chimide des matériaux - notes de cours · fontes en acier avec tous leurs aspects chimiques. on y...

ENSEIGNEMENT DE PROMOTION SOCIALE

——————————————————————Cours de

CHIMIE DES MATERIAUX

- Matériaux métalliques -

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H. Schyns

Mai 2007

Matériaux métalliques Sommaire

H. Schyns S.1

Sommaire

1. INTRODUCTION

2. ORIGINE DES MÉTAUX

2.1. Introduction2.2. Nucléosynthèse primordiale2.3. Nucléosynthèse stellaire

2.3.1. Fusion de l'Hydrogène2.3.2. Fusion de l'Hélium2.3.3. Fusions du Carbone et du Néon2.3.4. Fusion de l'Oxygène2.3.5. Fusion du Silicium2.3.6. Résumé

2.4. Nucléosynthèse dans les supernovae2.4.1. Processus R2.4.2. Processus S

2.5. Nucléosynthèse interstellaire2.6. Conclusion

3. HISTOIRE DES MÉTAUX

3.1. Aperçu3.2. Âge du cuivre3.3. Âge du bronze3.4. Âge du fer

4. EXTRACTION ET PRÉPARATION

4.1. Occurrence des métaux4.2. Prétraitements4.3. Procédés de raffinage

4.3.1. Classification4.3.2. Fusion directe4.3.3. Formation d'amalgame4.3.4. Lixiviation4.3.5. Grillage4.3.6. Calcination4.3.7. Traitement à la chaux vive4.3.8. Carboréduction4.3.9. Réductions chimiques particulières4.3.10. Réduction par l'hydrogène4.3.11. Electrolyse4.3.12. Choix du réducteur

4.4. Conclusion

Matériaux métalliques Sommaire

H. Schyns S.2

5. LES ACIERS ET LES FONTES

5.1. Introduction5.2. Minerais5.3. Production du fer

5.3.1. Bref aperçu historique5.3.2. Le haut-fourneau5.3.3. Les réactions chimiques5.3.4. Bilan de matières

5.4. Production de l'acier5.4.1. Position du problème5.4.2. Le procédé Bessemer5.4.3. Le procédé Thomas5.4.4. LD process5.4.5. Recyclage de l'acier

5.5. Le diagramme de phase Fe-C5.5.1. Présentation générale5.5.2. Explications5.5.3. Résumé

5.6. Microstructures et propriétés5.6.1. Formes à l'équilibre5.6.2. Formes hors équilibre

5.7. Les variétés d'aciers5.8. Les alliages5.9. Traitements thermiques et mécaniques5.10. Les différentes fontes

6. LES MÉTAUX ET ALLIAGES NON FERREUX

6.1. Aluminium6.2. Cuivre6.3. Zinc6.4. Alliages non ferreux

7. CORROSION

8. ASPECTS ÉCOLOGIQUES

9. SOURCES

Matériaux métalliques 1 - Introduction

H. Schyns 1.1

1. Introduction

Le but de ce document est d'apporter une connaissance générale sur l'origine, lespropriétés, la préparation et l'utilisation des matériaux métalliques dans une optiqueindustrielle.

Un premier chapitre explique la formation des différents éléments présents sur laTerre. A l'aide d'un peu de physique nucléaire il expose la nucléosynthèseprimordiale qui a eu lieu durant les premières minutes de l'univers. Il poursuit avecla nucléosynthèse stellaire qui a créé (et crée encore) les éléments allant du lithiumau fer. Il se termine en décrivant le rôle des supernovae et des rayonnementscosmiques.

Le chapitre suivant est un bref rappel de la chronologie de l'usage des métaux dansles civilisations.

Nous passons ensuite aux méthodes d'extraction et de préparation des différentsmétaux, en mettant l'accent sur les prétraitements et sur la chimie des procédés deraffinage.

Le chapitre suivant développe la production des aciers et des fontes et constitue uneintroduction à un cours de métallurgie ou de sidérurgie. Il décrit les types deminerais et explique le fonctionnement du haut-fourneau ainsi que la conversion desfontes en acier avec tous leurs aspects chimiques. On y détaille aussi le diagrammede phase Fer-Carbone et le rôle des traitements thermiques.

Matériaux métalliques 2 - Origine des métaux

H. Schyns 2.1

2. Origine des métaux

2.1. Introduction

La genèse des éléments présents dans l’univers en général et sur la Terre enparticulier est une question à laquelle une réponse satisfaisante n’a été donnée quetrès récemment.

Avec l'invention du spectromètre, les astrophysiciens ont pu étudier la compositionchimique du Soleil, des étoiles et des milieux interstellaires. Ils ont rapidementconstaté que plus la masse atomique d'un atome est grande, moins il est présentdans la nature. Seuls trois éléments échappent à cette règle : le lithium, le bérylliumet le bore qui, bien qu’ayant de petites masses atomiques sont relativement rares.

Ce n’est qu’en 1957 que paraît un article qui va révolutionner l'astrophysique. Ilprésente une théorie complète de la nucléosynthèse stellaire c’est-à-dire del’ensemble des processus physiques de synthèse de noyaux atomiques par fissionou fusion nucléaire au sein des étoiles. Cet article est devenu tellement célèbre qu'ilest le plus souvent cité dans la littérature par les initiales de ses auteurs G.Burbidge, M. Burbidge, F. Hoyle et W. Fowler : B2HF.

L’article brosse un panorama complet de l'origine des éléments, depuis la créationde l’hydrogène lors du Big Bang jusqu'à la production des éléments les plus lourdsdans les supernovae.

Les quatre types de base de nucléosynthèse sont :

- la nucléosynthèse primordiale qui a eu lieu durant les premières minutes del'univers, responsable de la formation des noyaux légers, principalementhélium 4 mais également deutérium, lithium 7 et béryllium 7. Aucun élément demasse atomique supérieure à 7 n'a été créé durant cette nucléosynthèse.

- la nucléosynthèse stellaire a lieu dans les étoiles et crée une grande partie dela vingtaine d’éléments allant du lithium au fer.

- la nucléosynthèse dans les supernovae produit la plupart des éléments plusgros que le fer.

- la spallation cosmique ou nucléosynthèse interstellaire qui produit deséléments légers tels que le lithium et le bore, par bombardement de matière pardes rayons cosmiques.

2.2. Nucléosynthèse primordiale

Le modèle du Big Bang présuppose qu’il y a environ 13.7 milliards d’années,l’univers a connu un état homogène, extrêmement dense et chaud (1).

Partant de cet état, l’univers a entrepris une expansion qui, telle une expansionadiabatique, l’a progressivement refroidi. Différentes formes de la matière sontapparues au cours de ce refroidissement (fig. 2.1).

Au cours de la première seconde (t<1s), la température est de l’ordre de 1010 K. Lamatière est présente sous forme de neutrinos (νe) et antineutrinos (νe), de neutrons(n) et protons (p ou 1H) ainsi que d’électrons (e–) et de positrons (e+). L’énergie pure

1 Il est important de préciser que ce modèle ne préjuge en rien de l’existence d’un instant initial ou d’un

commencement de l'univers. Simplement, il est impossible de savoir ce qu’il y avait avant cet instant.


H. Schyns 2.2

est présente sous forme de photons (γ). Tous ces composants forment un équilibredynamique :

n p e

n e p

n p e

e

e

e

+ ↔ +

+ ↔ +

↔ + +

−

+

−

ν

ν

ν

À 1010 K, l’équilibre est rompu par la disparition des neutrinos et antineutrinos. A cemoment, la matière compte environ un neutron pour six protons.

Entre 1010 K et 109 K, les protons et neutrons présents fusionnent pour former desnoyaux de deutérium (D ou 2H) encore appelés deutérons.

n p D+ → + γ

Toutefois, tant que la température reste supérieure à 109 K, les noyaux de deutériumsont instables car facilement dissociés par les photons qui ont assez d’énergie àcette température (réaction inverse).

La synthèse des premiers noyaux stables (nucléosynthèse primordiale) necommence que lorsque la température tombe sous 109 K. Nous sommes alors dansla première minute après le Big Bang. L’univers compte environ un neutron poursept protons et les quatre premiers éléments du tableau périodique (H, He, Li, Be) etleurs isotopes commencent à se créer.

A cause de l’expansion, après un millier de secondes (t≈103s), la températuredevient trop faible pour que des réactions de fusion puissent engendrer des noyauxplus lourds que 7Be ou 7Li. Ceci marque l’arrêt de la nucléosynthèse primordiale.

fig. 2.1 Expansion de l'univers à partir de la singularité nommée "Big Bang"

2.3. Nucléosynthèse stellaire

Les éléments présents dans l’univers vont se condenser ça et là sous forme de"nuages de gaz" contenant essentiellement de l’hydrogène. Ces nuages sont àl'origine des étoiles.

En effet, sous l'effet des forces de gravitation, ces nuages vont se contracter et leurtempérature va s'élever progressivement. Lorsque la température atteint 107 K, lesnoyaux d'hydrogène possèdent suffisamment d'énergie pour vaincre les forces derépulsion électrostatiques et commencer à fusionner.


H. Schyns 2.3

La nucléosynthèse stellaire comprend cinq étapes successives :

- la fusion de l'hydrogène- la fusion de l'hélium,- la fusion du carbone,- la fusion de l'oxygène,- la fusion du silicium.

2.3.1. Fusion de l'Hydrogène

La fusion de l'hydrogène produit de l'hélium (1).

Il existe deux mécanismes réactionnels :

- la chaîne proton-proton (cycle PP), qui est la réaction principale dans les étoilesde masse relativement faible, telles le soleil;

- cycle carbone-azote-oxygène (cycle CNO), qui se produit à plus hautetempérature, dans des étoiles plus massives.

La première étape de la chaîne PP implique la fusion de deux noyaux d'hydrogène1H, ou protons en deutérium 2H avec émission d'un positron (e+). Au cours de cettefusion, l'un des protons se mute en neutron (n) et neutrino (ν).

1 1 2H H H e e+ → + ++ ν

C'est une réaction qui exige une grande quantité d'énergie et qui est donc très lente.Dans une étoile de la taille de notre soleil, cette réaction s'accomplit en 10 milliardsd'années environ (fig. 2.2).

Le positron produit s'annihile instantanément avec l'un des électrons présents dansle plasma environnant en produisant un rayonnement gamma très énergétique :

e e+ −+ → 2γ

fig. 2.2 Fusion de l'hydrogène selon la chaîne PP

Dans la deuxième étape, le deutérium produit fusionne avec un nouveau noyaud'hydrogène pour produire un isotope de l'hélium 3He :

1 Quand le physisicen nucléaire parle d'hydrogène, il considère le noyau de l'atome d'hydrogène donc le

proton isolé. De même, quand il parle d'hélium, de carbone ou d'oxygène, il considère les noyaux "nus"sans les électrons périphériques. Ces électrons périphériques ont été arrachés par l'agitation thermiquequi règne aux températures envisagées.


H. Schyns 2.4

2 1 3H H He+ → + γ

Lorsque la teneur en 3He est suffisante, ce qui prend des millions d'années, deuxnoyaux 3He peuvent fusionner et produire l'isotope normal de l'hélium 4He et éjecter(régénérer) deux protons qui pourront initier de nouvelles réactions nucléaires (d'oùle nom de cycle PP) :

3 3 4 1 1He He He H H+ → + +

Le bilan global du cycle est :

4 1 4H He e e→ + ++ ν

Le cycle CNO met en jeu des noyaux de masse atomique beaucoup plus élevéesque dans le cycle PP. Il se produit à plus haute température, dans des étoiles demasse plus élevée. Une condition évidente pour que ce cycle puisse participer à lasynthèse d'éléments, est que les éléments carbone, oxygène et azote soientprésents dans le cœur de l'étoile.

En réalité, il ne s'agit pas d'un seul cycle mais bien de trois cycles imbriqués selon leschéma suivant :

12 1 13

13 13

13 1 14

14 1 15

15 15

15 1 12 4

C H N

N C e

C H N

N H O

O N e

N H C He

e

e

+ → +

→ + +

+ → +

+ → +

→ + +

+ → +

+

+

γ

ν

γ

γ

ν

Les noyaux croissent en masse par capture d'un proton, ce qui permet de passer àl'élément suivant. Toutefois, quand l'un des protons de transforme en neutron, onrevient à l'élément précédent.

fig. 2.3 Fusion de l'hydrogène selon le cycle CNO

Le résultat du cycle est la fusion de quatre noyaux d'hydrogène (protons) en un seulnoyau d'hélium (particule alpha). Le carbone sert de catalyseur et est régénéré. Lebilan global s'écrit :


H. Schyns 2.5

4 2 21 4H He e e→ + ++ ν

Ce cycle est aussi probablement la principale source de production d'azote etd'oxygène de l'univers.

2.3.2. Fusion de l'Hélium

Trois noyaux d'hélium (particules alpha) peuvent fusionner en un atome de carboneselon un processus appelé réaction triple alpha.

