Applications avec des métaux et des alliages
Les métaux utilisés comme matériaux doivent remplir certaines conditions en fonction de l’utilisation prévue.
Ce n’est que si des propriétés telles que Duretéla résistance, la dilatation thermique, la conductivité thermique ou le comportement à l’oxydation et à la corrosion correspondent aux conditions d’utilisation, il est possible de garantir une durabilité maximale et une longue durée de vie.
Comme cela limite fortement les possibilités d’utilisation des métaux purs, ceux-ci sont souvent alliés à d’autres métaux, semi-métaux ou non-métaux.
Ces métaux mixtes, également appelés alliages, se distinguent par des propriétés matérielles améliorées et élargissent ainsi considérablement le champ d’application.
Les techniques de mesure physique telles que l Analyse thermique différentielle, la microscopie de chauffage, la calorimétrie différentielle ou la Thermogravimétrie permettent d’analyser le comportement métallurgique du fer, de la fonte, de l’acier et d’autres métaux et alliages par rapport aux questions suivantes ou à des questions similaires :
- Quel est le degré de conductivité thermique et/ou électrique d’un métal ?
- Comment certaines températures affectent-elles un métal ou un alliage d’un point de vue mécanique ou chimique ?
- Comment la chaleur spécifique varie-t-elle avec l’augmentation de la température ?
- A quelle température l’oxydation de la surface du métal commence-t-elle ?
- Quand un alliage métallique est-il en équilibre de phase ?
Transitions de phase, le Le point de cristallisationLe changement d’état et la thermostabilité des matériaux de base pour les tôles, les poutrelles et autres produits métallurgiques peuvent également être étudiés à l’aide de méthodes de mesure physiques. Il en va de même pour les capacités thermiques spécifiques, les coefficients de dilatation linéaire et le Point de fusion.
LINSEIS développe et produit des systèmes de mesure thermo-analytique qui peuvent être utilisés dans de nombreuses industries, y compris dans le secteur métallurgique. Les principaux domaines d’application sont la recherche, le développement de produits et le contrôle qualité.
Matériaux clés dans l'ingénierie et l'industrie
Les alliages sont des matériaux métalliques qui jouent un rôle central dans l’ingénierie et l’industrie modernes. Ils résultent de la combinaison d’au moins deux éléments, dont l’un est toujours un métal. En combinant des métaux et des non-métaux, il est possible de créer des matériaux sur mesure dotés de propriétés spécifiques, indispensables pour de nombreuses applications. Outre les métaux, les non-métaux jouent également un rôle crucial dans l’optimisation des alliages.
Composition et fabrication des alliages
Les alliages résultent de la fusion de leurs composants à haute température. Les composants sont mélangés sous forme liquide, puis refroidis, ce qui crée un réseau métallique commun.
La vitesse de refroidissement peut alors avoir une influence décisive sur les propriétés du produit fini. Outre les métaux, des non-métaux ou des semi-métaux tels que le carbone, le bore ou le silicium peuvent être utilisés comme éléments d’alliage, ce qui peut avoir une influence considérable sur les propriétés de l’alliage.
Propriétés des alliages
Les alliages présentent souvent des propriétés plus avantageuses que leurs métaux de base. Les principaux avantages qui peuvent être obtenus par la formation d'alliages sont les suivants :
- Dureté accrue
- Amélioration de la résistance
- Une plus grande élasticité
- Meilleure résistance à la corrosion
Ces propriétés améliorées font des alliages un élément indispensable dans de nombreuses applications techniques, notamment dans l’industrie automobile, la construction et l’électronique.
Types d'alliages
Les alliages sont divisés en alliages homogènes et hétérogènes :
- Alliages homogènes : Ici, tous les atomes sont répartis uniformément dans le réseau. Les alliages cuivre-or ou cuivre-argent en sont des exemples. Les différents composants sont indiscernables, même au microscope.
- Alliages hétérogènes : Les composants sont répartis de manière inégale, il ne se forme pas de réseau atomique commun. Il en résulte la présence de phases microscopiques, voire macroscopiques. L’alliage étain-plomb en est un exemple.
Les principaux alliages et leurs applications
Legierung | Hauptkomponenten | Verwendung |
|---|---|---|
| Bronze | Kupfer, Zinn | Kunstgegenstände, Werkzeuge |
| Messing | Kupfer, Zink | Elektronische Bauteile, Modeschmuck |
| Stahl | Eisen, Kohlenstoff | Maschinen, Autos, Schienen |
Influence de la température sur les alliages
Les températures influencent considérablement les propriétés des alliages. L'augmentation des températures entraîne des changements dans la structure cristalline et les propriétés mécaniques :
- Structure cristalline et phases : À certaines températures, des transformations de phase se produisent et affectent le comportement mécanique de l’alliage. Ces transformations peuvent modifier la distribution et la taille des précipités et des phases au sein de l’alliage.
