MÉTALLURGIE


MÉTALLURGIE
MÉTALLURGIE

LA MÉTALLURGIE est l’art d’extraire les métaux de leurs minerais, d’élaborer des alliages, de les transformer en produits demi-finis et de les mettre en forme pour leur utilisation (produits «finis»). Elle couvre ainsi trois grands domaines d’activité où les connaissances technologiques et scientifiques interviennent à des degrés divers, à savoir: la métallurgie extractive, la métallurgie d’élaboration, la métallurgie de transformation et de mise en forme.

Ce qui distingue les produits métallurgiques demi-finis des produits finis, c’est tout d’abord l’échelle des moyens mécaniques mis en œuvre pour les premiers, afin de transformer les lingots bruts de solidification provenant de l’élaboration en produits de forme simple, tels que blooms, largets, tôles épaisses ou fines, barres, tubes, fils, etc. La mise en forme des produits finis exige à la fois des moyens mécaniques plus élaborés et des traitements thermiques qui permettent d’acquérir les propriétés mécaniques les plus adaptées à l’usage spécifique du matériau fini. Pour ne citer qu’un exemple, les propriétés mécaniques exigées d’une tôle fine d’acier emboutie pour carrosserie d’automobile seront différentes de celles exigées d’un arbre de vilebrequin ou d’un essieu soumis à des efforts de fatigue prolongés et continus.

On peut aussi classer les objectifs de la métallurgie sous trois chapitres: la métallurgie chimique ou extractive, la métallurgie mécanique et la métallurgie physique.

La métallurgie extractive s’appuie sur les propriétés chimiques et thermodynamiques des métaux qui, associés les uns aux autres, forment des alliages dont les propriétés sont fonction de la concentration relative des éléments constitutifs. Mais le domaine le plus important de la métallurgie extractive concerne les réactions d’oxydo-réduction qui conditionnent les méthodes de conversion des minerais naturels (oxydes, sulfures, chlorures, carbonates, etc.) en métaux: toute méthode de métallurgie extractive est un processus de réduction chimique plus ou moins complexe fondé sur la connaissance des équilibres d’oxydo-réduction. La réversibilité de ces réactions est illustrée par la tendance des métaux extraits à revenir spontanément à leur état initial de minerai au contact de l’environnement. C’est la lutte perpétuelle que doit mener le métallurgiste contre les processus de corrosion tels que la formation de la rouille du fer et des aciers au contact de l’air humide ou le ternissement du cuivre et de l’argent au contact d’une atmosphère plus ou moins sulfureuse.

Les origines de la métallurgie extractive remontent à la préhistoire. Les premières découvertes ont sans aucun doute été accidentelles; les métaux les plus fusibles des minerais les plus facilement réductibles apparurent à l’homme préhistorique parmi les cendres des foyers alimentés au charbon de bois ou à la tourbe, au même titre que les pépites d’or ou d’argent natif aux découvreurs des Amériques. Le cuivre, le plomb et l’étain furent parmi les premiers métaux à être extraits de leurs minerais, il y a plus de cinq mille ans. Ce n’est que beaucoup plus tard que les Anciens découvrirent les bronzes ou les laitons par réduction simultanée des minerais de cuivre et d’étain ou de cuivre et de zinc, respectivement.

Les méthodes d’élaboration des alliages par fusion des métaux composants furent appliquées plus tard encore. De même, si les minerais de fer furent réduits facilement sous forme d’une éponge de fer mélangée à une scorie vitreuse contenant une partie du minerai oxydé initial non réduit et des silicates, ce n’est qu’au XIVe siècle que l’on sut produire des températures assez élevées pour fondre l’éponge sous forme de fonte contenant environ 4 p. 100 de carbone. Ce produit fondu était fragile en raison de sa forte teneur en carbone. Le problème de la conversion de la fonte en un produit ductile fut résolu par le procédé du « puddlage », inventé par Henry Cort en 1784. Il fallut cependant attendre la découverte du convertisseur par Henry Bessemer, en 1856, pour que s’amorce la révolution industrielle par la production de grands tonnages d’aciers transformables en produits demi-finis. La découverte de Bessemer a pour origine sa tentative d’améliorer le procédé de puddlage en soufflant de l’air réchauffé au préalable à travers une charge de fonte liquide. Bessemer observa alors deux choses essentielles: la première est l’élimination par l’air du carbone et du silicium de la fonte; la seconde est le fait que la chaleur dégagée par cette oxydation des impuretés de la fonte est suffisante pour élever la température de la charge métallique dans le domaine de températures supérieures à celle de la fusion du fer pur (de 1 600 à 1 650 0C). Ainsi la production de fontes de première fusion en Grande-Bretagne est passée de 1 400 000 tonnes en 1840 à 3 890 000 en 1860, pour atteindre 7 750 000 tonnes en 1880. L’apparition du convertisseur Bessemer avait en effet permis d’abaisser très notablement le prix de l’acier. La découverte de Bessemer fut suivie de celle du four à sole Siemens-Martin et du procédé Thomas-Gilchrist, en 1878, pour les minerais phosphoreux.