Cette réaction de fusion nucléaire peut se produire rapidement à des températuressupérieures à 108 K et dans les étoiles à haute abondance en hélium. Elle a donclieu dans les étoiles qui, pendant quelques milliards d'années, ont accumulé del'hélium produit par les cycles PP et CNO. Pourquoi faut-il attendre si longtemps ?Parce que lors de la génération des premiers noyaux d'hélium, la température estencore trop basse.

Comme un noyau d'hélium occupe moins de place que quatre protons, l'étoile secontracte au fur et à mesure de la production d'hélium. Cette contraction entraîneune élévation de la température au cœur de l'étoile. Inversement, l'élévation detempérature s'oppose de plus en plus à cette contraction. Les deux effets évoluentvers un équilibre et l'étoile atteint une certaine stabilité.

Toutefois, si la masse de l'étoile est suffisante, l'état d'équilibre qui est atteint estcaractérisé par une température et une densité de la matière qui autorisent laréaction triple alpha :

4 4 8

8 4 12He He Be

Be He C

+ → +

+ → +

γ

γ

Le 8Be produit lors de la première étape est instable est retourne sous forme dedeux noyaux d'hélium en 2,6·10-16 secondes. Néanmoins, sous les conditionsd'équilibre de la réaction, il existe toujours une petite quantité de 8Be capable decapturer un autre noyau d'hélium. Cette conversion de trois noyaux d'hélium ouparticules alpha en carbone est appelée réaction triple-alpha (1).

Dans la suite du processus, certains noyaux de carbone peuvent se fusionner avecdes noyaux d'hélium additionnels en produisant un isotope stable d'oxygène et del'énergie :

12 4 16C He O+ → + γ

2.3.3. Fusions du Carbone et du Néon

À la fin de la phase de fusion de l'hélium, le cœur de l'étoile est donc composémajoritairement de carbone et d'oxygène. Nous pouvons reprendre le mêmeraisonnement que ci-dessus : un noyau de carbone occupe moins de place que troisnoyaux d'hélium; il en va de même pour l'oxygène.

L'étoile se contracte donc au fur et à mesure de la consommation de l'hélium. Lacontraction s'accompagne d'une élévation de température et l'étoile évolue vers unnouvel état d'équilibre. Toutefois, si la masse de l'étoile est suffisante, la

1 Vu les conditions de réaction, on peut affirmer qu'aucun atome de carbone ne fut produit lors du Big Bang

car la température baissa rapidement en dessous de la température nécessaire à cette fusion.


H. Schyns 2.6

température et la densité finissent par atteindre des valeurs qui permettentsuccessivement les fusions du carbone et du néon.

La fusion du carbone s'amorce quand la température au cœur de l'étoile dépasse109 K. Trois réactions principales se produisent :

12 12 23 1

12 12 20 4

12 12 23

C C Na H p

C C Ne He

C C Mg n

+ → +

+ → +

+ → +

( )

( )α

Si la température du cœur de l'étoile reste proche de 109 K, les deux premièresréactions sont favorisées. Si au contraire, elle s'élève au-dessus 1.1·109 K, alors laproduction de Mg devient prédominante.

On refait une fois de plus le même raisonnement : avec la consommation ducarbone, le cœur se contracte, la température s'élève. L'étoile pourrait en rester làsauf si sa masse est telle que la température au cœur dépasse 1.2·109 K car dansces conditions, les noyaux de néon ont suffisamment d'énergie pour subir desréactions de décomposition et de fusion :

20 16 4

20 4 24Ne O He

Ne He Mg

+ → +

+ → +

γ

γ

2.3.4. Fusion de l'Oxygène

La phase suivante fait intervenir cette fois les atomes d'oxygène.

La dernière contraction du cœur de l'étoile a conduit celui-ci à atteindre unetempérature de plus de 2·109 K. À cette température, les atomes d'oxygènefusionnent, et trois principales réactions ont lieu :

16 16 31 1

16 16 28 4

16 16 31

O O P H

O O Si He

O O Si n

+ → +

+ → +

+ → +

Les particules alpha, les neutrons, et les protons libérés lors de ces trois réactionsont suffisamment d'énergie pour participer à la synthèse d'autres éléments. On vadonc voir apparaître lors de cette phase un grand nombre d'éléments.

Notons que la réaction dans laquelle l'oxygène se combinerait lui aussi avec uneparticule alpha pour former un atome de néon est plus difficile :

16 4 20O He Ne+ → + γ

En fait, nous avons vu au point précédent que c'est plutôt la réaction inverse(décomposition du néon) qui se produit. On en déduit que la nucléosynthèsestellaire produit de grande quantité de carbone et d'oxygène mais ce n'est qu'unepartie de ces éléments seront qui à leur tour convertis en néon et en éléments pluslourds par capture d'un noyau d'hélium.


H. Schyns 2.7

2.3.5. Fusion du Silicium

Une fois l'oxygène épuisé, se termine la dernière phase de fusion d'éléments aucœur de l'étoile : la fusion du silicium.

L'étoile s'est à nouveau contractée et la température du cœur atteint près de2·109 K. Les atomes de silicium fusionnent à leur tour :

2 28 56Si Fe→ + γ

D'autre part, les noyaux de silicium sont aussi brisés par les photons gammaprésents. Ils libèrent des neutrons, des protons et des particules alpha (hélions) quivont interagir avec d'autres atomes présents pour former tous les éléments jusqu'aufer.

2.3.6. Résumé

Il faut signaler que, lors de cette succession de réactions nucléaires, la matièredevient de plus en plus dense et les noyaux de plus en plus volumineux. Laprobabilité de collision est donc de plus en plus forte et les réactions sont de plus enplus rapides.

Masse de l'étoile[masse solaire ou Ms]

0,3 Ms 1 Ms 25 Ms

Fusion de l'hydrogène 8.1011 années 1.1010 années 7.106 annéesFusion de l'hélium S'arrête avant 500 000 ansFusion du carbone S'arrête avant 200 ansFusion du néon 1 anFusion de l'oxygène 5 moisFusion du silicium 1 jour

Une étoile de type solaire ne produira rien de plus que de l'hélium, du carbone et del'oxygène puisque les conditions de température et de densité sont insuffisantespour aller plus loin.

Dans les étoiles dont la masse initiale est supérieure à 9 masses solaires, on trouveles conditions nécessaires pour réaliser la synthèse du néon, du silicium, dumagnésium, du soufre, et ainsi de suite, jusqu'au fer

2.4. Nucléosynthèse dans les supernovae

La nucléosynthèse stellaire ne produit pas d'éléments plus lourds que le fer (Z=26).

En effet, le fer est l'élément le plus stable du tableau périodique : les réactions defusion qui produisent des éléments plus légers que le fer sont exothermiques,tandis que les réactions de fusion qui produisent des éléments plus lourds que le fersont endothermiques.

C'est dans le noyau de fer que les protons et neutrons (nucléons) ont la plus forteénergie de liaison (fig. 2.4) .


H. Schyns 2.8

fig. 2.4 Energie de liaison par nucléon

Le fer qui est au cœur de l'étoile ne peut pas subir de fusion pour se transformer enun autre élément car il faudrait lui fournir de l'énergie or l'étoile a épuisé soncombustible nucléaire. A ce stade la température est de l'ordre de 6·109 K; lesnoyaux de fer vont être cassés par les rayons gamma :

56 413 4Fe He n+ → +γ

Cette réaction va prendre de l'énergie au milieu, et non pas en fournir. Très vite, enquelques secondes selon la masse de l'étoile, le cœur va refroidir (1) et la gravitationva l'emporter. Le cœur s'effondre brutalement sur lui-même en entraînant lescouches externes de l'étoile. Cet effondrement produit une énergie mécaniqueénorme; la densité du cœur augmente, jusqu'à atteindre la densité des noyauxatomiques, ce qui est le maximum possible. Comme la densité ne peut plusaugmenter, la matière qui continue à s'effondrer sur le cœur rebondit et crée uneonde de choc qui balaie l'étoile du centre vers les couches externes. Ceci a poureffet de faire exploser l'étoile en un phénomène extrêmement lumineux : lasupernova.

L'effet secondaire est une élévation de la température suffisante pour relancer lesprocessus de fusion nucléaire (2). C'est lors de l'explosion de la supernova que tousles éléments plus lourds que le fer sont synthétisés et éjectés dans l'espaceinterstellaire (3).

Cette nucléosynthèse explosive, se déroule selon deux scénarios principaux : leprocessus R (pour Rapide) et le processus S (pour Slow).

2.4.1. Processus R

Un problème auquel la nucléosynthèse doit faire face est la barrière générée par lesforces de Coulomb : plus le nombre atomique de l'élément est élevé, plus le noyaucontient de protons et plus sa charge est importante. Dès lors, il devient de plus enplus difficile de fusionner deux noyaux pour former un nouvel élément.

Le seul mécanisme susceptible d'accroître la masse d'un noyau est la capture deneutrons qui, étant neutres, ne subissent pas de forces de répulsionélectrostatiques.

1 Tout est relatif, la température reste quand même supérieure au million de degrés !2 Ces fusions sont toujours endothermiques mais entre-temps, l'étoile profité de la transformation de

l'énergie potentielle en énergie cinétique des noyaux qui se sont précipités de la périphérie vers sontcentre.

3 Ceci peut notamment expliquer pourquoi la plupart des météorites sont faites de fer.


H. Schyns 2.9

Le processus R se passe à haute température dans un milieu dans lequel le flux deneutron est extrêmement élevé : jusqu'à 1020 neutrons par cm² et par seconde.

Les noyaux qui sont bombardés par un tel flux captent des neutrons et forment desisotopes de plus en plus lourds mais aussi de plus en plus instables.

Noyau(Z, m) + n Ö Noyau(Z, m+1) + γ

Cette réaction est cependant soumise à l'équilibre car, à cette température, lesphotons γ ont une énergie suffisante pour initier la réaction inverse.

A un certain moment, le noyau instable subit une désintégration β− dans laquelle unneutron se transforme en proton et anti-neutrino selon le mécanisme déjà mentionnéau point 2.2 (1) :

n p e e→ + +− ν

Cette réaction augmente le numéro atomique du noyau d'une unité sans pour autantmodifier sa masse. Le noyau devient plus stable mais il reste riche en neutrons.

Noyau Z m Noyau Z m e e( , ) ( , )→ + + +−1 ν

On comprend que la formation d'éléments lourds va dépendre des vitesses relativesde capture des neutrons et de leur désintégration dans le noyau. Il se fait que lavitesse de formation des isotopes instables est beaucoup plus élevée celle de ladésintégration β qui s'ensuit (d'ou la dénomination de processus R). Ceci signifieque ce processus peut atteindre et même franchir des zones d'instabilité et produireles éléments les plus lourds du tableau périodique.

fig. 2.5 Nucléosynthèse selon le Processus R (source : Cowan)

Ce cheminement est illustré à la fig. 2.5. Les isotopes stables vis-à-vis d'unedésintégration β occupent la courbe noire qui forme la limite supérieure de l'arc-en-ciel. Cette limite est nommée "vallée de stabilité". Partant d'un noyau à Z donné, leprocessus R engendre les isotopes situés de plus en plus à droite sur une même

1 Un mécanisme similaire, mettant en oeuvre une désintégration β+, a été développé pour le cycle CNO

(point 2.3.1)


H. Schyns 2.10

horizontale. La désintégration β provoque un déplacement diagonal (-1 neutron,+1 proton). La ligne violette au milieu de l'arc-en-ciel montre un chemin typique d'unnoyau subissant le processus R. Les doubles lignes verticales et horizontalescorrespondent aux "nombres magiques" (2,8,20,28,50,82,126) pour lesquels lesnoyaux atteignent une couche complète en neutrons (ou protons)exceptionnellement stable (1).

2.4.2. Processus S

Le processus S est assez similaire au processus R mais il se produit à destempératures et des densités de neutrons bien moindres. Il aurait lieuprincipalement dans les géantes rouges.

Dans le processus S le flux de neutron est relativement faible (de l'ordre de 105 à1011 neutrons par cm² et par seconde). De ce fait, la réaction de capture desneutrons est plus rare que dans le processus R. Le temps qui s'écoule entre deuxcaptures successives de neutrons par un même noyau est donc beaucoup plusgrand. Pendant ce laps de temps, les neutrons captés ont la possibilité setransformer en protons par désintégration β. Par consιquent, les noyaux nes'écarteront jamais beaucoup de la "vallée de stabilité" et l'arc-en-ciel de la fig. 2.5sera plus étroit.

Dans le processus R, les noyaux évoluent selon des échelles de temps de l'ordre dela seconde. Le processus S, par contre, l'échelle de temps est de l'ordre dequelques milliers d'années.

Le processus S se subdivise en trois branches en fonction des conditions detempérature et de la densité du flux de neutrons :

- une branche "faible", qui produit les noyaux ayant une masse comprise entre 56et 87 inclus;

- une branche "principale", qui produit les noyaux ayant une masse compriseentre 88 et 207 inclus.

