Chapitre 12 : Aspects macroscopiques et microscopiques Plan du chapitre : Structure Caractéristiques mécaniques et physiques Structure cristalline des métaux

Structure (1) Structure d’un produit moulé Hétérogénéité de structure Hétérogénéité chimique Défauts de solidification (crique, soufflure, …)

Structure (2) Structure d’un produit laminé d’un acier moulé 1er laminage Allongement 5/1 3ème laminage Allongement 150/1 2ème laminage Allongement 30/1 Fibrage du métal Augmentation des caractéristiques mécaniques dans le sens des fibres

Structure (3) Structure d’un produit forgé Fibres alignées Augmentation des caractéristiques mécaniques dans le sens des fibres

Structure (4) Conclusion Macrostructure d’un matériau dépend de son procédé d’élaboration.

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Caractéristiques méca. et phys. (1) Ductilité A < 5 % : matériaux fragiles A > 5 % : matériaux ductiles Ferrite : 35 < A < 50 % Perlite : A = 10 % Cémentite : A = 0 %

Caractéristiques méca. et phys Caractéristiques méca. et phys. (2) Malléabilité – Elasticité – Soudabilité Malléabilité : Identique à la ductilité mais en compression. Al, Cu et Au sont malléables. Elasticité : Après déformation, le matériau reprend sa forme initiale. Acier trempé. Soudabilité : Propriété de pouvoir se souder sous l’action de la chaleur. Si %C augmente, la soudabilité diminue.

Caractéristiques méca. et phys Caractéristiques méca. et phys. (3) Traitements thermiques – Usinabilité – Pouvoir magnétique Aptitude aux traitements thermiques : Aptitude conditionnée à la teneur en carbone. Usinabilité : Capacité que possède un matériau à être usinable. Pouvoir magnétique : Propriété de jouer le rôle d’aimant. Fe magnétique jusqu’à 768°C. Cémentite jusqu’à 210°C.

Caractéristiques méca. et phys. (4) Dureté – Résilience – Plasticité propriété inverse de l’élasticité

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Structure cristalline des métaux (1) Caractéristiques générales - Liaisons Tableau de Mendeleev Environ 75% des éléments du tableau sont des métaux. Les éléments répondent à certains critères à des degrés divers.

Structure cristalline des métaux (2) Caractéristiques générales - Liaisons La liaison ionique : Liaison de forte intensité. Les atomes perdent ou gagnent des e- afin d’avoir la dernière couche électronique complète (8 e-)

Structure cristalline des métaux (3) Caractéristiques générales - Liaisons La liaison covalente : Cette liaison permet aux atomes de mettre en commun des e- afin d’avoir leur couche électronique extérieure complète (8 e-)

Structure cristalline des métaux (4) Caractéristiques générales - Liaisons La liaison métallique : Mise en commun des e- de valence qui ne sont plus localisés entre les atomes mais qui sont répartis dans l’ensemble du réseau d’ions.

Structure cristalline des métaux (5) Caractéristiques générales – Propriétés physiques des métaux Densité : La densité est souvent élevée pour les métaux car ils possèdent un grand nombre d’e-. Elle est aussi élevée car les atomes s’empilent de façon compacte. Al Fe Cu Pb Hg Au Pt Os 2.69 7.87 8.96 11.34 13.6 19.45 21.45 22.5

Structure cristalline des métaux (6) Caractéristiques générales – Propriétés physiques des métaux Point de fusion : Température à partir de laquelle le métal solide se transforme en liquide. Seul Hg est liquide à la température ambiante. Hg Sn Al Cu Fe W -38 °C 232 °C 660 °C 1083 °C 1535 °C 3410 °C

Structure cristalline des métaux (7) Caractéristiques générales – Propriétés physiques des métaux Conductibilité électrique : La liaison métallique permet le mouvement des e-. La conductivité quantifie la facilité avec laquelle les électrons se déplacent. La conductivité diminue si : La température augmente (amplitude de vibrations des atomes augmente). Présence d’impuretés. Déformations subies par le métal. L’inverse de la conductivité est la résistivité (unités : µW cm). Ag Cu Al Fe Mn Ge 1.59 1.67 2.65 9.71 185 46000

Structure cristalline des métaux (8) Le cristal métallique Un cristal est un empilement régulier d’atomes en 3D. Chaque atome se situe à un nœud du réseau cristallin. Nœud Maille

Structure cristalline des métaux (9) Le cristal métallique Les 7 réseaux cristallins de Bravais Triclinique Monoclinique Orthorombique Rhomboédrique Quadratique Hexagonal Cubique

Structure cristalline des métaux (10) Le cristal métallique Cubique centré (CC) Métal cristallise en 3 réseaux Cubique à faces centrées (CFC) Hexagonal compact Réseau cubique centré : Ce réseau se retrouve dans Nb, V et Fe (<910 °C)

Structure cristalline des métaux (11) Le cristal métallique Réseau cubique à faces centrées : Cu, Al, Pb, Fe (910 < T < 1400°C)

Structure cristalline des métaux (12) Le cristal métallique Réseau hexagonal compact : Zn, Mg

Structure cristalline des métaux (13) Le cristal métallique Facteur de vide – compacité : CC CFC Hexagonal Diamètre : d d d Côté : a a a = d e 0,32 0,26 0,26

Structure cristalline des métaux (14) Le cristal métallique Facteur de vide – réseau cubique centré : A B D Atomes par maille : 8/8+1=2 Paramètre de maille a AB=a AC=a√2 AD=a/√3 AD=2d C

Structure cristalline des métaux (15) Le cristal métallique Facteur de vide – réseau cubique à faces centrées : A B C Atomes par maille : 8/8+6/2=4 Paramètre de maille a AB=a AC=a√2 AC=2d

Structure cristalline des métaux (16) Le cristal métallique Facteur de vide – réseau hexagonal compact : AH²=AB²-BH²=d²-BH² BH =2/3 BM BM=d*sin(60°)=d√3/2 Atomes par maille : 12/12+2/2+3=6 Paramètre de maille a = d c= 2*hauteur tétraèdre=2AH

Structure cristalline des métaux (17) Le cristal métallique

Structure cristalline des métaux (18) Solutions solides et composées Métal pur n’existe pas. Il reste toujours des « impuretés » (C dans Fe, par exemple) Métal = alliage Solution solide ou composé défini Solution solide d’insertion : Atomes se logent dans les vides du réseau du solvant Espaces étroits, donc d faible (H, N, C, B) Atomes en position interstitielle provoquent une distorsion Faible solubilité, grande dureté et grande fragilité (C dans Fe)

Structure cristalline des métaux (19) Solutions solides et composées Solution solide de substitution : Atomes remplacent des atomes de solvant d équivalent aux atomes remplacés Distorsion faible du réseau (Zn dans Cu) Composés définis : Atomes différents s’associent en molécules et créent un réseau. Les liaisons ne sont plus métalliques et donc plus fragiles (Cu31Sn8 dans le bronze)