91 types de métaux et leurs applications techniques

Les métaux sont l'épine dorsale de l'ingénierie. Ils sont utilisés pour fabriquer la structure des gratte-ciel et des machines de pointe. Dans le génie mécanique, les métaux sont importants en raison de leur importance en termes de durabilité, d’innovation, de point de fusion élevé, de rapport résistance/poids élevé et d’efficacité dans diverses industries. Dans les matériaux d'ingénierie mécanique, les métaux sont utilisés dans la construction de composants structurels, de machines et d'outils en raison de leurs propriétés remarquables qui les rendent adaptés aux applications de matériaux d'ingénierie. Dans cet article, vous obtiendrez une analyse approfondie des propriétés des métaux, des réactions des métaux, de la fabrication des métaux, des liaisons auxquelles ils participent et de l'utilisation des métaux dans différentes applications d'ingénierie.

Concepts fondamentaux des métaux

Les métaux sont naturels dans les composants organiques. La fabrication du métal se fait en extrayant la matière première (minerais) trouvée à la surface d'Erath. Les métaux sont surtout connus pour leurs propriétés telles que des points de fusion élevés, leur durabilité, leur lustre et leur rapport résistance/poids élevé. Les métaux sont de bons conducteurs de chaleur et d'électricité.

Définir les métaux : de la structure atomique aux utilisations pratiques

Toutes sortes de métaux sont composés d’atomes. Les atomes sont les plus petites structures qui sont fortement maintenues ensemble par une liaison métallique également connue sous le nom de liaison de délocalisation. L’atome de structure la plus simple est la pierre angulaire de toutes sortes de métaux. Comprendre pratiquement la structure atomique des différents types de métaux vous aidera à comprendre l’ingénierie des matériaux et la réactivité des métaux.

Figure montrant la structure de l’atome.

Structure atomique et modèle de nuage d'électrons

Les atomes sont constitués du noyau central contenant des protons (chargés positivement) et des neutrons. Ce noyau est entouré du nuage électronique. Alors que le système de nuages ​​​​d'électrons décrit la zone de probabilité de localisation des électrons autour du noyau en raison du principe d'incertitude. Pour comprendre le comportement de différents types de métaux en termes de liaison, de propriétés et de réactivité dans différents environnements, il est crucial de comprendre le modèle du nuage électronique.

Figure illustrant la différence entre le modèle atomique de Bohr et le modèle de nuage d'électrons.

Vidéo YouTube expliquant le modèle du nuage d'électrons.
https://www.youtube.com/watch?v=FMlZq9NG_lo&pp=ygUjYmhvciBhdG9taWMgbW9kZWwgdnMgZWxlY3Ryb24gY2xvdWQ%3D

Métaux sur le tableau périodique

Qu'est-ce qu'un métal dans le tableau périodique

Une partie importante du tableau périodique est occupée par les métaux précieux. Les métaux se trouvent généralement sur le côté gauche et au milieu du tableau périodique. L'hydrogène n'est pas inclus en tant que métal. Les métaux ont tendance à perdre des électrons, ce qui en fait des ions auto-chargés positivement qui forment une liaison métallique. Il y a près de 91 métaux au total dans le tableau périodique.

Tableau périodique montrant la position des métaux, métalloïdes et non-métaux dans le tableau périodique.

Vidéo YouTube expliquant la différence entre les métaux, les métalloïdes et les non-métaux.

https://www.youtube.com/watch?v=dpyfCuXVSkg&pp=ygUfbWV0YWxzIG5vbm1ldGFscyBhbmQgbWV0YWxsb2lkcw%3D%3D

Propriétés de base et types de métaux

1. Propriétés physiques : point de fusion et conductivité électrique

Les métaux ont des points de fusion élevés et sont de bons conducteurs électriques.

Tableau montrant le point de fusion et la conductivité électrique des métaux.

Propriétés chimiques : réaction avec l'oxygène et résistance à la corrosion

1. Réaction avec l’oxygène :

Les matières premières métalliques sont réduites pour former des métaux purs. Normalement, la métallurgie des métaux fait qu'ils réagissent très rapidement avec l'oxygène car tous les types de métaux tentent de retrouver leur matière première sous forme d'oxydes. Cette réaction de toutes sortes de métaux avec l’oxygène est connue sous le nom d’oxydation. Le processus de réaction de l’oxygène est connu sous le nom d’oxydation.

Par exemple

• La production d'oxyde de fer se produit lorsque le fer réagit avec l'oxygène. Ci-dessous, la réaction de l'oxygène avec le fer 4Fe+3O2​→2Fe2​O3​

Figure montrant les phénomènes de rouille du fer.