- une branche "forte", qui produit les noyaux de 208Pb et de 209Bi. Ce dernier sedésintègre et clôture la chaîne du processus S selon le schéma suivant :

209 210

210 210

210 206 4

Bi n Bi

Bi Po e

Po Pb He

+ → +

→ +

→ +

−

γ

208Pb est stable, mais 206Pb peut à nouveau capter des neutrons et repartir pour untour, si bien que le cycle provoque une accumulation de 208Pb.

Le processus S ne peut dons pas produire les éléments les plus lourds du tableaupériodique.

2.5. Nucléosynthèse interstellaire

Tous les processus décrits jusqu'ici avaient pour effet l'augmentation de la masse dunoyau atomique. La spallation cosmique (2) ou nucléosynthèse interstellaire, au

1 L'expression "nombres magiques" vient du fait qu'à ce jour, aucune explication entièrement satisfaisante

n'a été fournie sur le pourquoi de ces valeurs particulières.2 De l'anglais "to spall" qui signifie "éclater".


H. Schyns 2.11

contraire, produit des éléments légers tels que le lithium et le bore, parbombardement de noyaux lourds par des rayons cosmiques. Il s'agit d'un processusde fission nucléaire et non plus de fusion.

Le rayons cosmiques sont des particules chargées, allant des électrons auxparticules α (4He). Une particule de haute énergie (de 100 MeV à 1 GeV) quipercute un noyau le fait littéralement exploser. Le noyau percuté est fragmenté ennucléides de masse plus petite et expulse un grand nombre de protons et neutrons.Ce processus peut se produire n'importe où dans l'univers et pas seulement àproximité d'une étoile ou d'une supernova. En particulier, il a aussi lieu dans lahaute atmosphère terrestre.

Plusieurs éléments légers tels que le lithium et le bore ainsi que certains isotopes del'aluminium, du béryllium, du carbone (14C), du chlore , de l'iode et du néon sontformés par spallation cosmique.

2.6. Conclusion

Notre planète, tout ce qui s'y trouve et tout ce qui y vit est formé d'atomes. Ceux-ciont été créés lors de la formation, de l'évolution et de l'explosion d'une (ou plusieurs)étoiles aujourd'hui disparue(s). Pour Hubert Reeves, célèbre astrophysicien etphilosophe, nous sommes donc tous de la poussière d'étoile et il en va de mêmepour tout ce qui nous entoure.

Matériaux métalliques 3 - Histoire des métaux

H. Schyns 3.1

3. Histoire des métaux

3.1. Aperçu

Paléo-lithique

Méso-lithique

Néo-lithique

Chalco-lithique

Bronzeancien

Bronzemoyen

Bronzefinal

Hallstatt La Tène

Age de la pierre Age ducuivre Age du bronze Age du fer

Temps Ù

3.2. Âge du cuivre

L'âge du Cuivre désigne souvent – abusivement – une période intermédiaire de lapréhistoire entre les industries lithiques et osseuses caractéristiques du Néolithiqueet l'industrie métallurgique naissante qui apparaît à l'âge du Bronze.

En réalité, dans les cultures du chalcolithique (1), des minerais tels que l'or, l'argentet le cuivre sont exploités dans le cadre d'un artisanat secondaire, l'essentiel de laproduction demeurant en pierre et en os.

En Europe occidentale, l'âge du Cuivre s'étend approximativement de -2500à -1800. Initialement, la diffusion d'un artisanat du cuivre dans ces régions pourraits'être faite depuis la mer Egée grâce aux échanges commerciaux le long du coursdu Danube.

3.3. Âge du bronze

Le bronze est le nom générique des alliages de cuivre et d'étain. La métallurgie dubronze, caractéristique du premier véritable âge des métaux est à l'origine denombreux bouleversements techniques, économiques et sociaux.

Aujourd'hui, il est admis que cette période succède à l'âge du cuivre ouchalcolithique et précède l'âge du fer. Par convention, il est admis que l'âge dubronze s'étend de -2500 à -1000. Toutefois, comme pour les autres périodes de lapréhistoire, les limites chronologiques de l'âge du Bronze varient considérablementselon l'aire culturelle et selon l'aire géographique considérées.

3.4. Âge du fer

L'âge du fer désigne à l'origine une période de la protohistoire européennecaractérisée par l'usage de la métallurgie du fer.

Aujourd'hui, il est admis que cette période succède, en Europe et au Proche-Orient,à l'âge du bronze et précède l'entrée des civilisations concernées dans l'histoire.L'âge du fer débute vers 1100 av. J.-C dans le monde méditerranéen et vers 800 à700 av. J.-C dans le nord de l'Europe.

Ici aussi, les limites chronologiques de l'âge du fer varient largement selon lasituation géographique et les cultures.

1 Du grec "khalkos" qui signifie cuivre.

Matériaux métalliques 4 - Extraction et Préparation

H. Schyns 4.1

4. Extraction et Préparation

4.1. Occurrence des métaux

Les métaux se trouvent généralement sous la forme de minerais.

Un minerai (latin: minera = mine) est une roche contenant des minéraux utiles enproportion suffisamment intéressante pour justifier l'exploitation, et nécessitant unetransformation pour être utilisé par l'industrie.

Il existe plus de 4 000 minéraux connus, qui sont classés principalement d'après descritères chimiques et cristallographiques. Leur composition chimique permet de lesgrouper en neuf familles principales :

1- les éléments natifs,ex : Ag, Cu, Au, Pt;

2- les sulfures,ex : la galène (PbS), la sphalérite (ZnS) et la pyrite (FeS2);

3- les oxydes et hydroxydes,ex : la magnétite (Fe3O4), le corindon (α−Al2O3) ou la goethite (FeO(OH));

4- les haloïdes (chlorures et fluorures),ex : la halite (sel gemme) (NaCl), la sylvite (KCl) et la cryolite (Na3AlF6);

5- les carbonates, nitrates, borates,ex : la malachite Cu2(CO3)(OH)2, la calamine (ZnCO3), la dolomie (CaMg(CO3)2)

6- les sulfates, chromates, molybdates,ex : le gypse (CaSO4.2H2O), la baryte (BaSO4) ou l'anglésite (PbSO4)

7- les phosphates, arséniates, vanadates,ex : la monazite ((Ce,La,Th)PO4) et l'autunite (Ca(UO2)2(PO4)2.10-12H2O

8- les silicates,ex : la serpentine Mg3Si2O5(OH)4 et la garniérite (Ni,Mg)4Si6O15(OH)2·6H2O

9- les minéraux organiques.

Les éléments natifs sont composés d'un seul élément chimique plus ou moins pur,naturellement présent dans la croûte terrestre comme l'or, le cuivre, le platine.

Cette classe comprend environ 108 espèces et variétés, réparties en troissous-classes :

- métaux (Ag, Cu, Au, Pt) ;- les semi-métaux (Sb, As, Bi, Te) ;- les métalloïdes (diamant, graphite, soufre).

La plupart des éléments natifs sont rares ou très rares, à l'exception de quelquesmétaux natifs, qui ont joué un rôle important dans la naissance des civilisations. Lefer natif est d'origine météoritique.

Les sulfures sont des minéraux ayant dont la formule générale est MmSp , où M estun métal.

Les sulfures minéraux sont caractérisés par la covalence de la liaison, leur opacité etun éclat métallique. La plupart des sulfures sont semi-conducteurs et représententune source principale de plusieurs métaux. Les plus fréquents sont les sulfures deAg, Cu, Pb, Zn, Fe, Ni, Hg, As, Sb, Mo, Hg.


H. Schyns 4.2

Les arséniures, les antimoniures, les tellurures sont souvent classés parmi lessulfures en raison de leur similarité structurelle.

Les oxydes ont une structure en général cristalline, bien que certains soit amorphes(comme le verre, forme amorphe de la silice). La principale différence entre lesoxydes et les autres composés ioniques (comme les sels) réside dans la liaisonentre les éléments : dans les oxydes cristallisés, les liaisons entre les atomes sontpartiellement ioniques, partiellement covalentes.

Les minerais de nombreux métaux sont sous la forme d'oxyde : Fe, Cu, Al, Sn, Zn,Ti; sans oublier le silicium dont la principale source est la silice SiO2.

Les haloïdes forment des cristaux le plus souvent translucides ou transparents. Lesliaisons y sont ioniques. Ils sont une source importante de métaux alcalins oualcalino-terreux tels que Na, K, Ca, Mg. D'autres métaux tels que Cu, Ag, Pb setrouvent également sous cette forme.

Les carbonates sont souvent présents dans des roches sédimentaires. Ils sont unesource importante de Ca et Mg mais aussi de Fe, Cu, Pb, Zn. Un carbonate naturelimportant d'un point de vue économique est le trona (Na2CO3,NaHCO3,2H2O) utiliséen verrerie.

Les silicates sont des minéraux dont le squelette est essentiellement formé par destétraèdres de silicium et d'oxygène (SiO4

4-)additionnés d’aluminium et autreséléments. Ils constituent 95 % de la croûte terrestre et sont une source importantede silicium. Ni et Be se trouvent également sous la forme de silicates.

4.2. Prétraitements

Les minéraux qui contiennent les métaux ne sont pas isolés mais bien mélangésavec de la matière stérile (non utilisable) appelée gangue. On retrouve typiquementdeux types de gangues : la gangue siliceuse et la gangue calcaire. C'est le mélangede gangue et de minéraux qui constitue le minerai.

La valorisation ou enrichissement des minerais consiste à éliminer aussicomplètement que possible les constituants stériles, de manière à ne laisser que lesminéraux valorisables. En réalité, cette séparation ne sera jamais parfaite. En find'opération, on obtient deux produits : le concentré, riche en minéraux et pauvre engangue, et le rejet, riche en gangue et pauvre en minéraux.

La minéralurgie est l'ensemble de techniques de traitement et d'enrichissement desminéraux. Il peut s'agir de techniques thermiques, physiques, chimiques, etc. Elleest une étape indispensable qui se situe en amont de la métallurgie proprement dite

Le plus souvent, elle comporte deux étapes successives :

- la préparation mécanique, encore appelée comminution, qui comprend unconcassage éventuellement suivi d'un broyage. Elle vise à réduire la dimensiondes particules de minerai à une taille généralement comprise entre 10 et 75 µm.Ces opérations peuvent s'effectuer en plusieurs étapes, avec des criblagesintermédiaires visant selon le cas à éliminer une partie (stérile) du minerai ou àrecycler vers l'amont les plus grosses particules ;

- la séparation proprement dite, dans laquelle les minéraux sont séparés de lagangue. Ce processus est basé sur une propriété physique ou chimique quidifférencie nettement le métal de la gangue.


H. Schyns 4.3

On distingue plusieurs méthodes selon la propriété sur laquelle elles sont basées :

- propriétés optiques ou radioactives,- différence de masses volumiques,- propriétés de surface (flottation),- propriétés magnétiques (surtout pour le fer et le nickel),- propriétés électriques.

La flottation est la méthode la plus utilisée. Elle consiste à disperser le broyat dansun liquide (usuellement de l'eau) et à ajouter des réactifs spécifiques (tensioactifs)qui rendent les minéraux "aérophiles" tout en gardant la gangue hydrophile.

La pulpe ainsi obtenue parcourt un bassin ou une colonne dans laquelle circule unflux de bulles d'air. Les bulles d'air se lient aux minéraux et les entraînent à lasurface. Les minéraux quittent le bassin ou la colonne par débordement tandis quela gangue décante et est extraite par le fond.

Le concentré ainsi obtenu fait souvent l'objet d'un traitement qui vise à réduire laquantité d'eau dans les pulpes : décantation, filtration, épaississement, séchage,calcination, agglomération.

Le concentré passe alors par une étape de raffinage.

4.3. Procédés de raffinage

4.3.1. Classification

Les procédés de raffinage se divisent en deux granges familles

- l'hydrométallurgie,- la pyrométallurgie

L’hydrométallurgie recouvre l’ensemble des procédés d’extraction de métaux parune mise en solution dans des traitements de lixiviation. Le retour à l'état métalliqueest généralement obtenu par électrolyse. Le cuivre, le nickel et le cobalt sontgénéralement produits selon cette filière.

La pyrométallurgie est l'ensemble des traitements dans lesquels le minerai esttraité à haute température (300 à 3000 °C). On distingue généralement une étapede préparation de la charge (p.ex.: grillage ou calcination, agglomération,...) suivied'une étape de réduction et de fusion du métal. C'est typiquement la filière deproduction du fer.

4.3.2. Fusion directe

La fusion directe convient bien pour les métaux qui existent à l'état natif, surtout sileur point de fusion est relativement bas tels que Au (1064 °C) et Cu (1084 °C).

Le minéral est porté à une température un peu supérieure à la température de fusiondu métal (p.ex.: dans un creuset). Le métal fond et s'écoule tandis que la ganguereste solide et forme un dépôt à la surface du métal liquide.

