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
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'alliage | Composition de l'alliage | Exemple d'utilisation |
| Amalgame | Mercure (45-55 %), reste (45-55 %) : argent, étain, cuivre et zinc. | Limaille dentaire |
| Laiton | Cuivre (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 |
| Fonte | Fer (96-98 %), carbone (2-4 %), % restant : silicium | ustensiles de cuisine |
| Canon de fusil | Cuivre (80-90%), étain (3-10%), zinc (2-3%), % restant : phosphore | Pistolets |
| Étain | Étain (80-99%), % restant : cuivre, plomb, antimoine | Articles de décoration |
| Acier inoxydable | Fer (>50%), chrome (10-30%), % restant : carbone, nickel, manganèse, molybdène et autres métaux. | Bijoux |
| Argent massif | Argent (92,5 %), cuivre (7,5 %) | Outils médicaux |
Structure atomique des métaux et des alliages
La structure atomique d'un métal est assez simple :
Structure 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 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 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 :
cubique centrée(BCC)
Hexagonal fermé (HCP)
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 :
Cellule 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 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) :
Cellule 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 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 :
- Cubique centré (Bcc)
- Hexagonal fermé (Hcp)
- 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.
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