Matériaux métalliques

Les deux tiers de tous les éléments présents dans la nature sont des métaux. Ils présentent des propriétés mécaniques particulières, possèdent des surfaces brillantes, un coefficient de conductivité thermique élevé et sont conducteurs d'électricité. En raison de leur grande diversité, il n'est pas aisé de donner une définition exacte du terme « matériau métallique ». Les métaux ont la capacité de se combiner entre eux et avec d’autres substances pour former des alliages. En raison de leur importance technique, les utilisateurs classent les matériaux métalliques en métaux ferreux et métaux non ferreux. La discipline qui traite de la production et de la transformation des métaux et des alliages métalliques est la métallurgie. La discipline scientifique correspondante s’appelle la métallurgie.

En science des matériaux, la classification des matériaux métalliques s'effectue soit en fonction du métal de base, soit en fonction des propriétés du matériau, soit en fonction de l'usage prévu :

• Les matériaux ferreux, tels que l'acier ou la fonte, sont principalement composés de fer et d'une quantité définie de carbone.
• Métaux non ferreux : par exemple, l'aluminium, le cuivre, le titane, le magnésium et leurs alliages
• Métaux durs
• Métaux tendres

La distinction entre métaux durs et métaux mous n'est pas définie de manière uniforme dans la littérature. La plupart du temps, les auteurs classent tous les métaux plus mous que le fer et l'acier dans la catégorie des métaux mous.

La catégorie des matériaux ferreux porte sur le système à deux composants que constituent le fer et le carbone, et plus particulièrement sur les alliages fer-carbone. En principe, les techniciens en matériaux distinguent les matériaux ferreux en deux catégories : les aciers (teneur en carbone inférieure à 2,06 %) et les matériaux de fonderie (teneur en carbone supérieure à 2,06 %). D'autres éléments d'accompagnement déterminent la composition des différentes nuances de fer et d'acier ainsi que leurs propriétés spécifiques. Il en résulte donc les classifications suivantes :

• en fonction de la teneur en carbone
• selon la composition chimique exacte
• selon la classe de qualité en fonction des exigences pratiques d'utilisation

Les aciers et la fonte sont des composés de fer et de carbone qui se distinguent par leur teneur en carbone et, par conséquent, par leur déformabilité plastique. Les aciers contiennent jusqu'à 2 % de carbone au maximum et sont ce qu'on appelle des alliages malléables. Cela signifie qu'ils sont déformables plastiquement. C'est pourquoi les aciers sont particulièrement adaptés à la fabrication de produits semi-finis et de pièces moulées techniques.

La fonte technique et les alliages de fonte contiennent jusqu’à 3,5 % de carbone. Étant donné que cette teneur élevée en carbone donne un alliage relativement dur, le moulage est le principal procédé de fabrication des matériaux en fonte.

La teneur en carbone d’un alliage de fer a donc une influence déterminante sur les propriétés du matériau. Même de faibles variations de la concentration en carbone peuvent avoir des conséquences importantes. Le diagramme fer-carbone constitue un outil important pour illustrer les différents comportements de l’acier et de la fonte en fonction de leur teneur en carbone.

Ce n'est pas seulement la teneur en carbone, mais aussi l'ajout de divers éléments d'alliage qui influencent les propriétés des matériaux ferreux, en particulier celles de l'acier. Les éléments chimiques pouvant être ajoutés au mélange fer-carbone sont des métaux lourds tels que le plomb et le cadmium, des métaux légers comme l'aluminium et le cuivre, ainsi que des non-métaux comme le silicium. En fonction de la teneur en éléments d'alliage, on distingue les aciers suivants :

• les aciers non alliés, dont la teneur en éléments d'alliage est inférieure à 1 %
• les aciers alliés, dont la teneur en éléments d’alliage est comprise entre 1 % et 5 %
• les aciers fortement alliés, dont la teneur en éléments d'alliage est supérieure à 5 %

En fonction des propriétés d'utilisation requises (par exemple, la formabilité, la soudabilité, la dureté), les aciers sont classés selon leur qualité en aciers de base, aciers de qualité et aciers inoxydables. Alors que les aciers de base, par exemple, ne nécessitent aucune mesure particulière lors de leur fabrication, la composition chimique, le degré de pureté et la production des aciers inoxydables sont soumis à des tolérances très strictes.