4.3.3. Formation d'amalgame

Un amalgame est un alliage métallique qui se forme facilement, sans chauffage. Ildésigne en général les alliages du mercure avec d'autres métaux.


H. Schyns 4.4

En tant que procédé de raffinage, il est plus particulièrement utilisé dans le cas del'or à l'état natif :

Au + Hg Ù amalgame (solution de Au dans Hg liquide)

L'amalgame est ensuite chauffé; le mercure distille et l'or cristallise.

4.3.4. Lixiviation

La lixiviation revient à laver le minerai mis sous forme de pulpe avec un réactifchimique (p.ex.: l'acide sulfurique). Le rôle du réactif est de dissoudre les métauxintéressants afin de les extraire du minerai solide et de les transférer dans la solutionliquide. On sépare ensuite le liquide enrichi du solide appauvri par décantation,filtration ou centrifugation.

La lixiviation peut être effectuée à température ambiante ou à température plusélevée (p.ex.: 200 °C) afin d'accélérer l'extraction et augmenter la productivité. Dansce dernier cas, il faut opérer sous pression afin d'empêcher le liquide de bouillir.

Ce procédé s'applique aussi bien aux métaux natifs qu'aux autres formes chimiques.Le principal problème est de trouver le réactif adéquat.

cas de Au :On utilise des cyanures pour former un complexe soluble :

4 Au + 8 CN– + O2 + 2 H2O Ù 4 [Au(CN)2] – + 4 OH–

On précipite ensuite Au soit par électrolyse, soit par ajout de Zn

2 [Au(CN)2] – + Zn Ù [Zn(CN)4]

2– + 2 Au ↓

A partir de l'or brut obtenu, on obtient de l'or pur (>99,95 %) par voie électrolytique.

cas de Ag :La méthode est pratiquement identique à celle utilisée pour l'or :

4 Ag + 8 CN– + O2 + 2 H2O Ù 4 [Ag(CN)2] – + 4 OH–

on peut aussi former des cyanures à partir du chlorure ou du sulfure

AgCl + 2 CN– Ù [Ag(CN)2] – + Cl–

Ag2S + 4 CN– Ù 2 [Ag(CN)2] – + S2–

La deuxième étape est identique à celle de l'or.

4.3.5. Grillage

Le grillage s'applique principalement aux sulfures car, contrairement aux oxydesmétalliques, ils ne peuvent généralement pas être directement réduits à un étatmétallique.

Le grillage consiste à chauffer le concentré de sulfure à une température de 600 à700 °C en présence d'air. L'oxygène de l'air oxyde le sulfure de métal et le convertiten oxyde tandis que le soufre est transformé en anhydride sulfureux. L'oxyde estégalement débarrassé du phosphore et de l'eau.


H. Schyns 4.5

Ce traitement est effectué dans un lit fluidisé qui consiste essentiellement en unecolonne à la base de laquelle l'air est insufflé à une vitesse suffisante pour maintenirles particules minérales en suspension.

Les produits solides issus du traitement sont ensuite liquéfiés dans un fourneau.

Cas de Fe

4 FeS2 (pyrite) + 11 O2 Ù 2 Fe2O3 + 8 SO2

Cas de Zn

2 ZnS (blende) + 3 O2 Ù 2 ZnO + 2 SO2

Cas de Cu

2 Cu2S + 3 O2 Ù 2 Cu2O + 2 SO2

Dans une deuxième étape, on fait réagit l'oxyde obtenu avec le sulfure afin d'obtenirle métal à l'état fondu :

Cu2S + 2 Cu2O Ù 6 Cu + SO2

Cas de Hg

HgS (cinabre) + O2 Ù Hg + SO2

4.3.6. Calcination

La calcination s'applique surtout aux carbonates et aux hydroxydes afin de lesdécomposer et les ramener à l'état d'oxydes qui seront réduits à l'état métalliquedans une étape ultérieure.

La réaction ne fait appel à aucun réactif particulier; elle ne nécessite que de lachaleur. Elle est le plus souvent conduite dans un long four rotatif, vers 1 000 à1 200 °C.

Cas de Ca et MgLes calcaires et dolomies calcinées sont les principales sources de Ca et Mg. Leprocédé est utilisé dans la fabrication du ciment et de la chaux.

(Ca, Mg)CO3 Ù CaO + MgO + CO2

Cas de Zn

ZnCO3 Ù ZnO + CO2

Cas de Al

2 Al(OH)3 Ù Al2O3 + H2O

4.3.7. Traitement à la chaux vive

Les silicates sont ne sont généralement fusibles qu'à haute température etrelativement inertes. Pour isoler le métal associé, il est nécessaire de déplacer lesilicate par ajout de chaux vive. On obtient un oxyde métallique qui sera réduit dansune étape ultérieure.

Cas de Mn

MnSiO3 + CaO Ù CaSiO3 + MnO


H. Schyns 4.6

4.3.8. Carboréduction

La carboréduction est le procédé le plus utilisé pour réduire les oxydes à l'étatmétallique. Elle consiste à transférer l'oxygène de l'oxyde métallique vers lecarbone, sous forme de CO2.

Elle s'applique à la plupart des métaux selon le schéma général :

MOx + x C Ù M + x CO

Cette réaction a généralement lieu à haute température dans un fourneau.

Cas de Fe

La carboréduction du fer dans les hauts-fourneaux est détaillée au chapitre 5.3.

Cas de Sb

L'oxyde d'antimoine obtenu à partir du sulfure par calcination ou à partir de cendresvolantes est réduit avec du carbone:

Sb2O3 + 3 C Ù 2 Sb + 3 CO

4.3.9. Réductions chimiques particulières

Le carbone n'est pas suffisamment réducteur vis-à-vis des oxydes de certainsmétaux tels que Ti et Cr qui précèdent le fer dans le tableau périodique. On doitalors effectuer la réduction à l'aide d'autres éléments ou métaux plus électropositifs :

Cas de TiDans le procédé Kroll, l'oxygène est d'abord déplacé par le chlore et se retrouve fixésur du carbone (le carbone seul ne peut suffire)

2 FeTiO3 (ilménite) + 7 Cl2 + 6 C Ù 2 TiCl4 + 2 FeCl3 + 6 CO

Le chlorure de titane, qui a un point d'ébullition de 136.4 °C, est facilement séparépar distillation. Il est ensuite réduit par Mg ou Al à 950 °C

TiCl4 + 2 Mg Ù Ti + MgCl2

Cas de CrCr est disponible sous forme de chromate d'un métal. Il faut d'abord déplacer demétal par chauffage :

2 FeCr2O4 + 8 NaOH + 7/2 O2 Ù Fe2O3 + 4 Na2CrO4 + 4 H2O

puis isoler le Cr sous forme d'oxyde

2 Na2CrO4 + 3 C Ù Cr2O3 + 2 Na2O + 3 CO

puis réduire l'oxyde par l'Al

Cr2O3 + 2 Al Ù 2 Cr + Al2O3

Cas de Mn

La réduction par Al est aussi employée pour obtenir le manganèse :

3 Mn3O4 + 8 Al Ù 4 Al2O3 + 9 Mn


H. Schyns 4.7

Cas de Sb

Bien que Sb ne soit pas particulièrement électropositif, il est isolé à partir de sonsulfure par fusion en présence de fer :

Sb2S3 + 3 Fe Ù 2 Sb + 3 FeS

4.3.10. Réduction par l'hydrogène

La réduction directe par l'hydrogène peut être utilisée dans le cas de certainshalogénures (chlorures) :

Cas de Sb

2 SbCl3 + 3 H2 Ù Sb + 6 HCl

4.3.11. Electrolyse

L'électrolyse est utilisée, entre autres, pour réduire les métaux très électropositifscomme l'aluminium.

Par définition, la cathode est l'électrode où a lieu la réduction (–) tandis que l'anodeest l'électrode où a lieu l'oxydation (+).

Cas de Al

On utilise un bain de cryolithe fondue (Na3AlF6) qui n'intervient pas dans la réactionmais permet à l'alumine (Al2O3) de se dissoudre et de se dissocier en ions. L'anodeest en carbone afin de capter les ions d'oxygène :

2 Al2O3 + 3 C Ù 2 Al + 3 CO2

4.3.12. Choix du réducteur

Le choix de l'agent réducteur peut être effectué grâce au diagramme de Ellingham(fig. 4.1). Chaque ligne de ce diagramme se rapporte à une équation d'oxydo-réduction d'un métal (ou d'un oxyde) par l'oxygène. Ce sont des réactions du type :

n Me + 2m O2 Ù MenOm

Les lignes représentent la variation d'enthalpie libre de formation de Gibbs (∆G) enfonction de la température (T) :

∆Gf = ∆Hf – T∆Sf

La pente de chaque droite est donc égale à la variation d'entropie (∆Sf) de laréaction.

Considérons une paire quelconque de droites du diagramme (p.ex. Ni et Cu). Parconstruction, le diagramme nous indique que la forme réduite (métal) de la droiteinférieure permet de réduire la forme oxydée (oxyde) de la droite supérieure. Dansle cas de l'exemple, il est possible de réduire CuO et Cu2O par Ni à n'importe quelletempérature pour obtenir du Cu et du NiO.

Les lignes plus épaisses nous intéressent plus particulièrement car elles sontrelatives au carbone et au fer. On notera que l'oxydation du carbone en monoxydede carbone est la seule droite de pente négative représentée. Son intersection avec


H. Schyns 4.8

les autres droites donne les points d'équilibre chimique et thermodynamique de lacarboréduction.

Le diagramme nous indique qu'il est possible de réduire FeO par C pour former Feet CO pour autant que la température soit supérieure à 700°C. Par contre, pourréduire Fe2O3, il suffit que la température atteigne une centaine de degrés.

Lorsque plusieurs réactions concurrentes sont possibles, ce sont celles quiprésentent le plus grand écart vertical qui ont lieu. Si un milieu contientsimultanément Fe2O3, Fe3O4 et FeO en présence de C, la première réaction quiaura lieu sera la réduction de Fe2O3. Lorsque tout Fe2O3 sera réduit, la réaction deréduction de Fe3O4 pourra avoir lieu à condition d'élever la température au-dessusde 650°C, et ainsi de suite.

C'est précisément ce qui se passe dans un haut-fourneau.

fig. 4.1 Diagramme de Ellingham des enthalpies libres de réaction

On voit aussi que certains métaux pourront difficilement être obtenus parcarboréduction. Dans ce cas, on pourra utiliser de l'aluminium, du magnésium ou dusilicium dont les droites (non représentées) sont situées plus bas dans lediagramme.


H. Schyns 4.9

4.4. Conclusion

L'idée générale du schéma de production des métaux consiste à traiter le mineraipour en extraire une fraction enrichie. Le minéral est ensuite traité pour être convertien un oxyde. Cet oxyde est alors réduit par carboréduction ou par un autre procédétel que l'électrolyse. Ce schéma général ne tient pas compte des cas particuliersdont il a été question ci-dessus.

Electrolyseou autre

Carboréduction

Grillage

Calcination

Calcination

Oxydes

Hydroxydes

Carbonates

Sullfures

MétalEnrichis-sement

Extraction

fig. 4.2 Schéma simplifié de production des métaux

Matériaux métalliques 5 - Les aciers et les fontes

H. Schyns 5.1

5. Les aciers et les fontes

5.1. Introduction

Le fer est par importance le quatrième élément constituant l'écorce terrestre; celle-cien contient 5,63 % jusqu'à une profondeur de 16 km.

Ainsi qu'il a été dit plus haut, le fer a déjà été découvert dès la préhistoire. Lepremier fer utilisé (environ 4.000 ans avant Jésus-Christ) provientvraisemblablement de météorites dans lesquels le fer apparaît à l'état naturel. Onpeut raisonnablement dire que le fer est le métal qui a eu le plus d'influence surl'évolution technique des civilisations.

Malheureusement le fer pur présente des caractéristiques mécaniques trop faiblespour pouvoir être utilisé tel quel. Ainsi, un barreau cylindrique de 1 mm² de sectionen fer se rompra si on y suspend un poids de 12 kilos. La résistance à la tractionvaut 120 MPa (1) (fig. 5.1).

fig. 5.1 Courbe d'essai de traction du fer pur.

En général, pour palier cette faiblesse des métaux purs, on a recours des mélangesnommés alliages.

Dans le cas du fer, les alliages les plus importants sont ceux qui allient le fer aucarbone utilisé dans le procédé de réduction par carboréduction (cf 4.3.8). Ondistingue deux grandes catégories :

- les aciers : alliages qui contiennent moins de 2.00 % en masse de carbonedans le fer;

- les fontes : alliages qui contiennent plus de 2.00 % en masse de carbone.

Dans les paragraphes suivants, nous développerons les techniques de productionainsi que les aspects micro- et macroscopiques de ces deux familles.

