alliage - Alloy


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Le métal de Wood , un eutectique , un alliage à bas point de fusion du bismuth , le plomb , l' étain et le cadmium

Un alliage est une combinaison de métaux ou d'un métal et d' un autre élément . Les alliages sont définis par une liaison métallique de caractère. Un alliage peut être une solution solide d'éléments métalliques (une seule phase) ou un mélange de phases métalliques (deux solutions ou plus). Intermétalliques composés sont des alliages avec une définition stoechiométrie et la structure cristalline. Phases Zintl sont aussi parfois des alliages considérés en fonction de types de liaisons (voir aussi: triangle Van Arkel-Ketelaar pour obtenir des informations sur la classification des liaisons dans les composés binaires).

Les alliages sont utilisés dans une grande variété d'applications. Dans certains cas, une combinaison de métaux peut réduire le coût global du matériel tout en conservant des propriétés importantes. Dans d' autres cas, la combinaison de métaux confère des propriétés synergiques aux éléments métalliques constitutifs tels que la résistance à la corrosion ou la résistance mécanique. Des exemples d'alliages sont en acier , la soudure , le laiton , l' étain , le duralumin , le bronze et des amalgames .

Les constituants de l' alliage sont généralement mesurés en pourcentage en masse pour des applications pratiques, et en fraction atomique pour des études de sciences fondamentales. Les alliages sont généralement classés en tant que substitution ou alliages interstitiels , en fonction de l'arrangement atomique qui forme l'alliage. Ils peuvent être en outre classés comme homogène (constitué d'une seule phase) ou hétérogène (consistant en deux ou plusieurs phases) ou intermétallique .

introduction

Liquide bronze , versé dans des moules pendant la coulée.
Un laiton lampe.

Un alliage est un mélange d' éléments chimiques , qui forme une substance impure (de mélange) qui conserve les caractéristiques d'un métal . Un alliage est distinct d'un métal impur en ce que, avec un alliage, les éléments ajoutés sont bien contrôlées pour produire des propriétés souhaitables, tandis que les métaux impurs tels que le fer forgé sont moins contrôlées, mais sont souvent considérées comme utiles. Les alliages sont préparés en mélangeant deux ou plusieurs éléments, dont au moins un est un métal. Cela est généralement appelé le métal primaire ou le métal de base, et le nom de ce métal peut aussi être le nom de l'alliage. Les autres constituants peuvent ou non être des métaux , mais, lorsqu'ils sont mélangés avec la base fondue, ils seront soluble et dissoudre dans le mélange. Les propriétés mécaniques des alliages sont souvent très différents de ceux de ses différents constituants. Un métal qui est normalement très doux ( malléable ), tels que l' aluminium , peut être modifié par celui - ci d' alliage avec un autre métal mou, tel que le cuivre . Bien que les deux métaux sont très doux et ductile , résultant en alliage d'aluminium aura beaucoup plus de force . L' ajout d' une petite quantité de non-métallique carbone pour fer de métiers sa grande ductilité pour la plus grande force d'un alliage appelé acier . En raison de sa force très élevée, mais toujours importante ténacité et sa capacité à être grandement modifié par traitement thermique , l' acier est l' un des alliages les plus utiles et communs dans l' utilisation moderne. En ajoutant du chrome à l' acier, sa résistance à la corrosion peut être améliorée, ce qui crée l' acier inoxydable , tout en ajoutant du silicium va modifier ses caractéristiques électriques, la production d' acier au silicium .