• L'oxyde d'aluminium se forme lorsque l'aluminium (Al) réagit avec l'oxygène 4Al+3O2​→2Al2​O3​

• L'oxyde de cuivre se forme lorsque le cuivre (Cu) réagit avec l'oxygène 4Cu+O2​→2Cu2​O

Vidéo YouTube expliquant le processus de rouille du fer et sa prévention.
https://www.youtube.com/watch?v=jQoE_9x37mQ&pp=ygUMaXJvbiBydXN0aW5n

2. Résistance à la corrosion :

La résistance à la corrosion est la capacité des métaux précieux à résister à la détérioration due à une réaction chimique dans différents environnements. Certains métaux présentent une excellente résistance à la corrosion en raison de la formation d’une couche de passivation d’oxyde. Normalement, les métaux ayant une valeur électronégative élevée sur l'échelle de Pauling ont une couche d'oxyde plus stable qui améliore leur résistance à la corrosion par rapport aux métaux faiblement électronégatifs. Par exemple, l'or, un métal précieux, a une valeur électronégative plus élevée sur l'échelle de Pauling, c'est pourquoi il a une meilleure valeur électronégative que Fe et Zn.

Tableau montrant l'électronégativité de certains métaux de l'échelle de Pauling.

Selon le principe de la métallurgie, lorsque deux métaux forment une cellule galvanique, le métal à haut potentiel agira comme une anode dans une cellule et se corrodera donc tandis que l'autre métal sera protecteur.

Figure montrant une cellule galvanique entre un boulon en aluminium et en alliage de cuivre.

Figure montrant des séries galvaniques typiques.

Vidéo YouTube expliquant la série Galvanic et la cellule Galvanic.

 https://www.youtube.com/watch?v=V3TeYfUNbGY&pp=ygUXZ2x2YW5pYyBzZXJpZXMgYW5kIGNlbGw%3D

Tous les types de métaux en ingénierie

Métaux ferreux : variantes du fer et de l'acier

1. Le fer : de la fonte brute au fer forgé

La fonte brute est la matière première brute extraite directement du haut fourneau. Le fer forgé, quant à lui, est la forme raffinée du fer. Le fer forgé a généralement une teneur en carbone inférieure à 0.08 %.

Tableau montrant le fer en métal ferreux.

2. Acier : acier au carbone, acier allié et acier inoxydable

Métaux non ferreux : cuivre, aluminium et au-delà

1. Cuivre : Propriétés et alliages de cuivre

Le cuivre, métal précieux, a le symbole chimique Cu et un numéro atomique de 29. La chalcopyrite (CuFeS2) et la malachite (Cu2CO3(OH)2) sont les matières premières pour la fabrication du cuivre métallique. Le cuivre est de couleur rouge-orange avec un point de fusion, une ductilité et une malléabilité élevés.

Tableau montrant les propriétés de base du cuivre.

Certains des alliages de cuivre sont indiqués ci-dessous :

• de bronze
• Laiton
• Alliages cuivre-nickel
• Cuivre beryllium
• Alliages cuivre-nickel-silicium

2. Aluminium : léger et résistant à la corrosion

Poids léger:

L'aluminium est l'un des matériaux d'ingénierie les plus légers. En raison de sa faible densité de 2.7 g/cm3, l'aluminium est largement utilisé dans les applications aérospatiales. L'aluminium présente un rapport résistance/poids élevé. Sa densité est d'un tiers de celle de l'acier.

Résistance à la corrosion:

L'aluminium, lorsqu'il est exposé à l'oxygène, forme une couche d'oxyde d'aluminium à sa surface. Cette couche d'oxyde, également connue sous le nom de couche de passivation, agit comme une barrière entre l'environnement et l'aluminium interne et l'empêche ainsi de se corroder. L'aluminium est largement utilisé dans les environnements humides en raison de sa capacité de résistance à la corrosion.

Figure montrant un composant aérospatial en aluminium.

3. Bronze et laiton : alliages de cuivre et leurs utilisations

Tableau montrant la différence entre le laiton et le bronze.

Figure montrant quelques métaux non ferreux.

Métaux et alliages spéciaux

1. Titane : résistance et applications aérospatiales

Le titane a un rapport résistance/poids élevé, une résistance à la corrosion et un point de fusion élevé, ce qui en fait un métal précieux pour une utilisation aérospatiale. La résistance à la traction ultime du titane est d'environ 434 MPa, le module d'élasticité est presque d'environ 105 GPa et la limite d'élasticité de 370 MPa.