1 Jadis, la résistance des matériaux s'exprimait en kgf / mm2. Cette unité s'interprétait de manière assez

intuitive comme le poids maximal que l'on peut suspendre à un fil d'une section de 1 mm2 sans enprovoquer la rupture. Dans le système international, l'unité de force est le Newton (N); l'unité de surface, lem2, et le rapport des deux est une pression qui s'exprime en pascal (Pa).1 kgf / mm2 ≅ 10 N / mm² = 10 MPa.


H. Schyns 5.2

5.2. Minerais

Le fer est présent dans un grand nombre de minéraux répartis dans le monde entier.Il apparaît sous la forme d'oxydes, de sulfures, de carbonates, de nitrates et desilicates. Les minéraux les plus importants sont :

- la goethite α FeO(OH)- la lépidocrocite γ FeO(OH)- l'hématite α Fe2O3

- la limonite FeO(OH).nH2O- la magnétite Fe3O4 (en fait FeO + Fe2O3 )- la pyrite FeS2

- la sidérite FeCO3

- l'ilménite FeTiO3

Les trois premiers sont les plus fréquents.

L’hématite α-Fe2O3 est l’oxyde de fer le plus stable d’un point de vuethermodynamique. Il n’est pas étonnant de le trouver en abondance dans la nature.Le cristal d'hématite est rhomboédrique mais ses formes de cristallisation dépendentde la température de solidification. C’est un oxyde qui contient jusqu’à 73% de fer.Il est le minerai de fer type. On trouve l'hématite dans des veines, des couches etdans les "chapeaux de fer" (formations géologiques particulières). Sa couleur rouge-brun à l’état pulvérulent, est à l’origine de son nom (du grec haima : sang) mais lescristaux ont une couleur gris métallique brillant.

5.3. Production du fer

5.3.1. Bref aperçu historique

Pendant longtemps, le fer a été produit dans des bas-fourneaux. Une technique surlaquelle nous ne nous attarderons pas car elle produisait un matériau de qualité trèsinégale.

Le lieu et la date d'apparition des hauts-fourneaux ne sont pas encore établis aveccertitude ; ils semblent avoir été connus au XIVe siècle dans la région de Liège. Desstructures fouillées en Suède et datée du XIIIe siècle pourraient également être desfourneaux de ce type. Ils se généralisent au XVe siècle dans la plus grande partiede l'Europe du Nord.

Un haut-fourneau est un four à combustion interne, destiné à la fabrication de lafonte à partir du minerai de fer par carboréduction. Dans une deuxième étape, lafonte est affinée (décarburée) par chauffage et injection d'air, ce qui permet deproduire de l'acier et des dérivés ferreux.

Les premiers hauts-fourneaux utilisaient du charbon de bois comme source decarbone. En 1709 Darby (Anglais) réussit la première coulée de fonte en remplaçantle charbon de bois (devenu rare) par du coke (charbon cuit). Ce procédé segénéralisa en Grande-Bretagne dès 1750 grâce à la machine à vapeur de Watt quipermettait d'extraire la houille en grande quantité.

L'affinage ou puddlage se pratiquait dans des fours à réverbères (1) dans lesquels lafonte liquide était brassée au moyen d'une grande perche (un travail extrêmement

1 Le four à réverbère se compose d'un foyer, où l'on brûle les combustibles, et d'un bassin adjacent (le

laboratoire) où l'on place les substance à traiter. La chaleur du foyer est réverbérée par la voute vers le. /.


H. Schyns 5.3

pénible). Dans ce procédé, la réaction d'oxydation du carbone grâce à l'oxygène del'air et l'évacuation du CO2 formé ne se passe qu'à la surface du liquide. La fonte, enperdant son carbone, se transformait progressivement en acier, puis en fer. En1836, l'invention du brassage mécanique permet d'augmenter la production. Ellepasse à plus de 600 tonnes par an (UK).

En 1856 l'Anglais Bessemer invente le convertisseur, cornue destinée à contenir lemétal liquide. Un courant d'air y est forcé au travers du bain de fonte et la réaction sepasse dans la masse et non plus simplement à la surface.

L'invention des récupérateurs de chaleur permet de préchauffer l'air insufflé dans leshauts-fourneaux. Les températures augmentant, les réactions sont poussées plusloin et sont plus rapides ce qui entraîne une augmentation de la production à près de2 000 tonnes par an. Cet essor permettra à l'architecture métallique et aux cheminsde fer connaître le développement que l'on sait.

Aujourd'hui, un haut-fourneau peut fournir plus de 10 000 tonnes de fonte par jour.

5.3.2. Le haut-fourneau

Le haut-fourneau actuel est un réacteur chimique continu. Malgré son aspectmassif, c'est une pièce d'équipement très bien adaptée à sa fonction. Il se composede différentes parties (fig. 5.2) :

fig. 5.2 Schéma d'un heut fourneau avec un de ses réchauffeurs d'air

- La cuve, de forme cylindrique élargie dans le quart inférieur, est constituée debriques réfractaires soutenues par une armature extérieure de poutrellesmétalliques.

- Le chargement s'effectue par le haut appelé "gueulard" (minerai de fer, déchetsferreux, coke, dolomie et additifs).

- La récupération de la fonte (ang.: cast iron) s'opère par le trou de coulée situéau point inférieur du fourneau.

laboratoire. Ce dispositif permet un meilleur contrôle de la combustion et évite de polluer les substances àtraiter.


H. Schyns 5.4

- Les gangues inertes (scories) forment un laitier liquide (ang.: slag) qui flotte à lasurface de la fonte. Leur évacuation s'effectue par un trou de couléediamétralement opposé à celui de la fonte et plus haut.

- Une injection d'air est effectuée au plus large du four, afin d'entretenir lacombustion du charbon, permettant ainsi la fusion de tous les éléments.

5.3.3. Les réactions chimiques

La première fonction du haut-fourneau est de réduire le fer présent sous formed'oxydes en fer métallique. Sa seconde fonction est de carburer le fer pur demanière à produire de la fonte.

L'agent réducteur est le monoxyde de carbone. Il est produit par la succession desdeux réactions suivantes :

CO2CCOCOOC

2

22

→+→+

La deuxième réaction est connue sous le nom de réaction de Boudouard.

Compte tenu de l'excès de carbone et de la température, il y a conversion de latotalité de l'oxygène en monoxyde de carbone. Le bilan global s'écrit :

CO2OC2 2 →+

Dans le haut du fourneau, quand le minerai est encore humide, le carbone réagitavec l'eau pour produire de l'hydrogène :

22 HCOOHC +→+

L'hydrogène est un agent de réduction secondaire, susceptible de réagit aussi avecles oxydes de fer. il se retrouvera dans les gaz qui quittent le haut-fourneau et ilaugmentera leur pouvoir calorifique.

Le carbone est amené sous forme de coke. Il a donc deux fonctions :

- par combustion, il produit l'agent réducteur par combustion notamment en sortiedes tuyères. La réaction est fortement exothermique, on atteint destempératures de 2200°C.

- Il consomme le dioxyde de carbone (CO2) produit par la réduction des oxydesde fer (c) pour régénérer l'agent réducteur (CO) des oxydes de fer.

La température qui règne dans le haut-fourneau varie en fonction de la hauteur dansla cuve (de haut en bas) :

- 300 °C au niveau du gueulard, phase de dessication;- 400 °C à 800 °C, phase de réduction;- 900 °C à 1 200 °C, phase de carburation;- 1 800 °C, phase de fusion;- 1 600 °C, phase de liquation, lieu des coulées.

Ce profil de température va permettre une série de réactions chimiques qui vontréduire progressivement les oxydes de fer suivant la séquence suivante :


H. Schyns 5.5

FeFeOOFeOFe 4332 →→→ (1)

- Haut du fourneau : T > 320 °C 24332 COOFe2COOFe3 +→+

- Tiers supérieur : 620°C < T < 950°C 243 COFeO3COOFe +→+

- Tiers médian : T > 950°C 2COFeCOFeO +→+

- Tiers inférieur : 900°C < T < 1200°C CFeCFe3 3→+

Cette dernière réaction est celle de carburation du fer en cémentite.

Plus bas, au niveau des tuyères, il y a régénération de CO par la réaction deBoudouard citée plus haut (1000°C à 1100°C).

Dans la partie inférieure (creuset) la température peut dépasser 1600°C. C'est lazone de fusion et de liquidation du métal.

fig. 5.3 Profil de température et de réactions dans un haut-fourneau

En plus du minerai et du coke, la charge introduite dans le fourneau contient uneforte proportion de carbonates de calcium et de magnésium (dolomie). Cescarbonates permettront de capter la silice et l'alumine du minerai ainsi que d'autresimpuretés. Au fur et à mesure de leur descente, les carbonates sont d'aborddécomposés en oxydes, puis ils réagissent avec la silice (les réactions sontidentiques pour le calcium et le magnésium) :

1 Fe3O4 est en réalité un oxyde mixte formé de FeO et de Fe2O3


H. Schyns 5.6

CaCO3 Ù CaO + CO2

CaO + SiO2 Ù CaSiO3

En effet, à haute température, c'est-à-dire en fin de course, dans le bas du fourneau,la silice pourrait aussi être réduite à l'état métallique et se retrouver dans la fonte, cequi n'est pas toujours souhaité :

SiO2 + 2 C Ù Si + 2 CO

Un autre problème est celui du phosphore, présent dans certains minerais sousforme d'oxyde P4O10 et généralement considéré comme un poison de l'acier. Unepartie est captée lors de la descente dans le fourneau par la dolomie et transforméeen phosphate :

P4O10 + 6 CaO Ù 2 Ca3(PO4)2

mais dans le bas du fourneau, le reste peut être réduit par le carbone :

P4O10 + 10 C Ù 4 P + 10 CO

Compte tenu de la forte présence de carbone au cours du process, le produit obtenuest un alliage fer-carbone de type fonte (taux de carbone supérieur à 2.1 %).

Le métal qui sort de fourneau à 1400°C a typiquement la composition massiquesuivante :

Fe : 94.26% C : 4.7% Mn : 0.5% Si : 0.4% P : 0.1% S : 0.04%

Le laitier quant à lui est principalement composé de silicates et d'aluminate decalcium et de magnésium. Il contient également des phosphates.

5.3.4. Bilan de matières

Bilan de matière pour une tonne de fonte s'établit comme suit :

Entrées Sorties 9000 tf/j

aggloméré 1500 kg fonte 1000 kg

minerai rocheux 150 kg laitier 330 kg

coke 295 kg gaz gueulard 1480 Nm3

charbon 180 kg poussières 10 kg

vent chaud 970 Nm3 --- ---

oxygène 15 Nm3 --- ---

Remarquons que la masse d'air utilisée (vent chaud) s'élève à environ 1.3 tonne partonne de fonte !

5.4. Production de l'acier

5.4.1. Position du problème

Nous avons vu au point 5.1 qu'il existe deux grandes catégories d'alliages de fer etde carbone :


H. Schyns 5.7

- les aciers : alliages qui contiennent moins de 2.00 % en masse de carbonedans le fer;

- les fontes : alliages qui contiennent plus de 2.00 % en masse de carbone.

Or, vu l'excès de coke utilisé pour assurer la réduction, ce qui sort du haut-fourneauest une fonte avec une teneur de 4.7% en carbone.

Pour produire de l'acier, il faut décarburer la fonte, c'est-à-dire oxyder le carbonedissous et l'évacuer sous forme de CO2... sans pour autant réoxyder le fer !

Au début du XIXème siècle, Ceci se faisait en agitant un bain de fonte en fusion dansun four à réverbère à l'aide de grande tiges métalliques. L'air qui balayait la surfacedu bain oxydait le carbone et transformait peu à peu la matière en acier. Cetteopération a été l'enfer des ouvriers métallurgistes jusqu'à ce Henry Bessemerinvente un procédé élégant, spectaculaire et surtout très économique en 1855.

5.4.2. Le procédé Bessemer

Au lieu de réaliser l'oxydation à la surface du bain, Bessemer eût l'idée d'insuffler del'air dans la fonte liquide.

Son dispositif, nommé convertisseur, est une gigantesque cornue ovoïde en acier,tapissée de briques réfractaires en silice. Sa capacité est généralement de l'ordrede 15 tonnes de fonte liquide, soit environ 2 m3 de fonte. Le sommet est pourvud'une ouverture permettant le remplissage et la vidange ainsi que l'évacuation desgaz. Dans le fond, on a foré un certain nombre de canaux verticaux, appeléstuyères, par lesquels l'air est insufflé.

fig. 5.4 Schéma d'installation et coupe d'un convertisseur Bessemer

Bessemer eût l'idée de monter le convertisseur sur un axe horizontal. Leconvertisseur est basculé en position horizontale pour le chargement (environ 40%du volume total), ce qui pemet de maintenir les tuyères au-dessus du métal jusqu'aumoment où la totalité de la charge est introduite. Le convertisseur est ensuiteredressé et la soufflerie est mise en action. De cette manière, toute la charge esttraitée dans un même temps et subit un même traitement. En fin d'opération, lasoufflerie est arrêtée, le convertisseur est couché pour permettre l'évacuation desscories, puis retourné afin de verser la charge dans des lingotières.