Tout comme l' huile et l' eau, un métal fondu peut pas mélanger toujours avec un autre élément. Par exemple, le fer pur est presque complètement insoluble avec le cuivre. Même lorsque les constituants sont solubles, chacun dispose généralement d' un point de saturation , au - delà duquel plus du constituant peut être ajouté. Le fer, par exemple, peut contenir un maximum de 6,67% de carbone. Bien que les éléments d'un alliage doivent habituellement être solubles dans le liquide état, ils ne peuvent pas toujours être solubles dans le solide état. Si les métaux restent solubles à l' état solide, l'alliage forme une solution solide , devenant ainsi une structure homogène constituée de cristaux identiques, appelée la phase . Si , comme le mélange refroidit les constituants deviennent insolubles, ils peuvent se séparer pour former deux ou plusieurs types différents de cristaux, ce qui crée une hétérogénéité microstructure de phases différentes, certaines avec plus d'un constituant de l'autre phase a. Cependant, dans d' autres alliages, les éléments insolubles peuvent pas se séparer jusqu'à ce que la cristallisation se produit. Si refroidi très rapidement, ils ont d' abord cristallisent une phase homogène, mais ils sont sursaturée avec les constituants secondaires. Au fil du temps, les atomes de ces alliages sursaturées peuvent se séparer du réseau cristallin, devenant plus stable, et former une deuxième phase , qui servent à renforcer les cristaux à l' intérieur.

Certains alliages, tels que electrum qui est un alliage constitué d' argent et d' or , sont présents naturellement. Météorites sont parfois faites de se produire naturellement des alliages de fer et de nickel , mais ne sont pas natifs de la Terre. L' un des premiers alliages fabriqués par l' homme était bronze , qui est un mélange des métaux étain et de cuivre . Bronze était un alliage extrêmement utile pour les anciens, parce qu'il est beaucoup plus fort et plus dur que l' un de ses composants. Acier était un autre alliage commun. Cependant, dans les temps anciens, il ne pouvait être créé comme un sous - produit accidentel du chauffage du minerai de fer dans les incendies ( fusion ) lors de la fabrication du fer. D' autres alliages anciens comprennent étain , laiton et fonte . Dans l'ère moderne, l' acier peut être créé sous de nombreuses formes. Acier au carbone peut être réalisé en faisant varier seulement la teneur en carbone, la production des alliages mous comme l' acier doux ou d' alliages durs tels que l' acier à ressort . Les aciers peuvent être réalisés en ajoutant d' autres éléments tels que le chrome , le molybdène , le vanadium ou le nickel , résultant en des alliages tels que l' acier à grande vitesse ou en acier à outils . De petites quantités de manganèse sont généralement alliés avec la plupart des aciers modernes en raison de sa capacité à éliminer les impuretés indésirables, comme le phosphore , le soufre et l' oxygène , ce qui peut avoir des effets néfastes sur l'alliage. Cependant, la plupart des alliages sont créés jusqu'à ce que les années 1900, tels que divers aluminium, le titane , le nickel et les alliages de magnésium . Certains modernes superalliages , tels que Incoloy , Inconel et Hastelloy , peuvent consister en une multitude d'éléments différents.

Terminologie

Un robinet-vanne, fabriqué à partir d' Inconel .

En tant que nom, l'alliage terme est utilisé pour décrire un mélange d'atomes dont le constituant principal est un métal. Lorsqu'il est utilisé comme un verbe, le terme se réfère à l'acte consistant à mélanger un métal avec d' autres éléments. Le métal de première fusion est appelée la base de la matrice , ou le solvant . Les constituants secondaires sont souvent appelés solutés . S'il y a un mélange de seulement deux types d'atomes ( et non les impuretés de comptage) , tel qu'un cuivre-nickel allié, il est alors appelé un alliage binaire. S'il y a trois types d'atomes formant le mélange, tels que le fer, le nickel et le chrome, il est alors appelé un alliage ternaire. Un alliage à quatre constituants est un alliage quaternaire, tandis qu'un alliage de cinq parties est appelé un alliage quinaire. Étant donné que le pourcentage de chaque constituant peut varier, avec tout mélange la gamme des variations possibles est appelé un système . A cet égard, toutes les différentes formes d'un alliage contenant seulement deux constituants, comme le fer et le carbone, est appelé un système binaire, tandis que toutes les combinaisons d'alliage possible avec un alliage ternaire, tel que des alliages de fer, du carbone et du chrome, est appelé un système ternaire .

