FER L'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.

Fer : caractéristiques physiques - crédits : Encyclopædia Universalis France — Fer : caractéristiques physiques
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Quelques propriétés sont données au tableau.

Structure cristalline

Analyse différentielle d'un échantillon - crédits : Encyclopædia Universalis France — Analyse différentielle d'un échantillon
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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.

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[...]

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Écrit par

Simone TALBOT-BESNARD : maître de recherche au C.N.R.S.

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Classification

Pour citer cet article

Simone TALBOT-BESNARD. FER - L'élément métallique [en ligne]. In Encyclopædia Universalis. Disponible sur : (consulté le )

TALBOT-BESNARD, S.. FER - L'élément métallique. Encyclopædia Universalis. (consulté le )

TALBOT-BESNARD, Simone. « FER - L'élément métallique ». Encyclopædia Universalis. Consulté le .

TALBOT-BESNARD, Simone. « FER - L'élément métallique ». Encyclopædia Universalis [en ligne], (consulté le )

Médias

Limites élastiques - crédits : Encyclopædia Universalis France — Limites élastiques

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Autres références

APPARITION DE L'INDUSTRIE DU FER
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Les premières traces de l'industrie du fer sont attestées vers 1700 à 1500 avant J.-C. dans le sud du Caucase. À cette époque, les forgerons chalybes faisaient chauffer un mélange de minerai de fer et de charbon de bois dans un simple trou. Chez les Hittites, ce procédé primitif évolue vers le...
FER, FONTE ET ACIER - (repères chronologiques)
- Écrit par Olivier LAVOISY
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— 1700-— 1500 Début de l'industrie du fer avec les premières traces, au Sud du Caucase, de foyers permettant la réduction (élimination d'oxygène) de minerais de fer au charbon de bois.
Vers — 1250 Une lettre du roi hittite Hattusil III mentionne une épée en fer.
— 1100-— 800...
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Rappelons que le fer existe sous deux variétés allotropiques différentes, c'est-à-dire avec deux formes cristallines.
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APPARITION DES HAUTS-FOURNEAUX
- Écrit par Olivier LAVOISY
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En Occident, les premiers hauts-fourneaux apparaissent vraisemblablement dans la région de Liège durant la seconde moitié du xiv^e siècle. Le principe est d'augmenter la taille des foyers pour accroître la production de fer. Cependant la réduction (élimination de l'oxygène) de minerais de fer...
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