Les réactions d'oxydation sont assez violentes. Elles sont suffisammentexothermique pour maintenir la masse en fusion à 1600 °C. Par conséquent, il estinutile de maintenir un chauffage autour du creuset (1).

1 Bessemer a du vaincre le scepticisme des aciéristes. Tout le monde pensait que l'air allait rapidement

refroidir la fonte et provoquer sa prise en masse dans le convertisseur.


H. Schyns 5.8

fig. 5.5 Schéma de l'arrivée d'air dans le fond du convertisseur

L'air injecté ne réagit pas qu'avec le carbone. Il permet d'évacuer de nombreusesimpuretés telles que silicium et le manganèse qui sont éliminés soit sous forme defumées soit sous forme de scories solides qui flottent sur le métal en fusion.

Dans un premier temps l'oxydation se porte à peu près uniquement sur le silicium etle manganèse. Ensuite, la combustion du carbone commence et le dégagement desgaz augmente. Une longue flamme s'échappe du convertisseur, entraînant desoxydes de manganèse et de fer.

En fin de conversion, on peut ajouter d'autres substances à la charge telles que dumanganèse ou du carbone afin de corriger la composition et donner les propriétésvoulues à l'acier.

La conversion d'une charge (soufflage) dure environ vingt minutes. C'est uneopération très courte pendant laquelle il se passe une foule de choses. Compte tenudes appareils de mesure de l'époque, elle exigeait une bonne dose d'expériencepour être menée à bien.

Le procédé Bessemer fut le premier procédé économique de production d'acier. Ilpermit le développement spectaculaire de l'utilisation de l'acier dans lesconstructions mécaniques et le génie civil.

Si le procédé Bessemer permettait d'enlever un grand nombre d'impuretés, il nepermettait malheureusement pas d'éliminer le phosphore. Or, les aciers quicontiennent du phosphore perdent leur ductilité et deviennent fragile. Ils deviennentcassants et perdent tout intérêt. Le procédé n'était intéressant que dans le cas defontes sans phosphore c’est à dire très pures. Celles-ci sont obtenues à partir deminerais suédois ou anglais. Les minerais français, qui contiennent beaucoup dephosphore, étaient impropres à la consommation. On perçoit immédiatement lesenjeux économiques et stratégiques du procédé.

5.4.3. Le procédé Thomas

Il faudra une vingtaine d'années pour que l'on comprenne le comportement chimiquedu phosphore dans le convertisseur

La combustion du phosphore se fait en formant de l'anhydride phosphorique :

4 P + 5 O2 Ù 2 P2O5


H. Schyns 5.9

Cet anhydride ne peut subsister que s’il est fixé par une scorie basique. Or, lesparois du convertisseur Bessemer sont protégées par des briques réfractaires ensilice et la silice a un net caractère acide.

Dans ces conditions, l’anhydride phosphorique n’est pas stable en présence de ferliquide :

P2O5 + 5 Fe Ù 2 P + 5 FeO

En sens inverse, l’oxyde de fer réagit avec le phosphore pour former un phosphate :

8 FeO + 2 P Ù Fe3 (PO4) 2 + 5 Fe

Cependant en milieu acide ce phosphate est facilement ramené à l’état dephosphure. Par contre, en milieu basique, les phosphates de fer sont stables et seretrouvent dans les scories.

En principe, il suffirait d'ajouter une base forte et bon marché comme la chaux avantde commencer le soufflage pour pouvoir extraire le phosphore. Malheureusement,la chaux réagit avec la silice pour former des silicates ayant un point de fusionrelativement bas (1).

La clé du problème réside dans la fabrication d'un revêtement réfractaire ayant uncaractère basique. En 1877, Sidney Thomas découvre la solution en utilisant desblocs de dolomie (carbonate combiné de calcium et de magnésium) dont la cohésionest assurée par du goudron.

A part le revêtement, le procédé est très proche du procédé ‘’acide’’ de Bessemer.La différence est qu'on verse 12 à 15 % de chaux vive froide dans le convertisseuravant d'y introduire la fonte.

La conversion de la fonte en acier se déroule en quatre phases :

1 - La fonte est chargée dans le convertisseur, à une température d’environ 1150°C(la température moyenne de solidification est de 1110°C). Le soufflage démarre.La température croit assez rapidement (40°C par minute pour une charge de 30tonnes avec un débit d’air de 600 m³ par minute). Pendant cette phase, latotalité du silicium est éliminée ainsi qu’une grande part du manganèse. Lephosphore et le carbone commencent à s’éliminer dans une moindre mesure. Ala fin de cette phase, la température se situe entre 1250 et 1350°C.

2 - Le taux de carbone diminue fortement, le phosphore diminue légèrementégalement. La vitesse d’augmentation de la température est plus faible quecelle de la première phase. A la fin de cette phase, la température est compriseentre 1330 et 1460 °C.

3 - Le taux de phosphore reste constant, le carbone continue à s‘éliminer. Latempérature est comprise entre 1470°C et 1500°C à la fin de cette phase. Lavitesse d’augmentation de la température a de nouveau augmenté.

4 - C'est la fin de la décarburation; tout le carbone a été éliminé. Pendant unedurée courte (de 10 seconde à une minute), la température reste a peu prèsstable. puis elle augmente très rapidement pour atteindre une températurecomprise entre 1600 et 1650°C. Pendant cette phase, le phosphore s’éliminecomplètement. La forte élévation de la température s’expliquant par l’aspect trèsexothermique de l’oxydation de cet élément.

1 Dans le chapitre consacré aux verres, nous verrons que la chaux est précisément utilisée comme "fondant"

pour permettre la fusion de la silice.


H. Schyns 5.10

On note que le phosphore n'est éliminé qu’à la fin de l’opération c'est-à-dire quandtout le carbone a été éliminé. Il faudra donc recarburer le métal en fusion afind'obtenir la nuance d'acier désirée.

Avant la coulée en poche, on élimine par raclage les scories phosphoreuses quiflottent à la surface du métal en fusion. On retire environ 200 à 250 kg de scorie partonne d’acier. Cette scorie très riche en phosphore est utilisée comme engrais.

Le passage dans le convertisseur permet aussi d'éliminer le soufre. La teneur ensoufre doit être aussi faible que possible car il fragilise l'acier par précipitation desulfures aux joints de grains.

Pour l'éliminer, on ajoutant à la charge du carbure de calcium (CaC2) et dumagnésium métallique. Ils fixeront le soufre sous forme de sulfures CaS et MgS quise retrouveront aussi dans les scories.

5.4.4. LD process

Le LD-process (1) ou BOS-process (2), développé en 1952, est une amélioration desprocédés Bessemer et Thomas.

Les procédés Bessemer et Thomas avaient l'inconvénient d'être trop rapides pourpermettre un l'analyse et l'ajustement fin des propriétés de l'acier en cours detraitement. De plus, ils ne permettaient que le recyclage d'une quantité limitée deferrailles. Enfin, certaines qualités d'acier étaient sensibles à l'azote amené par l'airqui traverse la masse en fusion.

Dans le BOS-process, c'est de l'oxygène pur à 99% que l'on injecte dans le bain àl'aide d'une lance qui descend dans le convertisseur. La lance est pourvue d'unedouble enveloppe dans laquelle circule de l'eau assurant son refroidissement.

Un convertisseur LD contient habituellement 280 tonnes d'acier. Il est recouvert debriques réfractaires basiques comme dans le procédé Thomas.

La conersion se déroule en plusieurs étapes :

1 - La fonte en provenance du haut fourneau est versée dans un creuset.2 - On ajoute plusieurs centaines de kilos de magnésium en poudre afin de capter

tous les composés sulfurés sous forme de sulfure de magnésium. Cetteréaction est violemment exothermique.

3 - Le convertisseur LD est basculé et rempli à 20% avec de la ferraille derécupération et parfois du minerai. On y introduit ensuite la fonte provenant ducreuset.

4 - Le convertisseur est redressé et la lance est abaissée sans toutefois plongerdans le métal. Lorsqu'on ouvre le débit d'oxygène, la température monte jusqu'à1700°C. Les ferrailles introduites au point précédent fondent et absorbent unegrande partie de l'énergie dégagée. La réaction est tellement violente que lamasse de métal forme une émulsion qui remplit le convertisseur.Parfois, de l'argon est injecté par le fond du convertisseur pour assurer l'agitationde la masse en fusion.Les gaz qui s'échappent contiennent principalement du CO et du CO2. Ils sontfiltrés pour en retirer les particules de métaux (Fe2O3) entraînées.

1 Nommé d'après les villes autrichiennes Linz et Donawitz où il a été mis au point.2 Basic Oxygen Steelmaking


H. Schyns 5.11

5 - On ajoute de la chaux ou de la dolomie afin de créer des scories basiques quistabiliseront et absorberont les impuretes. A la fin de cette phase, on prélèvedes échantillons. Leur analyse est effectuée en quelques minutes.

6 - Le convertisseur est basculé est sa charge versée dans une lingotière. A cestade, il est encore possible d'ajouter divers éléments pour former l'alliage désirépar le client. A ce stade, l'acier contient entre 0.1% et 1% de carbone.

7 - Après avoir vidé l'acier, les scories formées de silicates, d'oxyde de manganède,de phosphates et d'oxydes de fer (jusqu'à 16%), sont retirées du convertisseuret refroidies.

fig. 5.6 Schéma d'un convertisseur BOS

Le cycle dure 40 à 60 minutes, dont 20 minutes de soufflage d'oxygène. Unconvertisseur peut assurer 800 à 1400 cycles avant qu'il soit nécessaire de refaireson recouvrement réfractaire.

Le procédé est caractérisé par une haute productivité et la production d'un acier degrande pureté.

5.4.5. Recyclage de l'acier

Vers la fin du XIXème siècle, la technologie de production de l'acier à partir du mineraiest bien maîtrisée. Il était malheureusement impossible de recycler les pièces derebut, les déchets d'usinage et les ferrailles car les fours étaient incapablesd'atteindre les températures de 1500 à 1600°C nécessaires à la fusion de l'acier.

En 1864, Pierre MARTIN développe un four à récupérateur de chaleur selon unprincipe inventé par W. Von SIEMENS vers 1860.

L'idée consiste à récupérer les gaz de combustion (fumées) qui sortent du four àhaute température est à les envoyer dans des chambres remplies de briquesréfractaires. Les briques sont empilées de manière à présenter une grande surfacede contact. En traversant l'empilage, les gaz cèdent leur chaleur aux briques etcelle-ci deviennent des accumulateurs de chaleur.

Lorsqu’elles les briques atteignent une certaine température, on inverse le fluxgazeux à l’aide d’une vanne. Cette fois, c'est le gaz carburant et l’air comburant quel'on dirige vers les empilages. Les gaz sont ainsi préchauffés et ils arrivent au


H. Schyns 5.12

brûleur à une température importante ce qui a pour effet d’augmentersignificativement la température de la flamme et donc du four.

1930 voit l'apparition de l’aciérie électrique. Les ferrailles sont introduites un fourpourvu d'électrodes. Mises sous tension, celles-ci provoquent des arcs électriquesqui atteingne des températures suffisantes pour fondre n'importe quelle ferraille. Leprocédé est très consommateur d’énergie et pose certains problèmes mais il permetun recyclage très important des fers et aciers à tous les niveaux, ce qui présenteglobalement un bilan écologique très favorable.

fig. 5.7 Schéma d'un four à arc

Aujourd'hui, on peut considérer que le problème du recyclage des ferrailles estrésolu.

5.5. Le diagramme de phase Fe-C

5.5.1. Présentation générale

Le diagramme d'équilibre est obtenu par refroidissement lent après chauffage àtempérature élevée (fig. 5.8). Il est donc utilisable uniquement pour déterminer lesconstituants d'une fonte ou d'un acier refroidi lentement, après un traitement derecuit par exemple (mais jamais après traitement de trempe).

On distingue plusieurs types d'aciers selon le pourcentage de carbone qu'ilscontiennent :

- les aciers hypoeutectoïdes (de 0,008 à 0,77 % de carbone) qui sont les plusmous ;

- les aciers eutectoïdes (0,77 % de carbone) ;- les aciers hypereutectoïdes (de 0,77 à 2,11 % de carbone) qui sont les plus

durs;La structure cristalline des aciers à l'équilibre thermodynamique dépend de leurconcentration (essentiellement en carbone mais aussi des autres élémentsd'alliage), et de la température. On peut aussi avoir des structures hors équilibre(par exemple dans le cas d'une trempe).


H. Schyns 5.13

fig. 5.8 Diagramme de phases Fer-Carbone

5.5.2. Explications

Le fer pur se solidifie à 1535°C (1539°C) La forme solide qui apparaît est detructurecubique centrée : elle est nommée fer δ (fig. 5.9) (1).