Bien que l'alliage est techniquement un métal impur, en se référant à des alliages, le terme « impuretés » , on désigne habituellement les éléments qui ne sont pas souhaités. De telles impuretés sont introduites à partir des métaux de base et des éléments d'alliage, mais sont éliminés pendant le traitement. Par exemple, le soufre est une impureté commune en acier. Le soufre se combine facilement avec le fer pour former du sulfure de fer , qui est très fragile, en créant des points faibles dans l'acier. Lithium , sodium et calcium sont des impuretés courantes dans les alliages d'aluminium, qui peuvent avoir des effets néfastes sur l' intégrité structurale des pièces moulées. A l' inverse, sinon purs métaux qui contiennent simplement des impuretés indésirables sont souvent appelés « métaux impurs » et ne sont pas habituellement appelés alliages. L' oxygène présent dans l'air, se combine aisément avec la plupart des métaux pour former des oxydes métalliques ; en particulier à des températures plus élevées rencontrées au cours de l' alliage. Un grand soin est souvent pris au cours du processus d'alliage pour éliminer les impuretés en excès, en utilisant des flux , des additifs chimiques ou d' autres méthodes de la métallurgie extractive .

En pratique, certains alliages sont utilisés de façon prédominante par rapport à leurs métaux de base que le nom du constituant principal est également utilisé en tant que nom de l'alliage. Par exemple, 14 carats or est un alliage d'or avec d' autres éléments. De même, l' argent utilisé dans les bijoux et l' aluminium utilisé comme matériau de construction structural sont également alliages.

Le terme « alliage » est parfois utilisé dans le langage courant comme synonyme d'un alliage particulier. Par exemple, des roues d'automobiles en un alliage d'aluminium sont communément appelés simplement « jantes en alliage », bien que des aciers au point d'information et la plupart des autres métaux dans l' utilisation pratique sont également alliages. L' acier est un tel alliage commun que de nombreux éléments qui en sont issus, comme des roues , tonneaux , ou des poutres , sont simplement désignés par le nom de l'élément, en supposant qu'il est en acier. Lorsqu'elle est faite à partir d' autres matériaux, elles sont généralement spécifiées en tant que tel, (ex: « roue de bronze », « tonneau en plastique » ou « poutre en bois »).

Théorie

Un métal d' alliage est effectuée en le combinant avec un ou plusieurs autres éléments. Le plus courant et le plus ancien procédé d'alliage est effectuée par chauffage du métal de base au - delà de son point de fusion , puis la dissolution des solutés dans le liquide en fusion, qui peut être possible même si le point de fusion du soluté est beaucoup plus grande que celle de la base. Cependant, certains métaux et solutés, tels que le fer et le carbone, ont très haut point de fusion et il était impossible pour les anciens fondre. Ainsi, l' alliage peut également être réalisée avec un ou plusieurs constituants à l'état gazeux, tel que trouvé dans un haut fourneau pour rendre la fonte brute, nitruration , carbonitruration ou d' autres formes de cémentation , ou le procédé de cémentation utilisé pour fabriquer l' acier de type blister . Il peut également être fait avec une, plusieurs, ou tous les constituants à l'état solide, tels que l'on trouve dans les anciennes méthodes de soudage par motif , en acier de cisaillement , ou en acier creuset production, le mélange des éléments par l' intermédiaire de semi-conducteurs diffusion .

En ajoutant un autre élément à un métal, des différences dans la taille des atomes de créer des contraintes internes dans le réseau des cristaux métalliques; souligne que souvent améliorer ses propriétés. Par exemple, la combinaison de carbone avec du fer produit en acier , qui est plus fort que le fer , son élément principal. Le électrique et la conductivité thermique des alliages est généralement inférieure à celle des métaux purs. Les propriétés physiques telles que la densité , la réactivité , le module de Young d'un alliage ne peuvent pas très différentes de celles de son élément de base, mais les propriétés d' ingénierie telles que résistance à la traction , ductilité et la résistance au cisaillement peuvent être sensiblement différentes de celles des matériaux constitutifs. Cela est parfois en raison de la taille des atomes dans l'alliage, parce que les atomes plus grands exercent une force de compression sur les atomes voisins, et les plus petits atomes exercent une force de traction sur leurs voisins, en aidant l'alliage résister à la déformation. Parfois , les alliages peuvent présenter des différences marquées dans le comportement même lorsque de petites quantités d'un élément sont présents. Par exemple, les impuretés en semi - conductrices ferromagnétiques alliages conduisent à des propriétés différentes, comme la première prédits par White, Hogan, Suhl, Tian Abrie et Nakamura. Certains alliages sont fabriqués par fusion et le mélange de deux ou plusieurs métaux. Bronze , un alliage de cuivre et d' étain , a été le premier alliage découvert, au cours de la préhistoire période maintenant connue sous le nom Age du Bronze . Il était plus difficile que le cuivre pur et utilisé à l' origine pour fabriquer des outils et des armes, mais il a été remplacé plus tard par les métaux et les alliages avec de meilleures propriétés. Dans les derniers temps de bronze a été utilisé pour des ornements , des cloches , des statues et des paliers . Laiton est un alliage à base de cuivre et de zinc .