Lors de la classification en fonction de l'application, les experts en matériaux distinguent les aciers de construction, les aciers de structure et les aciers à outils. La fonte est classée, selon son mode de fabrication et ses propriétés, en fonte grise, fonte d'acier, fonte malléable et fonte dure.

Les scientifiques spécialisés dans les matériaux désignent par « métaux non ferreux » tous les métaux présents dans la nature ainsi que les alliages qui ne contiennent ni fer ni alliages de fer. Une autre classification des métaux non ferreux s’effectue en fonction de leur densité : on distingue ainsi les métaux lourds et les métaux légers. Il est également courant de les répartir en métaux non ferreux (par exemple le cuivre, l’aluminium, le cobalt, le nickel, le zinc) et en métaux précieux (argent, or, platine).

La catégorie des « métaux non ferreux » englobant une grande variété de matériaux, il n’est pas possible de formuler une affirmation générale concernant leurs propriétés communes. Selon le métal, les caractéristiques positives ou, dans la pratique, moins souhaitables, sont plus ou moins marquées. Certains métaux non ferreux ont un poids particulièrement faible, d’autres un aspect particulier, d’autres encore possèdent une conductivité électrique élevée ou sont magnétiques. Les propriétés suivantes s’appliquent à la quasi-totalité des métaux non ferreux :

• Résistance à la corrosion
• Résistance à l'usure
• Coulabilité
• Bonne aptitude à l’alliage
• Conductivité élevée
• Bonne usinabilité

Les métaux non ferreux présentant un intérêt technique sont souvent plus coûteux que les métaux ferreux. En raison de leurs caractéristiques particulières, ils sont toutefois indispensables pour certaines applications techniques ou sont préférés pour d'autres raisons.

Les métaux non ferreux sont utilisés dans les secteurs suivants :

• Électrotechnique, électronique
• Construction de machines et d'installations
• Construction automobile
• Aéronautique et aérospatiale, construction navale
• Fabrication de moules, de gabarits et d'outils
• Industrie agroalimentaire
• Industrie de l'emballage
• Optique et technologie de l'éclairage
• Arts décoratifs et joaillerie

Le terme générique « métaux non ferreux » regroupe tous les métaux purs ainsi que les alliages métalliques dont la majeure partie n'est pas constituée de fer. En fonction de leur densité, les métaux non ferreux utilisés dans l'industrie sont classés en métaux légers et métaux lourds. Parmi les métaux légers, on trouve par exemple le magnésium, le titane et l'aluminium. Ce dernier est surtout utilisé sous forme d'alliages dans l'industrie et la technique. Parmi les métaux lourds les plus importants sur le plan technique, on trouve le zinc, l'étain, le cuivre et leurs alliages, tels que le bronze, le laiton rouge et le laiton.

Les métaux durs font partie des matériaux composites. Ils sont composés de 90 à 94 % de carbure de tungstène et jusqu'à 10 % de cobalt. Les métaux durs se caractérisent par leur grande résistance à l'usure et leur dureté, en particulier leur excellente dureté à chaud. Ils conviennent donc parfaitement à la fabrication d'outils ainsi que de pièces soumises à des forces de frottement supérieures à la moyenne.

Les applications classiques des métaux durs sont les lames de scie, les forets, les outils de fraisage et de tournage destinés à l'usinage par enlèvement de copeaux de pièces les plus diverses. Les couteaux à usage industriel, ainsi que les outils utilisés dans les moulins et les mines, sont également souvent fabriqués à partir de métaux durs spéciaux.

En fonction du procédé de fabrication, les experts distinguent

• les métaux durs moulés et
• les métaux durs frittés

En fonction de leur utilisation, les métaux durs sont classés dans les groupes P, M et K. La désignation des nuances s’effectue à l’aide d’un indice qui décrit la ténacité ainsi que le comportement à l’usure du matériau.

Le terme « métal mou » n'est pas clairement défini par la science des matériaux. En principe, ce groupe de produits comprend tous les métaux plus mous que le fer et les alliages de fer, tels que l'aluminium, l'or, l'argent, le platine, l'étain, le zinc et le cuivre.