Un autre pas décisif fut franchi en métallurgie extractive par la découverte presque simultanée, en 1886, de l’électrométallurgie de l’aluminium par Paul Louis Héroult en France et par Charles Martin Hall aux États-Unis. Beaucoup d’autres métaux furent ensuite préparés par électrométallurgie, tels le magnésium, le sodium et le calcium dont la purification ultime fut réalisée par sublimation ou par distillation sous vide (par G. Chaudron et J. Hérenguel en France), leur permettant ainsi de servir d’agents réducteurs pour les matériaux de haute pureté intéressant l’énergie nucléaire (uranium, zirconium) ou l’industrie aéronautique et spatiale (titane et niobium).

Depuis le début du XXe siècle, la demande de métaux de plus en plus purs posa des problèmes nouveaux de raffinage résolus par des méthodes physiques telles que la sublimation et la distillation du magnésium et du calcium appliquées à l’échelle industrielle au cas du zinc; par des méthodes chimiques de décomposition pyrolithique de composés carbonyle (procédé Mond pour le cobalt, le fer et surtout le nickel), ou d’halogénures volatils (procédé Van Arkel appliqué à la décomposition de l’iodure de titane TiI4, procédé Kroll de réduction du chlorure de titane par le magnésium fondu); ou encore par des méthodes électrochimiques (préparation de cuivre de haute pureté ou purification de l’aluminium par le procédé Gadeau de la triple couche).

Le développement extrêmement rapide et diversifié des méthodes nouvelles d’extraction, de raffinage et de superraffinage des métaux repose sur les applications de la thermodynamique et de la «mécanique» chimique qui permettent d’accéder à la cinétique des réactions et de prévoir avec certitude le sens des réactions d’oxydo-réduction par exemple.

La métallurgie mécanique est une des branches d’un domaine plus large que l’on peut appeler science et technologie des matériaux. Elle repose sur le fait qu’une des propriétés spécifiques des métaux et de leurs alliages est une combinaison entre leur résistance aux sollicitations mécaniques externes et leur possibilité de changer de forme plastiquement, c’est-à-dire sans perdre leur cohésion. Cette plasticité est mise à profit au cours des opérations de mise en forme ou de transformation que sont le forgeage, le laminage, l’étirage, l’extrusion, etc. Mais plus important encore est le fait que cette même plasticité donne aux métaux résistants leur ténacité, c’est-à-dire leur aptitude à subir des sollicitations mécaniques instantanées (par choc, par exemple) au cours de leur utilisation, sans pour autant se rompre brutalement comme le font les matériaux fragiles. C’est également leur aptitude à résister à des efforts cycliques et répétés, par exemple de compression et de traction, qui les rend si précieux pour leur utilisation dans la construction mécanique. Cette aptitude, appelée endurance , est définie par la limite de fatigue , c’est-à-dire l’effort cyclique maximal que peut subir un matériau sans se rompre, quel que soit le nombre de cycles imposé.

La première prise de conscience par les Anciens de la plasticité des métaux fut la «frappe» des monnaies. Ce n’est que plus tard que l’on comprit l’intérêt du travail à froid des métaux, appelé écrouissage, pour accroître sensiblement leur dureté et leur résistance mécanique. De même, le travail à chaud, dit corroyage, par exemple par forgeage de l’éponge de fer, révèle le fait que les métaux sont beaucoup plus mous et plus malléables aux hautes températures et que certains (le fer en particulier) peuvent être soudés entre eux par martelage ou forgeage à chaud. Ce fut la première manifestation des processus de diffusion dans l’état solide.

Aux premiers procédés simples de mise en forme par laminage, par forgeage ou par étirage sont venus s’ajouter de nouveaux procédés élargissant à de nombreux métaux et alliages le domaine de températures et de taux de déformation plastique déjà accessibles aux métaux les plus classiques comme le fer, l’aluminium et le cuivre. Pour ne citer que quelques exemples, ce sont le filage ou l’extrusion sous lubrifiant à base de verre (procédé Séjournet), le formage par explosif, le formage hydrostatique applicable aux métaux compacts, le pressage isostatique applicable à des mélanges de poudres (frittage), la transformation d’une barre en un tube sans soudure (procédé Mannesmann), le laminage de feuillards de quelques micromètres d’épaisseur et de grande largeur (procédé Sendzimir), etc.