Contrairement aux métaux purs, la plupart des alliages ne disposent pas d' un seul point de fusion , mais une plage de fusion au cours de laquelle le matériau est un mélange de solides et liquides phases (une bouillie). La température à laquelle la fusion commence est appelé le solidus et la température lors de la fusion est juste complète que l' on appelle le liquidus . Pour de nombreux alliages il y a une proportion particulière de l' alliage (dans certains cas , plus d'un), appelé soit un eutectique du mélange ou d' une composition péritectique, ce qui donne à l'alliage un point de fusion unique et faible, et aucun liquide / solide transition de la neige fondante.

les alliages à traitement thermique

Allotropes de fer ( fer alpha et fer gamma ) montrant les différences de disposition atomique.
Photomicrographies d' acier . Haut photo: Recuit acier (refroidi lentement) forme une microstructure lamellaire hétérogène, appelée perlite , consistant en les phases de cémentite (lumière) et ferrite (foncé). Bottom: Trempé (rapidement refroidi) en acier forme une phase unique appelée martensite , dans lequel le carbone reste piégée à l' intérieur des cristaux, ce qui crée des contraintes internes.

Des éléments d' alliage sont ajoutés à un métal de base, pour induire la dureté , la ténacité , ductilité , ou d' autres propriétés souhaitées. La plupart des métaux et alliages peuvent être écroui en créant des défauts dans leur structure cristalline. Ces défauts sont créés lors de la déformation plastique par martelage, le pliage, l' extrusion, etc., et sont permanents à moins que le métal est recristallisé . Dans le cas contraire, certains alliages peuvent aussi avoir leurs propriétés modifiées par traitement thermique . Presque tous les métaux peuvent être adoucies par recuit , qui recristallise l'alliage et répare les défauts, mais pas autant peuvent être durcis par chauffage et refroidissement contrôlé. De nombreux alliages d' aluminium , le cuivre , le magnésium , le titane et le nickel peuvent être renforcées dans une certaine mesure par un procédé de traitement thermique, mais peu de répondre à cette au même degré que le fait d' acier .

Le fer à repasser en métal de base de l'alliage fer-carbone connu que l' acier, subit un changement dans l'agencement ( allotropy ) des atomes de la matrice cristalline à une certaine température (généralement entre 1 500 ° F (820 ° C) et 1600 ° F ( 870 ° C), en fonction de la teneur en carbone). Ceci permet aux plus petits atomes de carbone de pénétrer dans les interstices du cristal de fer. Lorsque cette diffusion se produit, les atomes de carbone sont dits être en solution dans le fer, en formant une seule phase particulière, homogène, cristalline appelée austénite . Si l'acier est refroidi lentement, le carbone peut diffuser hors du fer et il revient progressivement à son allotrope à basse température. Lors d'un refroidissement lent, les atomes de carbone ne seront plus comme soluble avec le fer, et seront contraints de précipiter hors de la solution, de nucléation en une forme plus concentrée de carbure de fer (Fe 3 C) dans les espaces entre les cristaux purs de fer. L'acier devient alors hétérogène, car il est formé de deux phases, la phase dite fer-carbone de la cémentite (ou carbure ), et fer pur ferrite . Un tel traitement thermique produit un acier qui est assez doux. Si l'acier est cependant refroidi rapidement, les atomes de carbone ne seront pas le temps de diffuser et précipiter le carbure, mais seront piégés dans des cristaux de fer. Lorsque rapidement refroidi, une transformation sans diffusion (martensitique) se produit, dans lequel les atomes de carbone sont piégés dans la solution. Cela provoque des cristaux de fer de se déformer en tant que structure cristalline tente de changer son état à basse température, en laissant les cristaux très dur , mais beaucoup moins ductile (plus friable).

