Structure des métaux et des alliages

On estime que 62 millions de centimes sont jetés ou perdus chaque année. Bien que ce soit beaucoup au total, perdre 2 ou 3 cents ici ou là n'a pas d'importance pour la plupart des gens. En fait, les gens essaient d'empêcher la Monnaie de les produire, car nous perdons 70 millions de dollars par an en les produisant. Le matériau utilisé pour les centimes vaut plus que le centime lui-même !

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      À l'origine, les pièces de un cent étaient faites uniquement de cuivre, mais elles ont ensuite été fabriquées avec un alliage de cuivre et de zinc en raison de l'augmentation du coût du cuivre. Dans cet article, nous allons découvrir lastructure des métaux et des alliages!

      • Tout d'abord, nous examinerons les principes de base des métaux et définirons les alliages
      • Ensuite, nous examinerons la structure et les propriétés de base des métaux et des alliages.
      • Puis nous étudierons la composition et la structure des alliages.
      • Nous examinerons également les structures atomiques de chacun d'entre eux.
      • Enfin, nous examinerons les trois types de structures cristallines qui peuvent être formées et la façon dont elles constituent la structure du grain.

      Introduction aux métaux et aux alliages

      Avant de plonger dans la structure des métaux et des alliages, détaillons les types d'éléments que l'on trouve dans le tableau périodique. Il existe trois types d'éléments :

      • les métalloïdes

      • les métaux

      • les non-métaux

      Structure des métaux et des alliages Tableau périodique

      Tableau périodique trié par type d'élément. Wikimedia commons.

      Comme tu le verras en rose, il y a beaucoup de métaux, qui sont regroupés en fonction des propriétés qu'ils partagent (dont nous parlerons plus tard).

      Les métaux peuvent former des alliages.

      Un alliage est un mélange de deux ou plusieurs métaux ou un mélange d'un métal et d'un non-métal.

      Il existe deux types d'alliages : 1. Les alliages de substitution

      2. Les alliages interstitielsDans un alliage substitutif, certains atomes d'un métal sont remplacés par les atomes d'un autre élément de taille similaire. Dans un alliage interstitiel, les atomes plus petits d'un autre élément comblent les "lacunes" de la structure d'un métal.

      Structure et propriétés des métaux et des alliages

      Parlons maintenant de la structure et des propriétés des métaux et des alliages. Les métaux se distinguent par leurs caractéristiques uniques. Celles-ci comprennent :

      • Point de fusion élevé

      • Bons conducteurs de chaleur et d'électricité

      • Malléables (peuvent être pliés/formés facilement)

      • Ductiles (peuvent être étirés facilement sans se briser)

      • Haute densité

      Bien que tu puisses supposer que les alliages partagent les caractéristiques des métaux individuels à partir desquels ils ont été fabriqués, tu te trompes. Nous créons généralement des alliages pour "maximiser" certaines caractéristiques.

      Les différences entre les métaux et les alliages sont les suivantes :

      • Les alliages sont plus durs que les métaux qui les composent

      • Les alliages sont plus résistants à la corrosion que les métaux purs.

      • Les alliages ont un point de fusion plus bas que les métaux qui les composent.

      • Les alliages sont plus ductiles que les métaux qui les composent

      • Les alliages sont plus durables que les métaux qui les composent

      • Les alliages sont moins conducteurs que les métaux qui les composent.

      Ces propriétés rendent les alliages plus utiles que les métaux purs. Par exemple, l'acier (fer + carbone) est un alliage couramment utilisé dans les matériaux de construction. C'est logique puisqu'il peut supporter un poids plus important, qu'il est moins susceptible de se corroder et qu'il peut être façonné plus facilement que le fer.

      Composition et structure des alliages métalliques

      La structure globale d'un alliage métallique dépend de sa composition. Les alliages peuvent avoir différents ratios de métaux et peuvent contenir plusieurs métaux. Voici un tableau présentant quelques alliages courants et leur composition.