La métallurgie mécanique comporte trois parties étroitement liées entre elles. La première a pour objet d’expliquer les propriétés mécaniques de base des matériaux en termes de la théorie atomique des métaux, comme le fait la théorie cinétique des gaz. C’est tout le problème de la liaison métallique qui est posé et qui rejoint ainsi l’une des préoccupations de la métallurgie physique. En s’appuyant sur cette compréhension des propriétés mécaniques et de la cohésion, le comportement des métaux dans toute opération de mise en forme peut être compris et contrôlé pour éviter la rupture prématurée du matériau au cours de sa transformation mécanique. L’approche scientifique de ce problème a conduit à une nouvelle branche de la mécanique appliquée, la théorie de la plasticité vue à la fois du point de vue macroscopique et microscopique. Enfin une troisième partie, toujours fondée sur la connaissance des propriétés mécaniques de base, concerne l’étude et la compréhension du comportement mécanique des matériaux en service afin d’éviter leur rupture et d’améliorer leur endurance à la fatigue en proposant à l’ingénieur constructeur des règles et des consignes pour rationaliser la conception (design ) et l’assemblage des pièces, assurant ainsi la plus grande sécurité et la plus longue vie des pièces en service.

La métallurgie physique se propose d’établir des relations quantitatives entre les propriétés macroscopiques des métaux et leur structure aux différentes échelles accessibles par les diverses méthodes expérimentales que sont le microscope optique, le microscope électronique, la diffraction par les rayons X, les électrons ou les neutrons, le microscope à champ ionique, etc. Ces techniques permettent de montrer qu’un métal ou un alliage n’est pas, à l’état solide, un corps inerte et inanimé, mais que ces éléments constitutifs que sont les atomes sont en fait susceptibles de se déplacer et d’échanger leurs places sur les sites du réseau cristallographique, même à la température ambiante. Une des preuves les plus éclatantes de cette «vie» des atomes, c’est-à-dire des processus de transport ou de diffusion atomique, est l’amélioration spontanée des propriétés mécaniques de certains alliages après trempe à partir de hautes températures, au cours de leur «vieillissement» à la température ambiante. C’est le phénomène dit de durcissement structural découvert par A. Wilm en 1906. Cette découverte fut le point de départ du développement des alliages légers Al-Cu, dits duralumins, qui furent à l’origine de la construction aéronautique. Ce fut le mérite de P. D. Merica, R. G. Waltenberg et H. Scott, en 1920, de penser que ce durcissement structural des alliages Al-Cu à 4,5 p. 100 de Cu était dû à la décomposition progressive de la solution solide Al-Cu sursaturée en cuivre par un refroidissement rapide, dit trempe, à partir des hautes températures. Il a fallu cependant attendre les progrès considérables des techniques de diffraction des rayons X aux petits angles pour que A. Guinier, en France, et G. D. Preston, en Angleterre, proposent, en 1940, la première explication du durcissement structural fondée sur la formation de rassemblements d’atomes de cuivre en amas plans, dits zones G. P. (zones de Guinier-Preston).

La première étape du développement de la métallurgie physique fut l’extrapolation, par H. C. Sorby en 1865, de l’emploi du microscope des minéralogistes et des pétrographes à l’observation de la structure des métaux par le microscope optique par réflexion, méthode qui fut sensiblement améliorée par Henry Louis Le Chatelier au début du XXe siècle qui imagina le microscope à platine inversée. L’emploi systématique du microscope optique associé aux méthodes d’analyse thermique différentielle, d’analyse dilatométrique développée par H. L. Le Chatelier, puis par P. Chevenard, ouvrit la plupart des voies de développement de la métallurgie physique. C’est ainsi que les premiers éclaircissements furent apportés concernant l’effet du carbone sur les propriétés mécaniques et la microstructure des aciers soumis aux divers traitements de recuit, de trempe et de revenu. Floris Osmond proposa, dès 1885, une théorie «cellulaire» des aciers et leur appliqua les méthodes d’analyse thermique (1887) en tirant profit de la découverte, l’année précédente, du couple thermoélectrique par H. L. Le Chatelier, ce qui permit les premières mesures quantitatives de températures sur un très large intervalle (de 20 à 1 500 0C). H. Roozeboom applique le premier, en 1889, la règle des phases de O. W. Gibbs (1876) aux alliages fer-carbone et trace le premier diagramme d’équilibre Fe-C, précisé ultérieurement par W. C. Roberts-Austen.