Tableau montrant les nuances de titane pouvant être utilisées dans les applications aérospatiales

Figure montrant un composant aérospatial imprimé en 3D en alliage de titane.

2. Métaux rares et métaux alcalino-terreux

Des points de fusion élevés et d'excellentes propriétés électriques sont les principales propriétés des métaux rares comme le tantale et le niobium, c'est pourquoi ils sont utilisés dans différentes applications électroniques et aérospatiales. Alors que les métaux alcalino-terreux sont comme le calcium et le magnésium, les métaux rares sont bien connus pour leur grande réactivité et sont couramment utilisés dans les applications métallurgiques, pharmaceutiques et de construction.

Tableau montrant différents éléments et applications des métaux rares et des métaux alcalino-terreux.

Figure montrant une image d’éléments alcalino-terreux.

Critères de sélection des métaux pour les applications d'ingénierie

La sélection des matériaux d'ingénierie peut être effectuée sur la base des critères suivants.

1. Exigences de performances.
2. Exigences de fiabilité.
3. Exigences en matière de taille, de masse et de forme.
4. Exigences de coûts.
5. Exigences de fabrication.
6. Règlements et normes de l'industrie.
7. Exigences de durabilité.
8. Propriété intellectuelle

Méthodologie de sélection des matériaux d'Ashby.

La sélection des matériaux d'ingénierie a été simplifiée par Ashby qui a introduit des tableaux de sélection des matériaux d'ingénierie qui nous aident à évaluer simultanément un grand nombre de matériaux d'ingénierie en les comparant à différentes propriétés.

Tableau de sélection des matériaux comparant la densité et le module de jeunesse de différents matériaux [16].

Tableau de sélection des matériaux comparant le coût et le module de jeunesse de différents matériaux.

Vidéo YouTube expliquant comment sélectionner des matériaux à l'aide de tracés d'Ashby et d'indices de performance.
https://www.youtube.com/watch?v=9RQkvcsRzbo&pp=ygUfbWF0ZXJpYWwgc2VsZWN0aW9uIGFzYnkgYXBwcm9jaA%3D%3D

Évaluation des facteurs dans la sélection des métaux

1. Fonctionnalités 
2. Conditions environnementales.
3. Propriétés des matériaux d'ingénierie telles qu'un rapport résistance/poids élevé, un point de fusion et une durabilité élevés.
4. Coût.
5. Tests de prototypage
6. Conseil d'Expert.
7. Assurance de la qualité 

Applications de différents métaux en ingénierie

1. Fer et acier dans la construction et les machines

Tableau montrant les applications du fer et de l'acier dans la construction et les machines.

2. Cuivre et ses alliages dans les applications électriques et thermiques

Tableau montrant le cuivre et ses applications en alliage

3. L'acier inoxydable dans le génie maritime

Tableau montrant l'utilisation de l'acier inoxydable dans les composants marins.

Comment les services d'usinage des métaux peuvent aider votre projet

Le service d'usinage des métaux nous aide dans notre projet en fournissant une précision dans la fabrication de composants en matériaux d'ingénierie qui peuvent être utilisés dans différentes applications industrielles complexes. Usinage avancé comme le fraisage, le meulage et le tournage CNC pour nous aider à fabriquer des composants métalliques avec une grande précision et exactitude. Ces services d'usinage réduisent le temps de production et assurent une production à grande échelle de composants en matériaux d'ingénierie qui peuvent rationaliser votre projet.

Concepts avancés en science des métaux

Certains concepts avancés de la science des métaux impliquaient les nanomatériaux, les techniques avancées de développement d'alliages, l'exploration de la métallurgie aux niveaux atomique et moléculaire, les nouvelles méthodes de fabrication des métaux, notamment le traitement au laser et la fabrication additive, ainsi que les métamatériaux.

Comprendre les structures cristallines et les alliages

1. Structures cubiques et cristallines centrées sur le corps

Dans BCC, les atomes sont présents aux huit coins du cube et un atome au centre, comme le montre la figure ci-dessous.

Figure illustrant la structure des structures cristallines BCC, FCC et HCP.

Tableau montrant la différence entre les structures cristallines BCC, FCC et HCP.

Vidéo YouTube sur la chimie des cellules unitaires Structure de réseau cristallin cubique simple, cubique centrée sur le corps, cubique centrée sur la face

https://www.youtube.com/watch?v=HCWwRh5CXYU&pp=ygUKYmNjYWNjIGhjcA%3D%3D

2. Développement d’alliages : du bronze à l’acier inoxydable

Le bronze est un métal précieux historique et ancien utilisé pour la résistance à la corrosion et à des fins esthétiques, mais en raison de sa capacité de rayure facile, de sa douceur par nature et de son incapacité à fournir une résistance à la corrosion dans un environnement très difficile, le nouvel alliage avancé nommé acier inoxydable a été développé. du chrome dedans. Comparé au bronze, l'acier inoxydable offre une meilleure résistance et résistance à la corrosion. L'acier inoxydable offre une meilleure résistance à la corrosion, aux rayures et à la solidité que le bronze.