Bien que la résistance élevée des résultats de l' acier lors de la diffusion et la précipitation est empêchée (formant martinsite), la plupart des alliages aptes au traitement thermique sont précipitation durcissante alliages, qui dépendent de la diffusion des éléments d'alliage pour obtenir leur force. Lorsqu'il est chauffé pour former une solution, puis refroidi rapidement, ces alliages deviennent beaucoup plus doux que la normale, lors de la transformation sans diffusion, mais se durcissent alors à mesure qu'ils vieillissent. Les solutés dans ces alliages précipitent au fil du temps, la formation d' intermétalliques phases, qui sont difficiles à discerner à partir du métal de base. Contrairement à l' acier, dans lequel la solution solide se sépare en différentes phases cristallines (carbure et ferrite), des alliages de durcissement de précipitation forment des phases différentes dans le même cristal. Ces alliages intermétalliques apparaissent homogènes dans la structure cristalline, mais ont tendance à se comporter de façon hétérogène, devenir dur et un peu fragile.

alliages de substitution et interstitiels

Différents mécanismes atomiques de formation d'alliage, montrant métal pur, de substitution, interstitielle, et une combinaison des deux.

Lorsqu'un métal fondu est mélangé avec une autre substance, il existe deux mécanismes qui peuvent causer un alliage pour former, appelé échange d'atome et le mécanisme interstitiel . La taille relative de chaque élément dans le mélange joue un rôle primordial dans la détermination de quel mécanisme se produira. Lorsque les atomes sont relativement similaires en taille, le procédé d'échange d'atome se produit habituellement, où une partie des atomes composant les cristaux métalliques sont substitués par des atomes de l'autre constituant. On appelle cela un alliage substitutive . Des exemples d'alliages de substitution comprennent le bronze et le laiton, dans lequel une partie des atomes de cuivre sont substitués avec soit l' étain ou des atomes de zinc , respectivement. Dans le cas du mécanisme interstitiel, un atome est généralement beaucoup plus petit que l'autre et ne peut pas remplacer avec succès pour l'autre type d'atome dans les cristaux du métal de base. Au lieu de cela, les atomes plus petits sont piégés dans les espaces entre les atomes de la matrice cristalline, appelés les interstices . Ceci est appelé un alliage interstitiel . L' acier est un exemple d'un alliage interstitiel, parce que les atomes de carbone de très petites insèrent dans les interstices de la matrice de fer. L' acier inoxydable est un exemple d'une combinaison d'alliages interstitiels et de substitution, parce que les atomes de carbone se placent dans les interstices, mais quelques - uns des atomes de fer sont remplacés par des atomes de nickel et de chrome.

Histoire et exemples

fer météorique

Une météorite et une hache qui a été forgé à partir de fer météorique .

L'utilisation d'alliages par l' homme a commencé avec l'utilisation du fer météorique , un alliage naturel de nickel et de fer . Il est le constituant principal des météorites de fer qui tombent de temps en temps vers le bas sur Terre depuis l' espace. Comme aucun processus métallurgiques ont été utilisés pour séparer le fer de nickel, l'alliage a été utilisé tel quel. Fer météorique pourrait être forgée à partir d' une chaleur rouge pour fabriquer des objets tels que des outils, des armes et des clous. Dans de nombreuses cultures , il a été façonné par martelage à froid dans des couteaux et des pointes de flèches. Ils étaient souvent utilisés comme enclumes. Fer météorique était très rare et précieuse, et difficile pour les anciens à travailler .