Il fallut cependant attendre les années vingt pour avoir une preuve directe de l’arrangement triplement périodique des atomes sur le réseau cristallographique et prouver la validité des hypothèses formulées par F. Osmond sur le polymorphisme ou l’allotropie du fer. La théorie de la diffraction des rayons X par les cristaux, émise par M. von Laue et ses collaborateurs en 1912, trouva une confirmation éclatante dans les expériences de W. H. et W. L. Bragg sur les cristaux d’halogénures alcalins et les métaux, et de A. Westgren et E. Phragmen sur le fer et les aciers (1922). Ceux-ci démontrèrent définitivement l’existence des réseaux cubiques centrés du fer 見 et du fer 嗀 et cubiques à faces centrées du fer 塚, qu’Osmond avait pressentie quelque trente-cinq ans avant en parlant des quatre phases 見, 廓, 塚 et 嗀 du fer pur. La phase 廓 d’Osmond, entre 770 0C et 910 0C n’était en fait que la variété paramagnétique du fer 見 ferromagnétique au-dessous de 770 0C. C’est Pierre Curie qui découvrit les transformations de l’état ferromagnétique à l’état paramagnétique à une température dite «point de Curie», caractéristique du métal ou d’un alliage ferromagnétique (770 0C pour le fer, 360 0C pour le nickel, 1 120 0C pour le cobalt). Ce sont les recherches de Pierre et Marie Curie qui furent à l’origine non seulement de l’école française du magnétisme, illustrée en particulier par P. Weiss et L. Néel, mais aussi du développement des alliages magnétiques (aciers Fe-Si à 3 p. 100, aimants permanents tels que Permalloy, Alnico, Ticonal, etc.).

Entre les deux guerres mondiales, un grand nombre de métaux furent préparés sous forme de monocristaux de dimensions assez grandes pour permettre l’étude de leur comportement plastique.

Ce sont les études de Schmid et Boas en Autriche, de Polanyi en Allemagne, de Taylor et d’Orowan en Angleterre qui conduisirent logiquement à un nouveau bond en avant dans l’étude de la plasticité par l’introduction du concept d’imperfections linéaires du réseau cristallin dites dislocations , concept proposé simultanément et indépendamment par Taylor, Polanyi et Orowan dans les années trente. Là encore, la théorie précéda l’expérimentation, et il fallut attendre 1945 pour qu’une preuve des interactions et de l’arrangement des dislocations dans un cristal peu déformé et recuit à haute température en donnant naissance à la structure polygonisée fût apportée indépendamment par Orowan et Cahn dans le cas du zinc, par P. Lacombe et L. Beaujard et par A. Guinier et Tennevin dans le cas de l’aluminium. Mais la preuve la plus éclatante de l’existence des dislocations individuelles ou groupées en parois de polygonisation fut apportée, dans les années cinquante, par les premières observations au microscope électronique de lames métalliques assez minces pour être examinées par transparence sous le faisceau électronique. Ce sont les premières observations d’Heidenreich aux États-Unis, de R. Castaing et A. Guinier en France, de Bollmann en Suisse, puis de Hirsch et de bien d’autres. Ces observations de lames minces par transmission ne furent possibles que grâce à la découverte et au développement, depuis les années trente, des méthodes de polissage électrolytiques par Pierre Armand Jacquet en France.

Il faut enfin souligner que la métallurgie physique a profité également, depuis les années trente, du développement de la théorie quantique des électrons et des atomes, qui permit de mieux comprendre la nature de la liaison métallique et les raisons profondes des propriétés spécifiques des métaux, telles que leur conductivité thermique ou électrique. Dans ce domaine se sont plus particulièrement illustrés Mott et Jones en Angleterre et le Français Brillouin aux États-Unis. De même, W. Hume-Rothery et Raynor, à l’université d’Oxford, ont, les premiers, tenté une étude systématique des divers types d’alliages (solutions solides, composés électroniques, composés définis) en reliant leurs structures cristallographiques aux caractéristiques électroniques des atomes de l’alliage, à la taille relative des atomes, etc. De même J. Friedel, en France, outre son apport important à la théorie des dislocations, a étendu ces études au cas des alliages dilués.

Ainsi la métallurgie physique dispose actuellement de tout un éventail de concepts, de théories et de méthodes expérimentales qui permettent d’accéder aux différentes échelles de la structure des métaux.

Le métallurgiste utilise de plus en plus les méthodes du physicien dont la rigueur du raisonnement et la précision des méthodes ne peuvent être mises à profit que dans la mesure où le matériau est parfaitement caractérisé du point de vue de sa composition chimique. Cela a conduit, depuis la Seconde Guerre mondiale, à élaborer des métaux de pureté ultime ne contenant que quelques atomes d’impuretés pour cent millions ou un milliard d’atomes du métal. Ainsi, les vieilles idées émises par A. M. Portevin, extrapolant les idées chères aux biologistes, sur l’influence des oligo-éléments, ont pu être vérifiées par G. Chaudron et ses collaborateurs. Ceux-ci s’inspirèrent des méthodes physiques de purification ultime, dite de fusion de zone, mise au point par W. G. Pfann aux États-Unis pour préparer les matériaux semi-conducteurs, tels que le silicium et le germanium, nécessaires au développement des transistors de l’industrie électronique.