      Nom de l'alliageComposition de l'alliageExemple d'utilisation
      AmalgameMercure (45-55 %), reste (45-55 %) : argent, étain, cuivre et zinc.Limaille dentaire
      LaitonCuivre (65-90%), zinc (10-35%)Poignées de porte et serrures
      Bronze (78-95%), zinc (10-35%)Cuivre (78-95%), étain (5-22%), % restant : manganèse, phosphore, aluminium ou silicium.Statues
      FonteFer (96-98 %), carbone (2-4 %), % restant : siliciumustensiles de cuisine
      Canon de fusilCuivre (80-90%), étain (3-10%), zinc (2-3%), % restant : phosphorePistolets
      ÉtainÉtain (80-99%), % restant : cuivre, plomb, antimoineArticles de décoration
      Acier inoxydableFer (>50%), chrome (10-30%), % restant : carbone, nickel, manganèse, molybdène et autres métaux.Bijoux
      Argent massifArgent (92,5 %), cuivre (7,5 %)Outils médicaux

      Structure atomique des métaux et des alliages

      La structure atomique d'un métal est assez simple :

      Structure des métaux et des alliages Structure d'un métal pur StudySmarterStructure d'un métal pur. StudySmarter Original.

      Les atomes sont bien alignés et ont tous la même taille. Ils n'ont pas nécessairement besoin d'être en forme de rectangle mais sont toujours régulièrement espacés et relativement proches les uns des autres.

      Les alliages sont différents. La structure atomique dépend du type d'alliage : substitutionnel ou interstitiel.

      Voici à quoi ressemble un alliage de substitution :

      Structure des métaux et des alliages Structure d'un alliage de substitution StudySmarterStructure d'un alliage de substitution. StudySmarter Original

      Comme son nom l'indique, les atomes d'un métal sont remplacés par ceux d'un autre. Ces nouveaux atomes ont une taille similaire à celle des atomes de l'autre métal.

      Il y a aussi les alliages interstitiels :

      Structure des métaux et des alliages Structure d'un alliage interstitiel StudySmarterStructure d'un alliage interstitiel. StudySmarter Original.

      Dans un alliage interstitiel, les atomes du second métal sont beaucoup plus petits que ceux du métal pur d'origine. Ces atomes plus petits s'insèrent dans les "trous" de la structure d'origine.

      Ces types d'alliages peuvent être combinés, de sorte qu'un alliage peut avoir une structure qui est une combinaison des deux montrées ci-dessus.

      Structure cristalline des métaux et des alliages

      Lesmétaux et les alliages ont généralement une structure cristalline. Un cristal peut avoir trois structures principales :

      1. cubique centrée(BCC)

      2. Hexagonal fermé (HCP)

      3. Cubique fermé (CCP)/ cubique centré sur la surface (FCC)

      Lorsque nous examinons ces structures, nous faisons souvent référence à la cellule unitaire.

      La cellule un itaire est la plus petite section du réseau qui montre le modèle 3D de l'ensemble du cristal.

      Essentiellement, un cristal n'est que la même cellule unitaire répétée plusieurs fois. Les métaux et les alliages forment ces structures car ce sont eux qui remplissent le mieux l'espace.

      Le premier type de cristal est le cubique centré (BCC). Sa structure est illustrée ci-dessous :

      Structure des métaux et des alliages Structure cubique centrée StudySmarterCellule unitaire cubique centrée sur le corps et structure complète. StudySmarter Original.

      La forme générale est un cube, avec un atome à chaque coin. Il y a également un autre atome au centre du "corps", d'où le nom.

      Ensuite, nous avons la structure hexagonale fermée (HCP ) :

      Structure des métaux et des alliages Structure hexagonale fermée StudySmarterStructure hexagonale fermée et cellule unitaire. StudySmarter Original.

      La cellule unitaire de ce type est beaucoup plus complexe. Les faces supérieure et inférieure de la structure sont des hexagones, avec un atome sur chaque pointe et au centre. Au centre de la cellule se trouve une forme de triangle, avec un atome sur chaque point.

