ALLIAGES

Les alliages représentent une illustration matérielle du vieux dicton « l'union fait la force ». L'homme a toujours cherché des matériaux plus performants à l'utilisation, plus faciles à fabriquer ou à mettre en œuvre et plus économiques. Les alliages métalliques sont particulièrement importants dans la société humaine, et ce depuis l'Âge du bronze. Les métaux de grande pureté (99,99 p. 100 en poids du métal, ou mieux) n'ont pas, dans l'ensemble, d'utilisation pratique en dehors de la distribution d'électricité (cuivre, aluminium) ; cela est dû à leurs propriétés très médiocres, sauf en ce qui concerne les conductivités électrique et thermique, d'autant meilleures que le métal considéré est plus pur. Les impuretés, malgré la connotation péjorative du mot, durcissent les métaux et, pour peu qu'elles soient judicieusement choisies et dosées, permettent d'améliorer sensiblement les possibilités d'emploi de ces métaux ainsi que, souvent, les conditions de leur élaboration et leur mise en œuvre.

C'est la raison d'être de ces associations de substances à l'échelle atomique ou moléculaire appelées alliages, qui furent d'abord métalliques, puis débordèrent le domaine de la métallurgie pour toucher la chimie organique et la science des céramiques.

La fonte de fer, alliage de fer et de 2 à 5 p. 100 en poids de carbone, exemple type, même s'il est particulier (le carbone n'est pas un métal), permet de réaliser de nombreux objets qui vont du bâti de machine-outil au bras de suspension d'automobile en passant par les tuyaux d'adduction d'eau ou de gaz. Cette même fonte commence à fondre à 1 150 ⁰C environ, tandis que le fer pur n'a aucune application dans la vie quotidienne mais fond à 1 538 ⁰C. Cela explique, au moins partiellement, qu'on rencontre dans les usines sidérurgiques des dispositifs (poches ou mélangeurs) permettant de stocker la fonte liquide en grande quantité, mais rien d'équivalent pour le fer pur, bien que celui-ci soit à la base de tous les aciers et fontes et qu'il figure aussi dans d'autres composés.

Alliages binaires

Les alliages les plus simples à étudier sont les alliages binaires métalliques, c'est-à-dire ceux qui sont formés par association à l'échelle atomique de deux métaux, lesquels sont des éléments de la classification périodique. La méthode la plus immédiate pour préparer un alliage binaire consiste à fondre ensemble, par chauffage, les deux métaux composants et à laisser le liquide refroidir. Le résultat d'une telle opération dépend essentiellement des éléments mis en cause. Suivant leur nature et leur dosage, on peut obtenir plusieurs types de résultats :

– un produit totalement différent des deux métaux de départ, lorsque l'association à l'échelle atomique est énergétiquement favorable et qu'on forme ce qui est appelé un composé intermédiaire ;

– un produit ressemblant à l'un des composants, plus ou moins modifié ; il s'agit alors d'une solution solide ;

– un mélange des deux composants quasi purs à l'échelle de grains dont la taille varie de quelques micromètres à quelques millimètres ; on obtient un eutectique ;

– une séparation en deux couches avec, au-dessus, le métal léger et, au-dessous, le métal lourd, si l'association à l'échelle atomique est énergétiquement défavorable et si la tendance à la répulsion des atomes dissemblables s'accompagne d'une grande différence de masse ; ce dernier cas a déjà justifié des expériences en microgravité.

Les divers comportements évoqués ci-dessus sont à la base de la recherche de nouveaux alliages. Il n'est malheureusement pas encore possible de les prévoir d'une façon efficace et économique par des modèles théoriques. La recherche en métallurgie a donc été pendant très longtemps, et est encore, même si c'est à un degré moindre, une recherche expérimentale, mêlant l'observation des phénomènes à l'intuition, à la chance et aux tentatives de systématisation à partir de paramètres empiriques. Les progrès de la mécanique quantique ont certes permis de développer des modèles théoriques des métaux purs, puis des alliages, mais le niveau des enseignements apportés reste limité et ne permet pas encore de déterminer a priori la composition d'un alliage et le traitement à lui appliquer pour obtenir un résultat précis.

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