Cette méthode de purification ultime fut appliquée avec succès à plusieurs métaux tels que l’aluminium, le fer, le cuivre, l’étain, le zirconium par G. Chaudron et ses collaborateurs, puis étendue à d’autres métaux, comme l’uranium, en utilisant une variante, la fusion de zone flottante, qui évite tout contact avec une nacelle susceptible de polluer le métal fondu (P. Lacombe) ou mieux encore par fusion d’une zone flottante par chauffage par induction de haute fréquence (J. Bigot).

L’élaboration de ces métaux ultra-purs eut une double conséquence. La première, c’est le développement de nouvelles méthodes d’analyse d’impuretés dont la teneur très inférieure à quelques p.p.m. (parties par million) n’est plus accessible aux méthodes d’analyse chimique classiques. Une des méthodes les plus nouvelles fut celle d’analyse par radioactivation. Elle consiste à transformer l’élément à doser en un isotope radioactif que l’on identifie par la mesure de sa période de désintégration. Ces isotopes radioactifs sont créés par irradiation du métal ultra-pur dans un flux de particules élémentaires, le plus souvent des neutrons, d’où le nom d’analyse par activation neutronique.

Autre conséquence, ces métaux ultra-purs possèdent des propriétés métallurgiques et physiques tout à fait nouvelles. Ainsi le passage de l’état déformé (ou écroui) à l’état recristallisé a lieu à des températures d’autant plus basses que le taux d’impuretés est plus faible. Ainsi, l’aluminium de zone fondue (à 99,9999 p. 100 de pureté) ne peut être écroui que par laminage à température bien inférieure à 20 0C alors que l’aluminium commercial (de 99,70 à 99,90 p. 100 de pureté) recristallise à 250-300 0C.

Sur le plan des propriétés physiques, la résistivité électrique des métaux de zone fondue diminue d’autant plus avec la température décroissante que le taux d’impuretés est plus faible et tend aux plus basses températures vers une limite dite résistivité résiduelle d’autant plus basse que la teneur en impuretés est plus faible. Ainsi, pour de nombreux métaux de fusion de zone la résistivité résiduelle est de 10 000 à 20 000 fois plus faible aux très basses températures que celle à 20 0C. D’où l’application des métaux de haute pureté, comme l’aluminium ou le béryllium, pour la construction de lignes de transport d’énergie électrique à perte ohmique très faible refroidie à des températures de l’ordre de celles de l’azote liquide (Te = 漣196 0C). Ce sont les matériaux dits superconducteurs , à ne pas confondre avec les métaux ou les alliages supraconducteurs , dont la résistivité électrique devient brutalement nulle à une température critique Tc beaucoup plus basse (9,2 K pour le niobium, 18,7 K pour Nb3Sn).

Sur le plan plus fondamental, ces métaux ultra-purs ont permis l’étude quantitative des interactions entre atomes d’impuretés et ceux du métal de base et surtout entre atomes d’impuretés et défauts structuraux que sont les dislocations ou les lacunes. Ces problèmes d’interaction entre atomes d’impuretés et défauts ont permis de mieux comprendre la formation des défauts lacunaires et des cavités par irradiation des métaux par des neutrons ou des électrons de grande énergie tels que ceux produits dans les microscopes électroniques à haute tension (de 1 000 à 3 000 kV développés par G. Dupouy à Toulouse).

Même à l’échelle industrielle, les années quatre-vingt ont été marquées par une tendance à maîtriser les teneurs en impuretés des alliages commerciaux à des taux très faibles ou à mettre à profit le rôle spécifique d’une impureté sur les propriétés d’emploi de l’alliage. Deux exemples typiques sont à citer. Le premier concerne l’élaboration des aciers inoxydables fer-chrome-nickel dont la résistance à la corrosion est conditionnée en particulier par la teneur en carbone. Le procédé A.O.D. (Argon-Oxygen-Decarburization) développé aux États-Unis permet par soufflage alterné d’argon ou d’oxygène, à travers une masse d’alliage liquide de quelque 100 tonnes, de décarburer au maximum l’acier sans pour autant provoquer la perte de chrome par oxydation. L’opération d’affinage d’une durée d’une heure environ est suivie constamment par analyse spectrométrique de tous les éléments et par ordinateur afin de pouvoir réajuster à tout instant la composition en chrome et nickel. Ce procédé qui a supplanté l’affinage sous vide permet d’atteindre des taux en carbone de l’ordre de 0,01 à 0,02 p. 100. Une nouvelle classe d’aciers inoxydables, les ferritiques, à teneur en chrome (25 à 40 p. 100) bien supérieure à celle des aciers inoxydables austénitiques Fe-Cr-Ni (18 p. 100), s’est développée avec des teneurs en carbone, azote et oxygène de l’ordre de 0,001 à 0,003 p. 100. Ces teneurs si faibles sont obtenues par déroulement d’une veine de métal liquide sous un canon de bombardement électronique sous vide élevé.