A 1390°C, les atomes de fer se ré-agencent suivant une structure cubique facescentrées. Cette seconde forme cristalline est nommée fer γ (austénite).

A 930°C, les atomes de fer se ré-agencent de nouveau suivant une structurecubique centrée. Cette troisième forme cristalline est nommée fer α (ferrite).

fig. 5.9 Refroidissement du fer pur

1 Cette partie utilise de très larges portions des excelentes notes publiées sur internet par Michel

Chaussumier de l'INSA de Toulouse.


H. Schyns 5.14

Dans le cas des alliages de fer à très faible teneur en carbone (%m<0,50 %), lasolidification de l’alliage commence par la forme cristalline CC δ dans laquelle lecarbone se retrouve en insertion (fig. 5.10). La transformation ne peut sepoursuivre que si la température diminue. Dans le plan %C-T, on voit apparaître undomaine où les deux phases L et δ coexistent.

fig. 5.10 Refroidissement d'un mélange Fe-C à 0.10 % en masse de C

Si la teneur en carbone est inférieure à 0,10 %, la transformation L→ δ seracomplète. L’alliage va se refroidir sous cette forme cristalline mais très vite, le fer δse transformera en fer γ de structure CFC. On voit apparaître dans le plan %C-T undeuxième domaine biphasé δ + γ

La forme cristalline qui se développe est une solution solide d’insertion de carbonedans le fer γ appelée Austénite (on y retrouve le carbone sur certains sitesoctaédriques du réseau CFC du fer γ ). Là encore, cette transformation ne peut sefaire qu’avec l’abaissement de la température.

fig. 5.11 Cristal d'acier Cubique Centré (g.) et Cubique Faces Centrées (dr.)

Dans les deux cristaux, 8 atomes de fer occupent les sommets et 12 atomes decarbone occupent le milieu des arrêtes (fig. 5.11).

Par contre, dans le cas du cristal CC, le centre est occupé par un atome de fertandis que dans le cas du cristal CFC, il est occupé par un atome de carbone.

De plus, dans le cas du cristal CFC, un atome de fer occupe le centre de chaqueface. Cet atome se partage entre deux mailles adjacentes.

Le passage de la forme CC à la forme CFC implique les variations de bilansuivantes :


H. Schyns 5.15

- fer : -1 (centre) + 6 x ½ (faces) = +2- carbone : +1 (centre)

Si on considère que les atomes de même nature sont indiscernables les uns desautres, 8 atomes de fer et 12 atomes de carbone ne devraient pas migrer lors dupassage d'une forme à l'autre. En réalité, la plupart des atomes glissent les uns parrapport aux autres pour occuper de nouvelles positions tandis que les anciennespositions sont occupées par d'autres atomes de même nature venant d'une maillevoisine.

Dans le cas de l’alliage à 0,16 %C, si le liquide commence à se transformer ensolution solide δ, il ne se transforme pas totalement (fig. 5.12).


A 1450°C, le liquide en cours de transformation et la solution solide δ sont desproportions telles que le mélange conduit à la formation d’austénite . On assiste àune réaction particulière en trois phases dite péritectique. Cette réaction estisotherme.


Dans le cas de l’alliage à 0,50 %C, le liquide commence à se transformerdirectement en austénite à partir de 1450°C (fig. 5.13). On voit apparaître untroisième domaine biphasé L + γ. La transformation en austénite se poursuit avecl’abaissement de la température.


H. Schyns 5.16


Enfin, pour les alliages dont la teneur en carbone est comprise entre 0.50 % et2.00 %, le liquide se et complètement en austénite (fig. 5.14).

On constate que pour tous les alliages fer-carbone à moins de 2.00 %, on observe àpartir d’une certaine température une microstructure totalement austénitique. C’estce qui caractérise les aciers.

Ce domaine austénitique s’étend très largement dans le plan %C-T. En particulier,pour l’alliage à 0.80 % de carbone, on retrouve une microstructure austénitiquejusqu’à 727°C.

Revenons à présent à l’étude de l’alliage à moins de 0.10 %, dans son étatausténitique et étudions les transformations au refroidissement très lent depuis cetétat (fig. 5.15).

fig. 5.15 Poursuite du refroidissement d'un acier à 0.02 % en masse de C

L’austénite se refroidit. A partir d’une température légèrement inférieure à 930°C,les atomes de fer vont se ré-agencer suivant un réseau CC (fer α) : l’austénite setransforme en ferrite (solution solide d’insertion de carbone dans le fer α).


H. Schyns 5.17

On voit apparaître un quatrième domaine biphasé α + γ. La ferrite peut dissoudrejusqu’à 0.02 % de carbone à 720°C. Donc, si la teneur en carbone de l’alliage estinférieure à 0.02 %, toute l’austénite se transformera en ferrite. On obtiendra unacier dit ferritique.

L’alliage se refroidit sous cette troisième et dernière forme cristalline. Cependant, lasolubilité maximale en carbone dans le fer α diminue avec la température et, à unecertaine température (qui dépend de la teneur en carbone), la ferrite se retrouvesaturée.

Dès que la température va passer en-dessous de cette température seuil, le surplusde carbone va migrer vers les joints de grains et former une seconde phase: ducarbure de fer (Fe3C) appelé Cémentite (à 6,67%C). On entre dans un cinquièmedomaine biphasé α + Fe3C.

La cémentite Fe3C est un composé chimique de composition chimique parfaitementdéfinie : 6.67 % en masse de carbone. Sa structure cristalline est orthorhombique.

L’étude des transformations au refroidissement très lent depuis l’état austénitique del’alliage à 0.80 %m de carbone permet de comprendre les microstructures desaciers. Pour cet alliage, l’austénite subsiste jusqu’à 727°C (fig. 5.16).

Naturellement, elle a alors tendance à se transformer en ferrite. Or la ferrite ne peutcontenir plus de 0.02 % de carbone à 727°C. La formation de la ferrite va doncs’accompagner simultanément de la formation d’une seconde phase: le carbure defer (Fe3C).


La transformation particulière au cours de laquelle l’austénite se transforme enagrégat ferrite-cémentite est appelée transformation eutectique. Elle est isotherme.L’agrégat ainsi obtenu (88 % α - 12 % Fe3C) est appelé perlite. Sur le diagramme,on bascule dans le domaine biphasé α + Fe3C.

La forme la plus courante est la perlite lamellaire (alternance de lamelles de ferrite etde cémentite). Une forme moins dure peut s’obtenir par traitement dit deglobularisation: la perlite globulaire.

Considérons à présent un alliage dont la teneur en carbone est supérieure à 0.02 %(0.10 % par exemple) (fig. 5.17). La transformation de l’austénite en ferrite débutevers 900°C (point 1) et s’accompagne de l’enrichissement en carbone de l’austénitepuisque la ferrite ne peut dissoudre que très peu de carbone (maximum 0.02 % à727°C).


H. Schyns 5.18


Lorsque le refroidissement atteint le point 2, la phase solide contient 67% de ferrite à0.005% C et 33% d'austénite à 0.3% C

Au point 3, la phase solide contient 81% de ferrite à 0.01% C et 19% d'austénite à0.5% C.

Enfin, à 727°C (point 4), l’austénite ne s’est transformée en ferrite qu'à concurrencede 90%. Il reste 10% d’austénite qui contient 0,8% de carbone (1). A cettetempérature, l’austénite non transformée va se transformer en Perlite. En fin deréaction eutectique, l’alliage sera donc constitué de 90% de ferrite et de 10% dePerlite.

A partir de cet état, l’alliage va se refroidir sans autre transformation que l’apparitionde fins filets de cémentite aux joints de grains de ferrite due à la du carbone dans laferrite (point 5).

A 20°C, l’alliage est constitué d’un peu moins de 90% de ferrite très pauvre encarbone (quasiment du fer pur), de 10% de perlite et de cémentite sous forme defilets aux joints des grains de ferrite.

fig. 5.18 Refroidissement d'un acier à 1.25 % en masse de C

Considérons à présent à le cas d’un alliage à plus de 0,8% de carbone (mais moinsde 2%), par exemple 1,25%, dans son état austénitique et étudions lestransformations au refroidissement depuis cet état (fig. 5.18 - point 1).

1 Rappelons que dans un diagramme de phase, les proportions des constituants d'un mélange sont

déterminées par un bilan de matière qui se traduit graphiquement par la règle segments inverses.


H. Schyns 5.19

La solubilité du carbone dans le fer γ est importante, jusqu’à 2% à 1145°C, ellediminue à partir de cette température pour atteindre 0,8% à 727°C.

Dans ces conditions, pour l’alliage à 1,25%, il arrivera au cours du refroidissementun moment où l’austénite sera saturée (point 2). A partir de cette température, lecarbone en surplus va devoir fuir les grains d’austénite.

Les atomes de carbone s’échappant de l’austénite vont déboucher sur les joints desgrains d’austénite et vont former de la cémentite en s’associant aux atomes de ferun peu libres (puisque, dans ces joints, ils ne sont attachés à aucun grain enparticulier). Nous voyons apparaître un sixième domaine biphasé γ + Fe3C (point 3).

Au fur et à mesure que le carbone s’échappe de l’austénite, celle-ci voit sa teneurtendre vers 0,8%. A 727°C, l’austénite qui ne s’est pas encore transformée (environ96%) va se transformer en perlite puisqu’elle contient 0,8% de carbone (point 4).

Une fois que toute l’austénite se sera transformée en perlite, l’alliage va continuer àse refroidir sans autre transformation (point 5). On obtiendra une microstructureconstituée de Perlite et de Cémentite (dite primaire).

5.5.3. Résumé

A ce stade, il n'est sans doute pas inutile de rappeler le diagramme de phases :

fig. 5.19 Rappel du diagramme de phase complet

A température ambiantede %C à %C Microstructure

0.00 0.02 Ferrite0.02 0.80 Ferrite + perlite0.80 - Perlite0.80 2.00 Perlite +Cementite


H. Schyns 5.20

5.6. Microstructures et propriétés

5.6.1. Formes à l'équilibre

5.6.1.1 PrincipeLa solubilité du carbone dans le fer diminue en fonction de la température. Lors durefroidissement suffisamment lent d'un alliage Fe-C jusqu'à température ambiante, lecarbone est progressivement éjecté de la structure cristalline et se retrouveemprisonné entre les grains sous forme de perlite (fig. 5.20 b,c). Si la compositionde l'acier correspond à l'eutectoïde, la microstructure présente uniquement unesuccession de lamelles de cémentite (Fe3C) et de ferrite nommée perlite (fig. 5.20d). Au dessus de l'eutectoïde, c'est l'inverse : la structure lamellaire se forme pourcommencer et c'est le fer qui est rejeté à la frontière entre les grains (fig. 5.20 e).

fig. 5.20 Schéma des microstructures (b = 0.30 %; c=0.60 %; d=0.80 %; e=1.10 %)

5.6.1.2 Austénite

L'austénite ou fer γ est la forme stable du fer pur entre 914°C et 1 391°C (1). Elle semaintient jusqu'à 729°C si la teneur en C est de 0.80 %. L'austénite se présentetoujours sous la forme de grains polygonaux qui ont une structure cubique à facescentrée. La taille des grains d'austénite peut avoir une grande importance dans lecomportement des aciers lors du laminage à chaud.

fig. 5.21 Grains d'austénite

L'austénite est paramagnétique : sous l'effet d'un champ magnétique extérieur, lesatomes de fer s'orientent selon le champ appliqué et l'amplifient. Toutefois, cetteaimantation disparaît avec le champ extérieur.

1 Ces chiffres varient dans une plage de quelques degrés selon les auteurs.


H. Schyns 5.21

L'austénite

- est modérément ductile (10% d'élongation à la rupture);- a une limite élastique à la traction élevée (1 030 MPa);- a une forte résistance à la rupture- a une dureté raisonnable ( Rockwell C40 );

Il existe des éléments d'alliage, appelés agents gammagènes qui, tels N, Ni, Mnstabilisent la formation d'austénite lors du refroidissement de l'acier. Avec undosage suffisant (p. ex. 18 %Ni), ils permettent, grâce à une trempe, d'obtenir del'austénite à température ambiante à l'état métastable. On parle alors d'aciersausténitiques. La plupart des aciers inoxydables sont austénitiques, ce qui permetde combiner de bonnes résistances à la corrosion avec des propriétés mécaniquesplus élevées que l'acier ferritique.

5.6.1.3 FerriteLa ferrite (ou fer α) est la phase stable du fer pur lorsque la température estinférieure à 914°C. Elle se présente sous la forme d'une structure cubique centrée.Cette phase existe également pour entre 1 391°C et 1 536°C mais on parle alors defer δ.

La ferrite dissout assez mal le carbone : le maximum de solubilité du carbone est de0.035 % en masse à 723°C et tombe à 0.020% à température ambiante.