Bronze et laiton

Bronze hache 1100 BC
bronze heurtoir

Le fer est habituellement sous forme de minerai de fer sur la Terre, à l' exception d' un gisement de fer natif au Groenland , qui a été utilisé par les Inuits personnes. Natif cuivre , cependant, a été trouvé dans le monde entier, ainsi que l' argent , l' or et le platine , qui ont également été utilisés pour fabriquer des outils, des bijoux et d' autres objets depuis l' époque néolithique. Le cuivre a été le plus dur de ces métaux, et le plus largement diffusé. Il est devenu l' un des métaux les plus importants pour les anciens. Finalement, les humains ont appris à fondre des métaux tels que le cuivre et l' étain de minerai , et, vers 2500 avant JC, ont commencé les deux métaux d' alliage pour former le bronze , ce qui était beaucoup plus difficile que ses ingrédients. Tin était rare, cependant, se trouve principalement en Grande - Bretagne. Au Moyen - Orient, les gens ont commencé le cuivre alliage avec le zinc pour former le laiton . Les civilisations anciennes ont pris en compte le mélange et les diverses propriétés qu'elle produit, telles que la dureté , la ténacité et le point de fusion , dans diverses conditions de température et de durcissement de travail , le développement une grande partie de l'information contenue dans modernes diagrammes de phase d'alliage . Par exemple, de la Chine pointes de flèches dynastie Qin (environ 200 avant JC) ont été souvent construites avec une médaille de bronze tête dure, mais une douce-tang en bronze, en combinant les alliages à prévenir à la fois ternissement et briser pendant l' utilisation.

amalgames

Le mercure a été de fondu cinabre depuis des milliers d'années. Le mercure se dissout de nombreux métaux tels que l' or, l' argent et l' étain, pour former des amalgames (un alliage dans une pâte molle ou liquide à température ambiante). Amalgames ont été utilisés depuis 200 avant JC en Chine pour Dorure des objets tels que des armures et des miroirs avec des métaux précieux. Les anciens Romains souvent utilisé-étain amalgames mercure pour dorant leur armure. L'amalgame a été appliqué comme une pâte, puis jusqu'à ce que le mercure chauffé vaporisée, laissant l'or, l' argent ou de l' étain derrière. Le mercure a souvent été utilisé dans le secteur minier, pour extraire les métaux précieux comme l' or et l' argent de leurs minerais.

alliages de métaux précieux,

Électrum , un alliage naturel d'argent et d' or, a été souvent utilisé pour la fabrication de pièces de monnaie.

De nombreuses civilisations anciennes métaux à des fins purement allié esthétiques. Dans l' ancienne Egypte et Mycènes , l' or était souvent allié avec le cuivre pour produire rouge-or, ou de fer pour produire un bourgogne-or brillant. Or était souvent allié avec l' argent ou d' autres métaux pour produire divers types de couleur or . Ces métaux ont également été utilisés pour renforcer mutuellement, à des fins plus pratiques. Le cuivre a été souvent ajouté à l' argent pour faire l' argent sterling , en augmentant sa force pour une utilisation dans les plats, couverts et autres articles pratiques. Très souvent, les métaux précieux ont été alliés avec des substances moins précieuses comme un moyen de tromper les acheteurs. Vers 250 avant JC, Archimedes a été commandé par le roi de Syracuse pour trouver un moyen de vérifier la pureté de l'or dans une couronne, menant à la célèbre criant bain-maison de « Eureka! » à la découverte du principe d'Archimède .

Étain

Le terme étain couvre une variété d'alliages constituées principalement de l' étain. En tant que métal pur, l' étain est beaucoup trop mou pour être utilisé à des fins pratiques. Cependant, au cours de l' âge de bronze , l' étain était un métal rare dans de nombreuses régions d'Europe et de la Méditerranée; en raison de cela , il était souvent plus grande valeur que l' or. Pour faire des bijoux, des couverts ou d' autres objets de l' étain, il était généralement dans des alliages pour augmenter sa résistance et la dureté. Ces métaux sont généralement plomb , l' antimoine , du bismuth ou du cuivre. Ces solutés ont parfois été ajoutés individuellement en quantités variables, ou additionnés, ce qui rend une grande variété d'objets, allant des articles pratiques tels que des plats, des outils chirurgicaux, des chandeliers ou des entonnoirs, à des éléments décoratifs comme des boucles d'oreilles et des pinces à cheveux.