Le deuxième exemple montre les progrès récents dans les techniques d’élaboration associées à de nouvelles méthodes de mise en forme dites de laminage contrôlé . C’est le cas des aciers dits microalliés ainsi appelés parce que le choix de certaines additions à faible taux, en particulier le niobium (0,04 p. 100 Nb), permet d’obtenir des propriétés mécaniques comparables à celles d’aciers plus fortement chargés en nickel, manganèse, chrome, etc., à condition d’obtenir une taille finale du grain ferritique aussi faible que possible et en obtenant une répartition aussi fine que possible des précipités de carbure de niobium. Le contrôle de ces deux paramètres permet d’obtenir des limites d’élasticité ou des charges de rupture comparables à celles d’aciers plus chargés en additions, d’où le nom d’aciers H.S.L.A. (High Strength Low Alloyed). La faible taille du grain, outre son effet bénéfique sur la limite d’élasticité, diminue sensiblement la température de transition ductile-fragile de ces aciers (cf. chapitre sur la ténacité ou résilience), d’où leur application sous forme de canalisations (pipe-lines) pour transport de fluides cryogéniques. Ces excellentes performances mécaniques sont obtenues grâce au contrôle de la cinétique et de la répartition des fines particules de niobium qui précipitent dans l’alliage sous l’effet conjoint de la température et de la déformation plastique au cours du laminage depuis les plus hautes températures (1 100 0C) jusqu’à la température ambiante. Ce sont les «traitements thermomécaniques» dits de «laminage contrôlé». En fin de mise en forme par laminage effectué dans différents domaines de température judicieusement choisis, l’acier microallié a atteint les propriétés mécaniques désirées sans qu’il soit nécessaire d’effectuer un traitement thermique ultérieur.

Ces traitements thermomécaniques sont fondés sur des recherches fondamentales qui ont permis de distinguer les phénomènes de recristallisation statique obtenue par chauffage isotherme d’un métal prédéformé à température inférieure, la température ambiante par exemple, à celles des phénomènes de recristallisation dynamique qui se produisent sous l’effet simultané de la température et de la déformation. Ces traitements thermomécaniques se sont généralisés, depuis la fin des années soixante-dix, à d’autres alliages tels que les aciers inoxydables, les alliages légers, les alliages de titane.

Un dernier exemple d’application des traitements thermomécaniques est celui des alliages superplastiques . Certaines compositions d’alliages soumis dans un certain intervalle de températures et de vitesses de déformation présentent des allongements de rupture pouvant atteindre 1 000 p. 100 alors que la plupart des métaux et alliages ont des allongements de rupture n’excédant pas 50 à 60 p. 100. En conséquence, ces alliages doués de superplasticité peuvent bénéficier de méthodes de mise en forme propres aux matières plastiques de la chimie organique: ce sont des matériaux «thermoplastiques» [cf. SUPERPLASTICITÉ DES MÉTAUX].

Ces quelques exemples montrent que les progrès réalisés depuis les années soixante en métallurgie d’extraction, d’élaboration des alliages et de leur mise en forme ont conduit à des matériaux pas fondamentalement nouveaux mais dont les propriétés mécaniques, physiques et physico-chimiques sont de plus en plus performantes. Ces progrès ont été obtenus grâce à des recherches à la fois fondamentales et appliquées mettant à profit les techniques expérimentales les plus avancées de caractérisation de l’état métallique telles que la diffraction des rayons X, des neutrons et des électrons, la microscopie électronique par balayage et par transmission, la microsonde électronique, l’analyseur ionique, etc. Les résultats de ces recherches ne sont pas restés confinés dans les laboratoires de recherches des universités, des grandes écoles ou du C.N.R.S., mais leurs résultats ont pu être transférés et mis au point à l’échelle industrielle.

L’industrie profite depuis peu d’autres recherches fondamentales qui ont conduit cette fois à des matériaux tout à fait nouveaux par leur composition chimique et leurs propriétés. Deux exemples sont à citer. Le premier est celui des alliages à «mémoire mécanique» dont le premier fut découvert aux États-Unis et appelé nitinol (50 p. 100 Ti, 50 p. 100 Ni). Ce sont des alliages à transformation martensitique qui déformés à basse température reprennent leur forme avant déformation par élévation de température. L’une des applications est la construction d’antennes de satellites repliées sur elles-mêmes au départ de la fusée porteuse du satellite et qui reprennent leur forme déployée sous l’effet de la température solaire en haute altitude. Depuis cette découverte, d’autres alliages à «mémoire mécanique» ont été découverts (alliages Cu-Zn-Al).