- Propriétés mécaniques : La résistance et la dureté diminuent avec l’augmentation de la température, tandis que la ductilité et la déformabilité augmentent. A très haute température, il peut se produire un fluage, une déformation plastique lente sous une charge constante.
- Diffusion et mobilité atomique : des températures plus élevées augmentent la mobilité atomique, ce qui favorise les processus de diffusion et réduit les tensions dans le matériau. Cela peut conduire à une structure plus grossière, ce qui affecte les propriétés mécaniques d’un alliage. De même, la diffusion de types d’atomes étrangers, par exemple lors d’un contact physique avec un autre composant, peut créer un alliage mixte sous l’effet de la température, ce qui entraîne généralement des modifications imprévues des propriétés.
Température et comportement de fusion des alliages
Le point de fusion des alliages est souvent inférieur à celui des métaux purs. Cet abaissement du point de fusion est dû à la distorsion du réseau et à l’augmentation de l’entropie dans la phase liquide.
L’entropie désigne la mesure du désordre dans un système. Dans la phase liquide d’un alliage, il y a plus de possibilités pour les différents types d’atomes de s’agencer, ce qui augmente l’entropie.
Cette augmentation du désordre stabilise la phase liquide et abaisse le point de fusion de l’alliage. Le point de fusion exact dépend de plusieurs facteurs :
- Composition : la proportion d’éléments d’alliage influe sur le point de fusion. Par exemple, le point de fusion de l’acier varie entre 1425°C et 1540°C en fonction de la teneur en carbone.
- Éléments d’alliage : différents additifs influencent le point de fusion. Le chrome l’augmente, tandis que le nickel l’abaisse.
- Les impuretés : Les impuretés peuvent abaisser le point de fusion d’un alliage, car elles perturbent la structure du réseau.
En outre, les changements de température affectent le comportement de fusion des alliages en raison des changements de phase ou de l’apparition de la superplasticité, ce qui augmente considérablement la malléabilité à haute température.
Le rôle des non-métaux dans les alliages
Les non-métaux, malgré leur faible proportion dans les alliages, sont indispensables car ils contribuent de manière décisive à l'amélioration des propriétés des matériaux :
- Carbone : un composant essentiel des alliages d’acier, qui influence considérablement la dureté et la résistance. Les propriétés mécaniques de l’acier varient significativement en fonction de la teneur en carbone.
- Silicium : souvent utilisé comme additif dans les alliages d’aluminium afin d’améliorer la coulabilité. L’alliage aluminium-silicium (silumin) est utilisé dans l’industrie automobile pour les pièces moulées.
- Bore : même en petites quantités, le bore a un effet important sur les propriétés mécaniques des alliages en augmentant leur dureté.
Non-métaux couramment utilisés dans l'industrie automobile
Les non-métaux jouent un rôle de plus en plus important dans l'industrie automobile, notamment dans les domaines de l'allègement, de la technologie des batteries et de l'électronique. Les non-métaux couramment utilisés dans ce secteur sont
- Carbone : sous forme de fibres de carbone, il est de plus en plus utilisé pour les pièces légères afin de réduire le poids des véhicules et d’améliorer l’efficacité. Le carbone est également présent dans les alliages d’acier utilisés pour les pièces de carrosserie et de structure.
- Silicium : le silicium est utilisé dans les alliages d’aluminium, notamment pour les pièces moulées dans l’industrie automobile. Il est en outre un élément central de l’électronique automobile, puisqu’il est utilisé dans les semi-conducteurs et les micropuces.
- Soufre : le soufre est utilisé dans les mélanges de caoutchouc utilisés pour la fabrication des pneus de voiture.
- Platine et palladium : ces non-métaux sont utilisés dans les catalyseurs pour réduire les émissions nocives. Ils sont essentiels pour respecter les normes environnementales et jouent un rôle important dans la technologie des piles à combustible des véhicules à hydrogène.
- Bore: Le bore est utilisé comme élément d’alliage pour durcir l’acier et est utilisé dans les composants à haute résistance.
Applications techniques des non-métaux dans l'industrie automobile
Les composants suivants en particulier sont dominés par les non-métaux :
- Les catalyseurs : Les non-métaux tels que le platine et le palladium sont des composants essentiels des catalyseurs qui réduisent les émissions nocives. Ces matériaux aident à respecter les réglementations environnementales strictes et jouent un rôle important dans l’amélioration de la qualité de l’air.