      Enfin, nous avons la structure cubique fermée (CCP)/cubique à faces centrées (FCC) :

      Structure des métaux et des alliages Structure cubique fermée/centrée StudySmarterCellule et structure cubique fermée/ cubique à face centrée. StudySmarter Original.

      Comme pour la structure BCC, la forme de base est un cube. Il y a un atome à chaque coin et un atome centré sur chaque face.

      Structure des grains des métaux et des alliages

      Les structures cristallines individuelles se regroupent pour former des grains. Ces grains se combinent pour former la structure du grain, que l'on peut observer au microscope. L'image ci-dessous représente la structure du grain de l'acier inoxydable.

      Structure des métaux et des alliages Structure du grain de l'acier inoxydable Structure du grain de l'acier inoxydable au microscope. Wikimedia commons.

      La taille et l'orientation des grains dépendent de :

      • de la composition (alliage)
      • Influences chimiques (ex. corrosion)
      • des influences physiques (par exemple la chaleur)
      • des influences mécaniques (dues au processus de formation, par exemple le forgeage).

      Les grains eux-mêmes se forment lorsque la matière en fusion se solidifie. La structure des grains est adaptée à l'application de l'alliage métallique. Par exemple, la structure des grains du cupro-nickel est conçue de manière à ce que le métal puisse être pressé pour fabriquer des pièces de 5 et 10 cents.

      L'examen de la structure du grain (également appelée microstructure) peut t'indiquer les propriétés du matériau, telles que la résistance, la dureté et la ductilité.

      Structure des métaux et des alliages - Points clés à retenir

      • Un alliage est un mélange de deux ou plusieurs métaux ou un mélange d'un métal et d'un non-métal.
      • Il existe deux types d'alliages : 1. Les alliages substitutifs 2. Les alliages interstitiels
      • Les différences entre les métaux et les alliages sont : ~plus durs que les métaux qui les composent ~plus résistants à la corrosion que les métaux purs ~point de fusion plus bas que les métaux qui les composent ~plus ductiles que les métaux qui les composent ~plus durables que les métaux qui les composent ~moins conducteurs que les métaux qui les composent.
      • Dans un alliage de substitution, les atomes d'un métal prennent la place de certains atomes d'un autre métal. Dans un alliage interstitiel, les atomes d'un métal s'insèrent dans les interstices de la structure d'un autre métal.
      • Un cristal peut avoir trois structures principales :
        1. Cubique centré (Bcc)
        2. Hexagonal fermé (Hcp)
        3. Cubique fermé (ccp)/cube à faces centrées (fcc)
      • La cellule unitaire est la plus petite section du réseau qui montre le modèle 3D de l'ensemble du cristal.
      • Les structures cristallines se combinent pour former des grains, qui constituent la structure granulaire. Cette structure est modifiée en fonction de l'utilisation du métal ou de l'alliage.
      Questions fréquemment posées en Structure des métaux et des alliages
      Qu'est-ce que la structure des métaux?
      La structure des métaux est l'arrangement des atomes dans un métal. Les atomes sont disposés en réseau cristallin.
      Qu'est-ce qu'un alliage?
      Un alliage est un mélange de deux ou plusieurs éléments, dont au moins un est un métal. Cela améliore les propriétés du métal de base.
      Pourquoi utilise-t-on des alliages?
      Les alliages sont utilisés pour améliorer les propriétés des métaux purs, comme la dureté, la résistance à la corrosion et la durabilité.
      Comment les atomes sont-ils arrangés dans les métaux?
      Dans les métaux, les atomes sont arrangés selon des structures cristallines régulières comme cubique à faces centrées ou hexagonale compacte.
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      Teste tes connaissances avec des questions à choix multiples

      Lequel de ces éléments n'est PAS une caractéristique des métaux ?

      Remplis les blancs : Les alliages ont un point de fusion ___ et sont ___ durables que les métaux qui les composent.

      Lequel des éléments suivants n'est PAS un alliage ?

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