Technologies modernes et utilisation du métal

1. Configuration électronique et propriétés magnétiques

La configuration électronique évalue les propriétés magnétiques des métaux. En métallurgie, nous étudions que les électrons non appariés présents dans le métal dictent le magnétisme. Les types de métaux ferromagnétiques comme le spin électronique du fer produisent des aimants puissants. Les types de métaux paramagnétiques comme l’aluminium sont des aimants faibles en raison de la présence d’électrons non appariés.

2. Impact environnemental : durabilité dans la production de métaux

L'impact environnemental concerne une moindre utilisation de matériaux d'ingénierie, une consommation d'énergie minimale dans la fabrication métallique, la promotion du recyclage et l'atténuation des dommages environnementaux dans la fabrication métallique.

Les métaux dans la vie quotidienne et dans l'industrie

Métaux communs et leurs utilisations

Tableau montrant les applications de certains métaux courants.

Métaux dans l’alimentation et la santé : fer et zinc

1. Fer : se trouve dans les céréales enrichies, la volaille, le poisson et la viande rouge. Le fer est essentiel à l’hémoglobine, qui contribue au transport de l’oxygène dans le sang et favorise la production d’énergie cellulaire.
2. Zinc : se trouve dans les grains entiers, les produits laitiers, les noix et la viande. Le zinc est très important pour le fonctionnement efficace du système immunitaire, la régulation hormonale et la perception du goût.

Fabrication industrielle et machines simples

Les machines simples comme les leviers, les roues et les essieux, les plans inclinés, les poulies, les vis et les cales jouent un rôle essentiel dans les industries manufacturières. Malgré les machines complexes, nous avons toujours besoin de ces machines simples qui facilitent grandement notre travail. Ces machines sont également les éléments constitutifs de certaines machines complexes. Le principal avantage des machines plus simples est qu'elles sont faciles à utiliser par n'importe qui, ne nécessitent pas de professionnels qualifiés et ne nécessitent pas de carburant pour les utiliser par rapport aux machines complexes.

Innovations et tendances futures dans l'utilisation du métal

1. Technologies métalliques émergentes : conducteurs et résistance à la corrosion

Les technologies métalliques émergentes pour les conducteurs et la résistance à la corrosion comprennent les supraconducteurs, les nouveaux alliages et les traitements de surface avancés.

2. Les métaux dans les énergies renouvelables et l'automatisation

Les métaux jouent un rôle important dans les technologies d’énergie renouvelable comme les batteries de véhicules électriques, les panneaux solaires, les batteries de véhicules électriques et les éoliennes. Les métaux sont ajoutés aux systèmes d'automatisation, aux processus de fabrication avancés et à la robotique qui contribuent à la fabrication efficace de machines automatisées et de systèmes d'énergie renouvelable.

Conclusion

On conclut que les métaux sont essentiels dans presque tous les domaines de notre vie. De la construction de maisons à notre santé médicale, les métaux jouent un rôle essentiel. De l’Antiquité aux temps modernes, le principal progrès réside dans le fait qu’aujourd’hui, l’utilisation de matériaux est réduite et que leur efficacité est augmentée. Les nouvelles technologies émergentes telles que les techniques avancées de développement d'alliages de nanomatériaux, l'exploration de la métallurgie aux niveaux atomique et moléculaire, les nouvelles méthodes de fabrication des métaux, notamment le traitement au laser et la fabrication additive, et les métamatériaux ont modifié les concepts d'ordre d'utilisation des métaux.

QFP

Quand le métal a-t-il été découvert ?

Le travail des métaux a été développé vers 8000 XNUMX BCF là où la fusion du cuivre était utilisée dans les civilisations anciennes comme les Mésopotamiens et les Égyptiens.

Métal le plus utilisé

Le fer est le métal le plus utilisé dans plusieurs industries comme le transport, la construction et le transport.

Combien de types de métaux existe-t-il ?

90 types différents de métaux sont présents dans le tableau périodique. Différents alliages sont fabriqués en utilisant ces 90 métaux.

En général, les métaux forment-ils des anions ou des cations ?

Les métaux sont cationiques, ils perdent des électrons pour se stabiliser et former des liaisons métalliques.