluminium, mais il est aussi très solide grâce aux autres éléments alliés, ce qui le rend idéal pour son utilisation dans la fabrication des pièces d’avions.

On appelle laiton, les alliages de cuivre et de zinc. Il s’agit souvent principalement de cuivre auquel on a ajouté du zinc. Le laiton est plus malléable que le cuivre et le zinc seuls, et il résiste à la corrosion; Il est idéal pour les pièces de plomberie. La brasure (soudure) est un alliage d’étain et de zinc. Il fond facilement, mais durcit rapidement et résiste également à la corrosion. On utilise la soudure pour assembler des composants électroniques. Le point de fusion d’un alliage de brasure particulier dépend essentiellement de sa teneur en étain. Pour le laiton, les proportions relatives de cuivre et de zinc affectent ses propriétés. Et les proportions d’aluminium et de cuivre dans le duralumin vont influencer la densité et la résistance du matériau.

Voyez-vous comme le pourcentage des composants d’un alliage influence directement les propriétés de ce matériau? Et on peut modifier ces pourcentages. Voyons un dernier exemple. Les bijoux en or ne sont pas composés d’or pur. Mais généralement à partir d’un alliage d’or, d’argent, de zinc et de cuivre. La composition d’un alliage d’or particulier aura une répercussion sur sa résistance ainsi que sur sa couleur. Comment un alliage modifie-t-il exactement les propriétés d’un matériau? Dans le métal pur solide, les atomes reliés par des liaisons métalliques, sont disposés de façon ordonnée en couches et en rangées. Quand on applique une force, les couches peuvent glisser les unes sur les autres. Pour un métal pur, cela ne nécessite qu’une force relativement petite. C’est pourquoi les métaux purs sont en général mous, et plutôt malléables et ductiles.

Toutefois, lorsqu’on mélange ou allie un autre élément à la structure, les atomes sont généralement de différentes tailles. La disposition des atomes est alors altérée. Il devient alors plus difficile aux atomes de glisser les uns sur les autres, et une force beaucoup plus grande est nécessaire pour déplacer ces atomes ou faire glisser les couches. C’est pourquoi les alliages sont généralement plus solides et plus durs que le métal pur. Bien que ces schémas soient dessinés en deux dimensions, rappelez-vous, qu’en réalité, les atomes sont disposés en trois dimensions. Examinons les deux manières selon lesquelles les atomes de l’élément ajouté peuvent s’agencer dans le métal sous la forme original.

On parle d’un alliage interstitiel quand les atomes de l’élément ajouté sont suffisamment petits pour se placer eux-mêmes dans les vides d’un treillis métallique. Les petits atomes qui peuvent faire cela sont l’hydrogène, le bore, le carbone et l’azote. On parle d’alliage de substitution quand l’atome d’un élément ajouté remplace certains atomes du métal d’origine. Ceci peut se produire quand ils sont de même taille. Parmi les atomes qui peuvent faire cela, on trouve par exemple les atomes de nickel et de chrome au milieu des atomes de fer dans l’acier. Certains alliages combinent les configurations interstitielles et de substitution. Et rappelez-vous qu’en réalité, il y a toujours des distorsions dans l’arrangement. Bien que nous ne l’ayons pas vu ici, nous avons mentionné que les propriétés d’un alliage dépendent des proportions relatives des composants.

Nous pouvons tracer un graphique avec ce type d’informations. Voyons cela. Imaginons un alliage constitué des éléments 𝐴 et 𝐵. On peut modifier le pourcentage relatif de 𝐴 par rapport au pourcentage de B. Et cela entraînera un changement des propriétés de l’alliage. Ce graphique hypothétique spécifique montre comment la teneur ou le pourcentage d’élément 𝐴 dans l’alliage influence la résistance de l’alliage. On mesure la résistance en mégapascals. Ce genre de graphiques est très utile. Ils nous permettent d’identifier les compositions optimales d’un alliage pour une propriété donnée. Comme nous l’avons vu, la propriété spécifique que nous étudions ici est la résistance. Donc, quelle est la composition ou la teneur optimale en élément 𝐴 nécessaire pour obtenir la résistance maximale de cet alliage ?

Eh bien, le point le plus élevé de la courbe représente la résistance maximale, dans ce cas, près de 450 MPa. Si nous descendons au point correspondant sur l’axe des 𝑥, nous voyons qu’une teneur de 16 pour cent de l’élément 𝐴 est nécessaire pour obtenir cette résistance maximale de l’alliage. Et si nous faisons 100 pour cent moins 16 pour cent, nous obtenons 84 pour cent qui représentent la teneur en élément B nécessaire pour obtenir cette résistance maximale. Vous remarquez également que sur cette partie de la courbe, la résistance commence à diminuer, avec des teneurs en 𝐴 supérieures à environ 16 pour cent ; tandis que dans cette partie de la courbe, quand la teneur de l’alliage en élément 𝐴 est inférieure à 2 pour cent, la résistance de l’alliage n’est pas à son minimum, bien que le pourcentage de 𝐴 soit très faible.

La résistance la plus faible de l’alliage se manifeste quand le pourcentage de 𝐴 est d’environ 2 pour cent. À cet endroit, la résistance est d’environ 100 mégapascals. Imaginons enfin que nous voulions fabriquer un alliage des éléments 𝐴 et 𝐵 qui ait une résistance d’environ 300 mégapascals. Si nous suivons la courbe et descendons sur l’axe des 𝑥, nous devrons fabriquer notre alliage avec au moins 8 pour cent de l’élément 𝐴 et le reste en élément 𝐵 pour obtenir cette résistance. Le mot clé ici est minimum. À vrai dire, toute teneur en élément 𝐴 supérieure à environ 8 pour cent et jusqu’à environ 20 pour cent (qui est la valeur maximale de la teneur en A représentée sur ce graphe), nous donnerait une résistance supérieure à 300 mégapascals, plus que ce dont nous aurions besoin.

Ce n’est pas nécessairement un problème de fabriquer un alliage plus résistant que nécessaire, mais à des résistances différentes, nous devrons également tenir compte d’autres caractéristiques, comme la fragilité. Nous devrons également étudier un graphique de fragilité en fonction de la teneur.

Il est temps à présent de résumer tout ce que nous avons appris. Nous avons appris qu’un alliage est un mélange d’au moins un métal avec un ou plusieurs autres éléments, et que les alliages sont en fait des solutions solides de métaux avec d’autres éléments. Nous avons appris que les alliages ont des propriétés combinées ou de nouvelles propriétés par rapport à celles de leurs composants, et que les alliages sont souvent plus durs et plus résistants que leurs éléments de base. Nous avons examiné certains alliages courants comme l’acier (un mélange de fer et de carbone), le duralumin (un mélange d’aluminium et de cuivre), le laiton (composé de cuivre et de zinc), ainsi que la brasure et l’or.

Nous avons vu que les proportions des composants ont une influence directe sur les propriétés des alliages, avec comme exemple spécifique celui de l’acier pour lequel une forte concentration de carbone augmente la résistance, mais aussi la fragilité. Nous avons appris que former un alliage bouleverse la disposition des atomes dans un métal, et c’est ce qui en partie donne à l’alliage des propriétés uniques. Et enfin, nous avons rapidement examiné un exemple hypothétique des propriétés d’un alliage en fonction de sa composition représenté sur un graphique, et vu qu’il s’agit d’un outil utile pour identifier les compositions optimales des alliages, ainsi que pour prédire les propriétés d’un alliage voulu.