- Les piles à combustible : Les véhicules à pile à combustible à hydrogène ont généralement des membranes et des électrodes complexes, par exemple en platine ou en carbone. Ces technologies prennent de plus en plus d’importance à mesure que les technologies de propulsion alternatives se développent.
- Électronique et capteurs : Les non-métaux semi-conducteurs tels que le silicium sont indispensables à l’électronique et aux capteurs des véhicules modernes, qui sont de plus en plus automatisés.
- Technologie des batteries : les non-métaux tels que le graphite jouent un rôle clé dans le développement des technologies de batteries modernes pour les véhicules électriques. Ces matériaux améliorent considérablement les performances et la durée de vie des batteries.
- Protection contre la corrosion : les revêtements non métalliques et les additifs protègent les composants métalliques contre la corrosion, prolongeant ainsi leur durée de vie, en particulier dans des conditions environnementales agressives.
- Les matériaux composites : Dans l’industrie automobile, les matériaux métalliques et non métalliques sont souvent combinés pour produire des matériaux composites qui allient résistance élevée et légèreté.
Nouveaux développements dans les alliages et les non-métaux
L’évolution de la technologie s’accompagne également d’innovations dans le domaine des alliages et des non-métaux. Les alliages légers à haute résistance, tels que les alliages de titane-aluminium ou de magnésium, utilisés dans l’aérospatiale et la construction automobile en raison de leur grande résistance et de leur légèreté, en sont un exemple.
Les métaux amorphes, également connus sous le nom de verres métalliques, constituent une autre innovation. Ces nouveaux alliages ont un arrangement atomique irrégulier et se caractérisent par une résistance et une malléabilité exceptionnelles. Ils offrent des applications potentielles dans les domaines de la haute technologie et de la médecine.
Les alliages verts gagnent également en importance. Il s’agit d’alliages respectueux de l’environnement, fabriqués à partir de matières premières durables ou à l’aide de processus plus efficaces sur le plan énergétique afin de minimiser leur impact sur l’environnement.
Recyclage et développement durable
La recyclabilité des alliages et des non-métaux joue un rôle de plus en plus important, notamment dans des industries comme l’automobile et l’aéronautique.
Le concept d’économie circulaire est de plus en plus mis en avant afin de réutiliser des matériaux tels que l’aluminium et l’acier et de réduire l’impact environnemental.
En outre, une attention accrue est accordée à l’utilisation de sources de matières premières durables afin de garantir que les métaux critiques tels que le lithium ou le platine proviennent de sources non conflictuelles et respectueuses de l’environnement.
Fabrication additive (impression 3D) dans la métallurgie
La fabrication additive, également connue sous le nom d’impression 3D, constitue une avancée majeure dans le traitement des alliages. Cette technologie permet de fabriquer des structures complexes directement à partir de poudres d’alliages, ce qui est de plus en plus utilisé dans les secteurs de l’automobile et de l’aéronautique. L’utilisation de la métallurgie des poudres permet de produire de manière ciblée des alliages aux propriétés spécifiques. Un autre potentiel innovant est le développement d ‘alliages personnalisés, adaptés aux exigences d’applications spécifiques.
Prévisions pour l'avenir
L’utilisation d’alliages et de non-métaux va continuer à gagner en importance au cours des prochaines décennies. L’importance de ces matériaux augmentera en particulier dans des domaines tels que la mobilité électrique et l’économie de l’hydrogène.
Les alliages légers et les technologies de batterie avancées jouent un rôle central dans le développement des véhicules électriques.
En outre, la demande de platine dans la technologie des piles à combustible va augmenter à mesure que l’hydrogène gagne en importance en tant que source d’énergie alternative.
Conclusion
Les alliages et les non-métaux sont des composants essentiels de l’ingénierie et de l’industrie modernes. Ils offrent des solutions sur mesure pour de nombreuses applications, en particulier dans l’industrie automobile, où ils contribuent à améliorer l’efficacité et à respecter les normes environnementales.
Le contrôle de la température et de la composition est essentiel pour obtenir les propriétés souhaitées de ces matériaux et optimiser davantage leurs possibilités d’application. De plus, grâce à l’avancée de la recherche et de l’innovation, l’utilisation des alliages et des non-métaux dans de nouveaux domaines va continuer à croître, notamment en ce qui concerne la durabilité et les nouvelles technologies de fabrication comme l’impression 3D.