Le fer α est ferromagnétique à basse température (point de Curie est de 770°C).Par ferromagnétisme, on entend la propriété de s'aimanter très fortement sous l'effetd'un champ magnétique extérieur et de garder une aimantation importante aprèsdisparition de ce champ. Ici, le ferromagnétisme s'explique par la structure cristallinecubique centrée dans laquelle les atomes sont à une distance idéale pour couplerleurs spins.

Certains éléments d'alliage ajoutés à l'acier, comme Cr, Mo, Si stabilisent laformation de ferrite lors du refroidissement, même en présence d'un petit excès decarbone. On les nomme agents alphagènes.

fig. 5.22 Acier à 0.05 %C (g) et 0.30 %C (dr) : grains de ferrite (blancs) et joints de perlite

Cette combinaison de microstructures produit un acier qui

- est assez ductile (jusqu'à 40% d'élongation à la rupture);- a une limite élastique à la traction modérée (275 MPa);- a une faible résistance à la rupture;- a une faible dureté ( < Rockwell C0 ).

Ce matériau est communément appelé acier doux. Il est facilement usiné, forgé etsoudé.


H. Schyns 5.22

5.6.1.4 CémentiteLa cémentite ou carbure de fer (Fe3C) est un composé bien défini qui cristallisedans une structure orthorhombique. Il a la particularité de se décomposer avant defondre, ce qui empêche de connaître toute la partie du diagramme Fe-C située au-delà de 6.67 %C.

fig. 5.23 Fonte à 6.67 %C constituée de cémentite

La cémentite

- est fragile (~0% d'élongation à la rupture);- a une limite élastique à la traction assez élevée (700 MPa);- a une bonne résistance à la rupture;- a une grande dureté ( Vickers HV = 700).

Dans les aciers, la cémentite n'existe pas à isolément. Elle co-existe avec la ferritepour former la perlite.

5.6.1.5 PerliteLa perlite est un agrégat formé de deux phases (89 % de ferrite et 11 % decémentite) qui se présentent sous la forme de lamelles alternées. Plus lerefroidissement est lent, plus les lamelles sont espacées.

fig. 5.24 Acier eutectoïde à 0.80 %C et détail de la phase perlitique (clair=ferrite, foncé=cémentite)

La perlite

- est ductile (20% d'élongation à la rupture);- a une limite élastique à la traction assez élevée (830 MPa);


H. Schyns 5.23

- a une bonne résistance à la rupture;- a une grande dureté ( Rockwell C 20).

5.6.2. Formes hors équilibre

5.6.2.1 PrincipeLes formes décrites ci avant sont obtenues pour des vitesses de refroidissement trèslentes. Elles laissent à tous les composants le temps de migrer et de cristalliserdans leur forme de plus basse énergie.

Le trempe est une technique qui consiste à refroidir rapidement un matériau qui setrouve généralement dans un état malléable en le plongeant dans un fluide froid.

Lors de ce refroidissement, qui a lieu à des vitesses élevées, les composants sontfigés avant d'avoir atteint leur état d'équilibre. On voit alors apparaître d'autresmicrostructures. Ces microstructures disparaissent si on effectue un traitement derecuit, c'est-à-dire si on élève suffisamment la température pour que les atomesretrouvent une certaine mobilité.

5.6.2.2 MartensiteLorsque l'on refroidit l'austénite à des vitesse comprises entre 100 et 1000°C/s selonla teneur en carbone, la perlite n'apparaît plus. Elle est remplacée par unemicrostructure en plaquettes ou en aiguilles appelée martensite.

Les aiguilles sont orientées à l'intérieur de chaque grain initial d'austénite suivanttrois directions parallèles aux côtés d'un triangle équilatéral. Elles réduisent la tailledes grains de ferrite et rendent le matériau très dur mais aussi très fragile.

fig. 5.25 Acier ayant subi une trempe et détail de la phase martensitique

La martensite est une solution solide sursaturée en carbone dans le fer α. Elle a lamême composition globale que l'austénite initiale mais elle cristallise dans une maillequadratique. Cette structure est très proche de la maille cubique de l'austénite maischaque atome de carbone, plus volumineux que l'interstice où il est inséré, écarte lesdeux atomes de fer voisins. Ceci déforme le réseau du fer; ces perturbationsbloquent le mouvement des dislocations et durcissent l'acier.

Généralement, on fait subir à la martensite un traitement de revenu de manière àprovoquer un certain retour à l'équilibre et atteindre ainsi un compromis entre rigiditéet résistance.


H. Schyns 5.24

fig. 5.26 Acier martensitique après traitement de revenu

La martensite est ferromagnétique.

La martensite peut se former de manière non souhaitée lors de l'assemblage destructures en acier par soudage. La haute température de la flamme ou de l'arc,suivie du refroidissement rapide de la soudure, entraîne une modification trèslocalisée de la microstructure de l'acier en martensite alors que la microstucture dureste de l'élément est inchangée. Lorsque l'ensemble revient à températureambiante, ces différences engendrent des contraintes qui peuvent aller jusqu'à larupture (fig. 5.27)

fig. 5.27 Fissure dans la martensite formée par le refroidissement rapide d'une soudure

5.6.2.3 BainiteLa bainite se forme lorsque le refroidissement de l'acier se fait à vitesse moyenne :trop rapide pour obtenir la formation de perlite mais trop lent pour obtenir laformation de martensite. C'est un constituant qui présente les mêmes phases que laperlite, c'est-à-dire un agrégat de plaquettes (ou lattes) de ferrite et de particules decémentite. Toutefois, la bainite possède une structure particulièrement fine, souventen aiguilles, ce qui lui confère de bonnes propriétés mécaniques.

La bainite apparaît presque toujours en combinaison avec la martensite. C'estl'association de ces deux microstructures qui donne un acier de haute résistance etcependant facile à usiner.


H. Schyns 5.25

fig. 5.28 Bainite. On reconnaît les lamelles alternées, comme dans la perlite

5.6.2.4 TroostiteLa troostite se forme pour des vitesses de refroidissement (VR) encore un peuinférieures à celles nécessaires pour l'apparition de bainite :

VR Troostite < VR Bainite < VR Martensite

C'est une microstructure très dure. Elle est formée de lamelles extrêmement mincesde ferrite et de cémentite qui divergent en "éventail" et forment des nodules plus oumoins arrondis. La troostite, présentant des analogies avec la perlite, mais unedureté plus grande est souvent appelée "constituant perlitique". En général, ellen'est pas souhaitée et résulte d'un mauvais traitement thermique.

fig. 5.29 Troostite


H. Schyns 5.26

5.7. Les variétés d'aciers

fig. 5.30 Nuances d'aciers en fonction des usages (les chiffres sont les % en C)

L'acier est un alliage à base de fer additionné d'un faible pourcentage de carbone.La teneur en carbone a une influence considérable (et assez complexe) sur lespropriétés de l'acier :

- en deçà de 0,008 %, l'alliage est plutôt malléable et on parle de « fer » ;- au-delà de 2 %, les inclusions de carbone sous forme graphite fragilisent la

microstructure et on parle de fonte.- entre ces deux valeurs, l'augmentation de la teneur en carbone a tendance à

améliorer la résistance mécanique et la dureté de l'alliage ; on parle d'aciers «doux, mi-doux, mi-durs, durs ou extra-durs » (classification traditionnelle).

On modifie également les propriétés des aciers en ajoutant d'autres éléments,principalement métalliques, et on parle d'aciers alliés. De plus, on peut encoreaméliorer grandement leurs caractéristiques par des traitements thermiques(notamment les trempes) prenant en surface ou à cœur de la matière ; on parle alorsd'aciers traités.


H. Schyns 5.27

5.8. Les alliages

(A suivre...)

5.9. Traitements thermiques et mécaniques

Les matériaux métalliques peuvent faire l'objet de traitements thermiques oumécaniques en vue d'améliorer leurs propriétés :

- un traitement thermique, sous la forme d'un cycle chauffage-refroidissement(trempe, revenu...) ;

- un traitement mécanique, une déformation provoquant de l'écrouissage(laminage, forgeage, tréfilage...).

- un traitement de surface consiste à modifier la composition chimique ou lastructure d'une couche extérieure d'acier. Cela peut être :- une réaction en phase liquide (chromatation, carburation, nitruration en bain

de sel, galvanisation...) ;- une réaction en phase gazeuse (nitruration en phase liquide) ;- une projection d'ions (implantation ionique) ;- un recouvrement (peinture, zingage).

5.10. Les différentes fontes

- Les fontes blanches leur solidification se fait suivant le diagramme fer-cémentite. Leur structure est

un réseau de carbures et d'une matrice perlitique. Leur cassure présente unaspect métallique blanc brillant. Ces fontes ont une bonne coulabilité, inférieureaux fontes grises. Les fontes blanches présentent une dureté élevée, unegrande résistance à l'usure par frottement et par abrasion, mais cette dureté lesrend fragiles impossibles à usiner par les moyens courants. On en fait desboulets de broyage, pièces mécaniques devant résister à l'abrasion, parexemple.

- Les fontes grisesla plupart du carbone se trouve sous forme de lamelles de graphite. Cecidonne aux fontes une cassure d'aspect gris, d'où leur nom. A dureté identiqueavec un acier, la résistance à la traction de la fonte est beaucoup plus faible quecelle de l'acier.

- La fonte malléable à cœur blanc ou fonte malléable européenne.Les pièces sont placées dans un four oxydant. Chauffées aux environs de1000°C et maintenues à cette température pendant 60 à 90 heures. Leursurface commence à se décarburer, puis le carbone présent à l'intérieur despièces diffuse vers la surface où il est brûlé. Si la pièce est mince (épaisseurinférieure à 10 mm) la structure obtenue est sans carbone

- Les fontes malléables à cœur noir ou fonte malléable américaine.Obtenue par chauffage vers 930°C, pendant un certain temps, variable, puisrefroidissement (parfois rapide) jusqu'à 730°C. Stabilisation, puisrefroidissement final. On traite par cette méthode des pièces dont l'épaisseur va60 mm, le temps de traitement dépend de l'épaisseur des pièces.

Matériaux métalliques 6 - Les métaux et alliages non ferreux

H. Schyns 6.1

6. Les métaux et alliages non ferreux

6.1. Aluminium

(A suivre...)

6.2. Cuivre

(A suivre...)

6.3. Zinc

(A suivre...)

6.4. Alliages non ferreux

(A suivre...)

Matériaux métalliques 7 - Corrosion

H. Schyns 7.1

7. Corrosion

Voir http://fr.wikipedia.org/wiki/Corrosion_aqueuse

(A suivre...)

Matériaux métalliques 8 - Aspects écologiques

H. Schyns 8.1

8. Aspects écologiques

La civilisation industrielle utilise des quantités importantes de minéraux et métauxlourds. Par suite d'une demande croissante en métaux et autres ressourcesminérales, les minerais sont exploités à des teneurs de plus en plus faibles.

Le risque d'épuisement de ces ressources naturelles est en particulier lié augaspillage de ces mêmes ressources, souvent dispersées après usage, plutôt qued'être recyclées. De plus, dans de nombreuses applications, l'absence derécupération est associée à une pollution diffuse de l'environnement par des produitstrès toxiques.

Les perspectives mondiales indiquent que pour de nombreux éléments (tels quel'argent, le fluor, l'étain, le zinc, le nickel) les réserves actuelles ne permettront quede couvrir deux à trois décennies d'exploitation. Il est cependant permis de penserque la durée des réserves disponibles serait prolongée par la mise en placesystématique du recyclage.

Matériaux métalliques 9 - Sources

H. Schyns 9.1

9. Sources

- Synthèse stellaire (et articles connexes)Wikipédiafr.wikipedia.org /wiki/Nucléosynthèse_stellaire.htm

- L'histoire de Sanduleak, SN1987AThierry G. Lombrywww.astrosurf.com/luxorion/supernova-sn1987a.htm

- L'énergie des étoilesN. Rumianonrumiano.free.fr/Fetoiles/energie.html

- R-Process nucleosynthesis in supernovaeJ. J. Cowan & F. K. ThielemannPhysics Today – Octobre 2004

- Exploitation minière et MétallurgieL'encyclopédie canadiennewww.thecanadianencyclopedia.com

- Chimie des matériauxNathalie ViartInstitut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg

- Petite histoire des matériaux métalliquesMichel ChaussumierINSA Toulouse

- Le fer tombe le masqueClaire Königwww.futura-sciences.com/comprendre/d/dossier565-1.php

- FedichemTableau périodique des élémentswww.periodictableonline.org/archi.htm

- Acier (et articles connexes)Wikipédiafr.wikipedia.org /wiki/Acier

- Changes in steel can be heardAstrid van de Graafww.delftoutlook.tudelft.nl/info/indexb71b.html?hoofdstuk=Article&ArtID=4244

- Internet microscopepwatlas.mt.umist.ac.uk/internetmicroscope/micrographs

chimide des matériaux - notes de cours · fontes en acier avec tous leurs aspects chimiques. on y...

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