Le deuxième exemple est celui des alliages amorphes, encore appelés «verres métalliques», qui furent découverts dès 1960 par P. Duwez aux États-Unis. Ce sont des alliages métalliques qui sont refroidis depuis l’état liquide à de très grandes vitesses pouvant atteindre un million de degrés par seconde, de telle sorte que leur structure à l’échelle radiocristallographique est désordonnée comme celle des verres. Ils sont comme ces derniers dans un état de «surfusion» métastable, de telle sorte que, soumis à un réchauffage au-delà d’une certaine température, ils passent de l’état amorphe à l’état cristallin en perdant aussitôt toutes les propriétés particulières dans leur état amorphe. Ainsi un verre métallique classique (Fe,Cr)80(P,C)20 cristallise en quelques minutes à 450 0C. Parmi les propriétés exceptionnelles des alliages amorphes, certains de ceux-ci ont des propriétés mécaniques supérieures à celles des meilleurs aciers spéciaux. C’est le cas des alliages Fe80B20, Fe60Cr6Mo6B28. De même les verres métalliques ferreux ont des propriétés magnétiques exceptionnelles. Ainsi des transformateurs utilisant des verres métalliques permettraient d’économiser plusieurs centaines de millions de dollars aux États-Unis.

Ainsi, la voie reste ouverte à la métallurgie, même traditionnelle, pour améliorer les matériaux conventionnels ou pour découvrir de nouveaux matériaux.

métallurgie [ metalyrʒi ] n. f.
• 1611; lat. sc. metallurgia, du gr. metallourgein « exploiter une mine »
1Ensemble des industries et des techniques qui assurent la fabrication des métaux. Métallurgie du fer ( sidérurgie) , des métaux non ferreux (aluminium, cuivre, etc.). Métallurgie lourde, qui traite le minerai. Métallurgie électrothermique. électrométallurgie. Métallurgie fine (alliages, aciers spéciaux).Opérations principales et procédés de la métallurgie : aciérage, affinage, ajustage, alésage, battage, brasage, bronzage, brunissage, calcination, calorisation, cémentation, coulage, décapage, décarburation, déphosphoration, dérochage, doucissage, éclaircissage, écrouissage, emboutissage, estampage, étamage, étirage, forgeage, fraisage, fusion, grillage, laminage, martelage, métallisation, métallochromie, meulage, moulage, polissage, puddlage, recuite, réduction, repoussage, ressuage, revenu, revivification, soudure, sulfinisation, tirage, tréfilage, trempe, usinage. — Matériel, outillage de métallurgie : trémie, trieur, convertisseur, four, haut fourneau, forge, marteau-pilon; étireuse, filière, laminoir; tour.
2Travail, mise en œuvre des métaux. Métallurgie de transformation : ensemble des industries mécaniques (outillage industriel, construction du matériel de transport, construction automobile et aéronautique, matériel agricole).
3Ensemble des entreprises et des installations où l'on travaille les minerais métalliques, et par ext. les métaux. La métallurgie française. Crise de la métallurgie.

métallurgie nom féminin (latin scientifique metallurgia, du grec metallourgeîn, exploiter une mine) Ensemble des procédés et des techniques d'extraction, d'élaboration, de mise en forme et de traitement des métaux et de leurs alliages.

métallurgie
n. f.
d1./d Ensemble des techniques et des opérations nécessaires à l'extraction, à l'affinage et au travail des métaux.
d2./d Ensemble des installations et des établissements industriels qui assurent ces tâches.
|| Métallurgie de transformation: industrie de la construction mécanique (machines, véhicules, etc.).

⇒MÉTALLURGIE, subst. fém.
A. —Ensemble des procédés de fabrication des métaux. Métallurgie de l'aluminium, de l'étain, du fer, du mercure, du nickel, du plomb, du zinc; métallurgie lourde. Le convertisseur Bessemer est un instrument très précieux dans la métallurgie du cuivre (H. FONTAINE, Électrolyse, 1885, p. 297). La métallurgie du magnésium et l'affinage de ce métal (GUILLET, Techn. métall., 1944, p. 69). V. africain ex. 3:
♦ ... les munitions, c'est de la famille de la métallurgie, des hauts fourneaux. Cela sent son maître de forges.
ROMAINS, Hommes bonne vol., 1938, p. 174.
B. —Ensemble des entreprises où sont fabriqués les métaux. Godet, (...) c'est le grand homme de la métallurgie. Il est administrateur délégué des Aciéries de l'Ouest (MAUROIS, Climats, 1928, p. 234). La disparition de l'acier allemand avantagea aussi la métallurgie; celle-ci étendit l'emploi de la houille dans la fonderie et l'extraction se développa (LEFEBVRE, Révol. fr., 1963, p. 642).
C. — Travail des métaux. Métallurgie fine, métallurgie de transformation. L'art de la métallurgie fut créé lorsque l'homme eut enfin reconnu que ces pierres malléables, or et cuivre, pouvaient recevoir toutes sortes de formes (J. DÉCHELETTE, Manuel archéol. préhist. celt. et gallo-romaine, t. 2, 1914, p. 94).
Prononc. et Orth.: [metal(l)]. Att. ds Ac. dep. 1762. Étymol. et Hist. 1666 (Journal des Sçavans, p. 13). Comp. sav. de métal et de l'élém. -urgie, lat. -urgia, gr. -, de «action, oeuvre», par l'intermédiaire du gr. «mineur». Metallurgie est att. une 1re fois en 1611 au sens de «recherche de minerais dans la terre» ds COTGR. Fréq. abs. littér.: 28.