Les exemples d'étain premières proviennent de l' Egypte ancienne, vers 1450 av. L'utilisation de l' étain était très répandu à travers l' Europe, de la France à la Norvège et la Grande - Bretagne (où la plupart de l'étain antique a été minée) au Proche - Orient. L'alliage a également été utilisé en Chine et l'Extrême - Orient, d' arriver au Japon vers 800 après JC, où il a été utilisé pour fabriquer des objets comme des vases d' apparat, boîtes de thé, ou calices utilisés dans shinto sanctuaires.

fer en acier et le porc

Puddlage en Chine, vers 1637. En face de la plupart des procédés d'alliage, la fonte liquide est versé à partir d' un haut-fourneau dans un récipient et on l' agite pour éliminer le carbone qui se diffuse dans l'air formant le dioxyde de carbone, en laissant derrière un acier doux en fer forgé.

La première a commencé la fusion du fer connu en Anatolie , vers 1800 av. Appelé le processus de bloomery , il produit très doux mais ductile en fer forgé . En 800 avant notre ère, la technologie de fabrication du fer avait répandu en Europe, en arrivant au Japon vers 700 après JC. Fer de porc , un alliage très dur , mais fragile de fer et de carbone , a été produite en Chine dès 1200 avant JC, mais ne sont pas arrivés en Europe jusqu'au Moyen Age. Fonte d' affinage a un point de fusion inférieur à celui du fer, et a été utilisé pour la fabrication de fonte . Cependant, ces métaux ont trouvé peu pratique jusqu'à l'introduction de l' acier au creuset autour de 300 av. Ces aciers étaient de mauvaise qualité, et l'introduction de soudage modèle , autour du 1er siècle après JC, ont cherché à équilibrer les propriétés extrêmes des alliages en les laminant, pour créer un métal plus dur. Autour de 700 AD, les Japonais ont commencé à plier bloomery en acier et en fonte en couches alternées pour augmenter la force de l'épée, à l' aide des flux d'argile pour éliminer les scories et les impuretés. Cette méthode de fabrication des sabres japonais a produit l' un des plus purs acier alliages du début du Moyen Age.

Bien que l'utilisation du fer a commencé à se généraliser vers 1200 avant JC, principalement en raison des interruptions des routes commerciales pour l' étain, le métal était beaucoup plus doux que le bronze. Toutefois, de très petites quantités d' acier , (un alliage de fer et d' environ 1% de carbone), a toujours été un sous - produit du processus de bloomery. La possibilité de modifier la dureté de l' acier par traitement thermique avait été connu depuis 1100 avant JC, et le matériel rare a été apprécié pour la fabrication d'outils et d' armes. Parce que les anciens ne pouvaient pas produire des températures suffisamment élevées pour faire fondre le fer entièrement, la production d'acier en quantités décentes n'a pas eu lieu jusqu'à ce que l'introduction de l' acier thermoformée au Moyen Age. Ce procédé introduit le carbone par chauffage en fer forgé en charbon de bois pendant de longues périodes de temps, mais la pénétration du carbone est peu profonde, de sorte que l'alliage n'a pas été homogène. En 1740, Benjamin Huntsman a commencé acier blister fusion dans un creuset pour égaliser la teneur en carbone, créant ainsi le premier procédé de production de masse d' acier à outils . Le processus de Huntsman a été utilisé pour l' acier d'outils de fabrication jusqu'au début des années 1900.

Avec l'introduction du haut fourneau en Europe au Moyen Age, la fonte brute a pu être produit dans des volumes beaucoup plus élevés que le fer forgé. Parce que le fer de porc pourrait être fondu, les gens ont commencé à développer des processus de réduction du carbone dans le liquide de la fonte pour créer l' acier. Puddling avait été utilisé en Chine depuis le premier siècle, et a été introduit en Europe au cours des années 1700, où la fonte liquide a été agité lorsqu'il est exposé à l'air, pour éliminer le carbone par oxydation . En 1858, Sir Henry Bessemer a développé un procédé de fabrication d' acier par soufflage d' air chaud à travers la fonte brute liquide pour réduire la teneur en carbone. Le processus Bessemer a pu produire la première fabrication à grande échelle de l' acier.

