Sommaire - Notes de cours

ENSEIGNEMENT DE PROMOTION SOCIALE
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Cours de
CHIMIE DES MATERIAUX
- Matériaux métalliques -
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H. Schyns
Mai 2007

Matériaux métalliquesSommaire
H. SchynsS.1
Sommaire
1.INTRODUCTION
2.ORIGINE DES MÉTAUX
2.1.Introduction
2.2.Nucléosynthèse primordiale
2.3.Nucléosynthèse stellaire
2.3.1.Fusion de l'Hydrogène
2.3.2.Fusion de l'Hélium
2.3.3.Fusions du Carbone et du Néon
2.3.4.Fusion de l'Oxygène
2.3.5.Fusion du Silicium
2.3.6.Résumé
2.4.Nucléosynthèse dans les supernovae
2.4.1.Processus R
2.4.2.Processus S
2.5.Nucléosynthèse interstellaire
2.6.Conclusion
3.HISTOIRE DES MÉTAUX
3.1.Aperçu
3.2.Âge du cuivre
3.3.Âge du bronze
3.4.Âge du fer
4.EXTRACTION ET PRÉPARATION
4.1.Occurrence des métaux
4.2.Prétraitements
4.3.Procédés de raffinage
4.3.1.Classification
4.3.2.Fusion directe
4.3.3.Formation d'amalgame
4.3.4.Lixiviation
4.3.5.Grillage
4.3.6.Calcination
4.3.7.Traitement à la chaux vive
4.3.8.Carboréduction
4.3.9.Réductions chimiques particulières
4.3.10.Réduction par l'hydrogène
4.3.11.Electrolyse
4.3.12.Choix du réducteur
4.4.Conclusion

Matériaux métalliquesSommaire
H. SchynsS.2
5.LES ACIERS ET LES FONTES
5.1.Introduction
5.2.Minerais
5.3.Production du fer
5.3.1.Bref aperçu historique
5.3.2.Le haut-fourneau
5.3.3.Les réactions chimiques
5.3.4.Bilan de matières
5.4.Production de l'acier
5.4.1.Position du problème
5.4.2.Le procédé Bessemer
5.4.3.Le procédé Thomas
5.4.4.LD process
5.4.5.Recyclage de l'acier
5.5.Le diagramme de phase Fe-C
5.5.1.Présentation générale
5.5.2.Explications
5.5.3.Résumé
5.6.Microstructures et propriétés
5.6.1.Formes à l'équilibre
5.6.2.Formes hors équilibre
5.7.Les variétés d'aciers
5.8.Les alliages
5.9.Traitements thermiques et mécaniques
5.10.Les différentes fontes
6.LES MÉTAUX ET ALLIAGES NON FERREUX
6.1.Aluminium
6.2.Cuivre
6.3.Zinc
6.4.Alliages non ferreux
7.CORROSION
8.ASPECTS ÉCOLOGIQUES
9.SOURCES

Matériaux métalliques1 - Introduction
H. Schyns1.1
1. Introduction
Le but de ce document est d'apporter une connaissance générale sur l'origine, les
propriétés, la préparation et l'utilisation des matériaux métalliques dans une optique
industrielle.
Un premier chapitre explique la formation des différents éléments présents sur la
Terre. A l'aide d'un peu de physique nucléaire il expose la nucléosynthèse
primordiale qui a eu lieu durant les premières minutes de l'univers. Il poursuit avec
la nucléosynthèse stellaire qui a créé (et crée encore) les éléments allant du lithium
au fer. Il se termine en décrivant le rôle des supernovae et des rayonnements
cosmiques.
Le chapitre suivant est un bref rappel de la chronologie de l'usage des métaux dans
les civilisations.
Nous passons ensuite aux méthodes d'extraction et de préparation des différents
métaux, en mettant l'accent sur les prétraitements et sur la chimie des procédés de
raffinage.
Le chapitre suivant développe la production des aciers et des fontes et constitue une
introduction à un cours de métallurgie ou de sidérurgie. Il décrit les types de
minerais et explique le fonctionnement du haut-fourneau ainsi que la conversion des
fontes en acier avec tous leurs aspects chimiques. On y détaille aussi le diagramme
de phase Fer-Carbone et le rôle des traitements thermiques.

Matériaux métalliques2 - Origine des métaux
H. Schyns2.1
2. Origine des métaux
2.1. Introduction
La genèse des éléments présents dans l’univers en général et sur la Terre en
particulier est une question à laquelle une réponse satisfaisante n’a été donnée que
très récemment.
Avec l'invention du spectromètre, les astrophysiciens ont pu étudier la composition
chimique du Soleil, des étoiles et des milieux interstellaires. Ils ont rapidement
constaté que plus la masse atomique d'un atome est grande, moins il est présent
dans la nature. Seuls trois éléments échappent à cette règle : le lithium, le béryllium
et 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. Il
présente une théorie complète de la nucléosynthèse stellaire c’est-à-dire de
l’ensemble des processus physiques de synthèse de noyaux atomiques par fission
ou fusion nucléaire au sein des étoiles. Cet article est devenu tellement célèbre qu'il
est 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 création
de l’hydrogène lors du Big Bang jusqu'à la production des éléments les plus lourds
dans les supernovae.
Les quatre types de base de nucléosynthèse sont :
-la nucléosynthèse primordiale qui a eu lieu durant les premières minutes de
l'univers, responsable de la formation des noyaux légers, principalement
hélium 4 mais également deutérium, lithium 7 et béryllium 7. Aucun élément de
masse atomique supérieure à 7 n'a été créé durant cette nucléosynthèse.
-la nucléosynthèse stellaire a lieu dans les étoiles et crée une grande partie de
la vingtaine d’éléments allant du lithium au fer.
-la nucléosynthèse dans les supernovae produit la plupart des éléments plus
gros que le fer.
-la spallation cosmique ou nucléosynthèse interstellaire qui produit des
éléments légers tels que le lithium et le bore, par bombardement de matière par
des 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 expansion
adiabatique, l’a progressivement refroidi. Différentes formes de la matière sont
apparues 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. La
matière 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
1Il 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.