métallurgie [metalyʀʒi] n. f.
ÉTYM. 1611; du lat. sc. metallurgia.
1 Fabrication des métaux; industrie, technique (ou ensemble d'industries et de techniques) permettant d'obtenir des métaux. || Métallurgie du fer ( Sidérotechnie, sidérurgie; acier, fer, fonte), métallurgie des métaux non ferreux (aluminium, cuivre, etc.). || Apparition de la métallurgie dans la protohistoire. || Histoire de la métallurgie. || Métallurgie utilisant l'électricité. Électrométallurgie. || Métallurgie fine (alliages, aciers spéciaux). || La métallurgie fournit des lingots de métal ainsi que des « semi-produits » (tôles, profilés…).
REM. Le mot métallurgie exclut en principe les opérations d'extraction du minerai (→ Mine), mais inclut l'enrichissement, la concentration et les divers traitements du minerai. Les économistes parlent souvent, dans cet emploi, de métallurgie lourde.
1 Métallurgie c'est ainsi qu'on nomme la partie de la Chimie qui s'occupe du traitement des métaux et des moyens de les séparer des substances avec lesquelles ils sont mêlés et combinés dans le sein de la terre, afin de leur donner l'état de pureté qui leur est nécessaire pour pouvoir servir aux différents usages de la vie.
Encycl. (Diderot), art. Métallurgie.
Opérations principales et procédés de la métallurgie. Aciérage, aciération, affinage, ajustage, alésage, amalgamation, battage, bleuissage, brasage, brasement, brassage, bronzage, brunissage, calcination, calorisation, cémentation, coulage, décapage, décarburation, décolletage, déphosphoration, dérochage, doucissage, éclaircissage, écrouissage, emboutissage, estampage, étamage, étirage, fonte (I., 3.), forgeage, fraisage, fusion, galvanoplastie, grenaillement, grillage, laminage, martelage (marteler, malléer), mazéage, métallisation, métallochromie, meulage, moulage, polissage, puddlage, recuite, réduction, repoussage, ressuage, revenu, revivification, soudure, sulfinisation, tirage, tréfilage, trempe, usinage… → Chaudronnerie, tôlerie… || Substances utilisées par la métallurgie. Brasque, coke, fondant, minerai… || Résidus et déchets de la métallurgie. Cadmie, chiasse, crasse, laitier, scorie.
Matériel, outillage de métallurgie. Trémie; trieur; convertisseur, four, fourneau (haut),t; casse, échenal; forge, marteau-pilon; étireuse, filière (tréfilerie), laminoir, tour (à métaux, à aléser…). || Établissements, usines où s'effectuent les diverses opérations de la métallurgie. Fonderie, forge, tréfilerie…
2 La métallurgie et l'agriculture furent les deux arts dont l'invention produisit cette grande révolution. Pour le poète, c'est l'or et l'argent; mais pour le philosophe, ce sont le fer et le blé qui ont civilisé les hommes et perdu le genre humain.
Rousseau, De l'inégalité parmi les hommes, II.
2 Par ext. Travail, mise en œuvre des métaux. || Métallurgie de transformation : ensemble des industries mécaniques (outillage industriel, construction du matériel de transport, construction automobile et aéronautique, matériel agricole). || Pièce de métallurgie fine (→ Examen, cit. 8).
REM. Il est préférable d'employer dans ce sens industrie mécanique, pour éviter la confusion avec le sens premier. On trouve cependant métallurgie et métallurgique dans ce sens étendu, en géographie économique :|| « Plus de 400 établissements (dans le Nord de la France) s'occupent des multiples travaux de la métallurgie (…) ateliers immenses (…) d'où sortent (…) des pièces de forge (…) des wagons (…) des locomotives, seules manquent les usines d'automobiles » (Demangeon, Géographie écon. et hum. de la France, VII, ch. 39, III).
Métallurgie des poudres. Métallocéramique; frittage.
3 Ensemble des entreprises et des installations où l'on travaille les minerais métalliques, et, par ext., les métaux. || La métallurgie française. || Les maîtres de la métallurgie. || Crise dans la métallurgie.
DÉR. Métallurgique, métallurgiste.

Encyclopédie Universelle. 2012.