Les aciers alliés

Bien que l' acier est un alliage de fer et de carbone, le terme « alliage d'acier » se réfère généralement à ces aciers qui contiennent d' autres éléments tels que le vanadium , le molybdène ou cobalt en quantités suffisantes pour modifier les propriétés de l'acier de base. Depuis les temps anciens lorsque l' acier a été utilisé principalement pour des outils et des armes, les méthodes de production et de travail du métal étaient souvent secrets gardés de près. Même longtemps après l' âge de la raison , l'industrie sidérurgique était très compétitif et les fabricants est passé par de grands efforts pour garder leurs processus confidentiel, résister à toute tentative d'analyser scientifiquement le matériel de peur qu'il révélerait leurs méthodes. Par exemple, les habitants de Sheffield , un centre de production d'acier en Angleterre, ont été connus pour interdire systématiquement les visiteurs et les touristes d'entrer dans la ville pour dissuader l' espionnage industriel . Ainsi, presque aucune information métallurgique existait sur l' acier jusqu'en 1860. En raison de ce manque de compréhension, de l' acier n'a pas été généralement considéré comme un alliage jusqu'à ce que les décennies entre 1930 et 1970 (principalement en raison des travaux de scientifiques comme William Chandler Roberts-Austen , Adolph Martens et Edgar Bain ), donc « acier allié » est devenu le terme populaire pour ternaires et quaternaires acier-alliages.

Après Benjamin Huntsman a développé son acier creuset en 1740, il a commencé à expérimenter avec l'ajout d'éléments tels que le manganèse (appelé sous la forme d'un porc-fer-manganèse à haute spiegel ), ce qui a permis d' éliminer les impuretés telles que le phosphore et l' oxygène; un processus adopté par Bessemer et encore utilisés dans les aciers modernes (mais dans des concentrations suffisamment faibles pour être toujours en acier au carbone). Par la suite, beaucoup de gens ont commencé à expérimenter avec divers alliages d'acier sans grand succès. Cependant, en 1882, Robert Hadfield , étant un pionnier dans la métallurgie de l' acier, a un intérêt et produit un alliage d'acier contenant environ 12% de manganèse. Appelé mangalloy , il présentait une extrême dureté et la ténacité, devenant ainsi le premier alliage d'acier commercialement viable. Par la suite, il a créé l' acier au silicium , lancer la recherche d'autres alliages possibles d'acier.

Robert Forester Mushet a constaté qu'en ajoutant le tungstène à l' acier , il pourrait produire un bord très dur qui résiste perdre sa dureté à des températures élevées. « Acier spécial de R. Mushet » (RMS) est devenu le premier acier à haute vitesse . En 1912, le Krupp Hütte en Allemagne a élaboré un acier résistant à la rouille par l' addition de 21% de chrome et de 7% de nickel , en produisant le premier acier inoxydable .

alliages précipitation durcissant

En 1906, durcissement des précipitations alliages ont été découverts par Alfred Wilm . Précipitation des alliages de durcissement, tels que certains alliages d' aluminium , le titane et le cuivre, les alliages sont aptes au traitement thermique qui ramollissent lorsque trempe (refroidissement rapide), puis durcissent avec le temps. Après la trempe d' un alliage ternaire de l' aluminium, le cuivre et le magnésium , Wilm a découvert que l'alliage a augmenté de dureté lorsqu'il est laissé à vieillir à la température ambiante. Bien que l'explication du phénomène n'a pas été fourni jusqu'en 1919, duralumin a été l' un des premiers alliages « de durcissement de l' âge » à utiliser, et fut bientôt suivi par beaucoup d' autres. Parce qu'ils présentent souvent une combinaison de haute résistance et de faible poids, ces alliages sont devenus largement utilisés dans de nombreuses formes de l' industrie, y compris la construction de modernes avions .

Voir également

Références

Bibliographie

  • Buchwald, Vagn Fabritius (2005). Fer et acier dans les temps anciens . Det Kongelige Danske Videnskabernes Selskab. ISBN  87-7304-308-7 .

Liens externes