FERL'élément métallique

Le fer est l'élément chimique métallique de numéro atomique 26, de symbole Fe. Dans la classification périodique, il se place dans la première série de transition entre le manganèse et le cobalt. Ses propriétés chimiques sont voisines de celles du cobalt.

C'est un métal très ductile et malléable qu'on peut modeler sans le fondre. Les propriétés mécaniques dépendent de la pureté et sont en particulier grandement modifiées dans les aciers (alliages avec le carbone et divers éléments). Elles peuvent être très améliorées par des traitements thermiques.

En outre, le fer subit une importante corrosion, ce qui explique qu'il subsiste peu d'objets anciens façonnés dans ce métal, par comparaison à ceux qui sont en or, en argent ou en cuivre.

Physico-chimie

Il existe quatre isotopes stables, de nombre de masse 56, 54, 57 et 58, classés par ordre d'abondance. Six isotopes radioactifs de nombre de masse 52, 53, 55, 59, 60 et 61, de période de décroissance respective 8 h, 9 min, 3 ans, 45 j, 10⁵ ans et 100 min ont été synthétisés.

La résistivité électrique du fer est très sensible aux traces d'impuretés et aux défauts de structure des échantillons. C'est ce qui explique que les résultats publiés ne soient pas toujours identiques. À 0 ⁰C, les valeurs trouvées s'échelonnent entre 8,57 et 9,67 μΩcm ; à 20 ⁰C, entre 9,68 et 10,5 μΩcm. Le rapport de résistivité résiduelle à l'hydrogène liquide (ρ_amb/ρ_H) peut atteindre 5 500.

Dans le domaine optique, le spectre du fer est très complexe : entre 185,5 nm et 1197,3 nm, il comporte 3 606 raies dont certaines ont été choisies comme références.

Quelques propriétés sont données au tableau.

Fer : caractéristiques physiques

Quelques caractéristiques physiques du fer. 

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Structure cristalline

Le fer peut exister sous deux formes cristallines. La forme stable dans les conditions ordinaires de température et de pression est la forme cubique centrée du fer α. Entre 910 ⁰C et 1 390 ⁰C, on observe la forme cubique à faces centrées du fer γ. Au-delà de 1 390 ⁰C et jusqu'au point de fusion, on retrouve la structure cubique centrée : c'est le fer δ. Il en résulte deux points de transformation allotropique. Les transformations observées au chauffage sont réversibles au refroidissement, mais il existe une hystérésis.

Analyse différentielle d'un échantillon

Courbes schématiques d'analyse thermique différentielle d'un échantillon de fer : on observe une hystérésis très nette à la transformation a⇌ɣ, alors que l'effet thermique correspondant au point de Curie apparaît à la même température au chauffage et au refroidissement. 

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Les transformations s'accompagnent d'une variation brusque de toutes les propriétés physiques : chaleur spécifique, dilatation, résistivité électrique, pouvoir thermo-électrique, susceptibilité magnétique, etc. De plus, on observe une contraction de volume quand la structure cubique centrée se transforme en structure cubique à faces centrées. Par suite, pour déterminer les points de transformation du fer, il suffit d'étudier, en fonction de la température, les variations de l'une de ces propriétés physiques. Les méthodes les plus utilisées sont la dilatométrie, l'analyse thermique différentielle, les mesures électriques et magnétiques. Les points de transformation varient avec la pureté du métal. Le paramètre de la structure du fer α est a = 0,286 64 nm à 25 ⁰C. Le paramètre de la structure cubique à faces centrées du fer à la température ordinaire peut être obtenu par extrapolation des mesures de paramètre des alliages de fer cubiques à faces centrées. Deux valeurs différentes sont obtenues : a_Feγ = 0,364 nm à partir des alliages FePt, FePd, FeNi à plus de 30 p. 100 en Ni où le moment magnétique de l'atome de fer est élevé (∼ 2,8 μ_B), a_Feγ = 0,356 nm à partir des alliages FeC, FeN, FeMn où le moment magnétique de l'atome de fer est plus faible (∼ 0,7 μ_B).

Le fer α est le type d'une substance ferro-magnétique. Au-delà de 769 ⁰C (point de Curie), il devient paramagnétique. Les caractéristiques magnétiques sont fortement influencées par la pureté du métal et sa structure ; les courbes d'aimantation varient avec la direction cristallographique que l'on considère.

Caractéristiques mécaniques

La limite d'élasticité telle qu'on la définit habituellement dans un essai de traction est la force pour laquelle les allongements cessent d'être proportionnels à l'effort : c'est la limite d'élasticité proportionnelle σ_p.

Quand le fer est à l'état recuit ou vieilli, on observe généralement une limite d'élasticité supérieure LES et une limite d'élasticité inférieure LEI (fig. 2). La limite d'élasticité proportionnelle σ_p coïncide alors pratiquement avec la LES. Si on augmente la sensibilité de l'appareil de mesure, la valeur déterminée pour σ_p diminue et, avec des extensomètres très sensibles, on a pu mettre en évidence une microdéformation irréversible de l'ordre de 10^—6 avant que la limite d'élasticité supérieure soit atteinte.

Limites élastiques

Les différentes limites élastiques du fer ; échantillon recuit ou vieilli (a), échantillon ayant subi un léger écrouissage préalable (b à i). 

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Quand l'échantillon de fer est préalablement soumis à un léger écrouissage qui crée des dislocations mobiles, puis à des charges et décharges cycliques d'amplitude croissante, l'étude des courbes permet de définir :

– une limite d'élasticité vraie σ_E, qui correspond à la charge minimale nécessaire pour obtenir le premier cycle fermé (courbe d), c'est-à-dire la plus petite charge pour laquelle le mouvement d'un assez grand nombre de dislocations peut être décelé directement par l'extensomètre (σ_E varierait, pour un monocristal, de 50 à 250 g/mm² suivant l'orientation considérée) ;

– une limite anélastique σ_A, qui correspond à la charge minimale pour laquelle le cycle ne se referme pas (courbe h) ; σ_A est généralement identique à σ_p.

Malgré son degré de symétrie élevé, le cristal cubique de fer présente une nette anisotropie de ses caractéristiques d'élasticité : l'isotropie ne se trouve pratiquement réalisée que pour les échantillons polycristallins dépourvus d'orientations préférentielles.

Pratiquement, la courbe de départ n'est pas toujours linéaire et on définit une limite d'élasticité conventionnelle correspondant à une déformation donnée, par exemple 0,02, 0,05 ou 0,2 p. 100. Elle varie de 5 à 16 kg/mm² à la température ordinaire selon l'échantillon utilisé.

Le module d'élasticité, ou module de Young, pente de la droite du début de la traction à la LES, dépend fortement de l'orientation du monocristal.

Si on agrandit fortement l'axe des allongements, on constate l'existence d'un palier à la limite d'élasticité inférieure qui traduit la formation des „bandes de Piobert Lüders“. Elles correspondent à une déformation hétérogène de l'échantillon, localisée dans des bandes qui se déplacent le long de l'éprouvette, le reste de la matrice restant non déformé (fig. 3). Cette déformation se produit sous charge constante.

Lignes de Piobert-Lüdres

Courbes de traction de deux éprouvettes de fer identiques (50 mm de long, 5 mm de large, 0,5 mm d'épaisseur) obtenues avec la micromachine Chevenard et présentant des lignes de Piobert-Lüders. 

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Au-delà de la LES et jusqu'à la résistance maximale à la rupture, l'effort nécessaire pour produire une nouvelle déformation croît régulièrement. La déformation entraîne un durcissement du m [...]

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