Qu'est-ce que le métal ? Définition, propriétés, types et utilisations

Qu'est-ce que le métal ? Un guide de science des matériaux sur la définition, les propriétés et la classification

Les métaux sont partout - des poutres utilisées pour supporter les ponts, au câblage utilisé à l'intérieur, au boîtier utilisé dans votre téléphone Cependant, même si vous connaissez peut-être les noms et les utilisations, la plupart des gens auraient du mal à donner une explication au niveau atomique sur ce qui fait d'un matériau un métal Ce guide vise à expliquer exactement ce qu'est le métal, quelles propriétés lui permettent de se qualifier pour la classification, de quelles manières les principales catégories diffèrent-elles et quelles sont leurs industries de choix ? Ce qui suit est une compilation de nombreuses sources de données sur les matériaux, qui devraient fournir les informations nécessaires à un ingénieur de fabrication en herbe ou à un scientifique des matériaux dans les étapes de planification.

Qu'est-ce que le métal ? Définition et structure atomique

Un métal est une substance - soit sous sa forme élémentaire, soit un alliage ou un composé - qui conduit l'électricité, conduit la chaleur, réfléchit la lumière et qui peut être déformée sans se briser Des 118 éléments énumérés par IUPAC dans le tableau périodique, environ 91 sont généralement de filiation diversifiée en métaux, à large aire de répartition.

De quoi sont faits les métaux au niveau atomique ? tous les atomes d'atomes métalliques ont un noyau (protons et neutrons) entouré de coquilles d'électrons, mais c'est le fait que l'atome tienne ses électrons de valance de manière lâche qui en fait un élément métallique, et quand un grand nombre d'atomes d'agrégation, les électrons libres délocalisés peuvent quitter leur atome parent et entrer dans un nombre collectif, appelé le modèle ‘electronsea’, qui a été suggéré par le physicien Paul Drde au début des années 1900.

En raison de la nature uniforme de la mer d'électrons centrant le réseau ionique dans toutes les directions, les métaux ont tendance à être sous leur forme solide lorsqu'ils sont utilisés à température ambiante. Il existe une exception Mercure, avec des liaisons métalliques inhabituellement flasques qui signifient qu'il fond à seulement 38,83 C.

Propriétés clés des métaux physiques et chimiques

Les propriétés des métaux relèvent de classifications largement physiques et chimiques L'étude des propriétés du métal aide l'ingénieur de conception et de fabrication à décider quels matériaux seraient les mieux adaptés à tout projet.

Propriétés physiques

La conductivité thermique et électrique élevée des métaux a une explication commune : les électrons délocalisés peuvent transporter la charge avec peu de résistance lorsque la tension est appliquée ; l'argent a la conductivité électrique la plus élevée de tous les éléments en tête de liste, soit 6,30 10 S/m. Cependant, il coûte 10 à 1/100ème du prix du cuivre par kilogramme et n'est donc pas commercialement viable pour une utilisation, par exemple, le câblage électrique. Le cuivre reste l’un des principaux conducteurs d’électricité et de chaleur dans l’industrie, offrant des performances comparables à une fraction du coût.

La malléabilité et la ductilité dépendent de la structure cristalline du matériau Les métaux qui existent avec une structure cubique à faces centrées (FCC), comme l'or, l'argent, le cuivre et l'aluminium, ont plus de systèmes de glissement, ce qui est le nombre de ses plans atomiques qui existent avec une structure cubique à corps centré (BCC) comme le tungstène et le fer ont moins de systèmes de glissement, ce qui, bien que les rendant plus durs que les métaux FCC, ne permet pas un processus comme le travail à froid, qui à son tour les rend moins ductiles Les métaux avec une structure hexagonale à emballage rapproché (HCP) comme le zinc et le titane sont à un croisement entre les deux ci-dessus.

Propriétés chimiques

Sur le plan chimique les métaux ont tendance à perdre des électrons lorsqu'ils subissent des réactions, formant des charges positives Ces processus sont forgés oxydation Les métaux alcalins tels que le sodium et le potassium sont extrêmement réactifs, surtout avec l'eau, alors que l'or ou l'argent sont presque complètement résistants à la corrosion Le bloc de groupes d'éléments connus sous le nom de métaux de transition, où tous les électrons de plus haute énergie sont dans les orbitales d-représentent la plus grande partie du tableau périodique et comprennent le chrome, le cuivre molybdène et la stabilité fournit les chevaux de trait des métallurgies industrielles Les métaux sont classés de la plus à la moins réactive dans la série de réactivité.

Types de métaux ferreux, non ferreux et alliages

Les métaux industriels peuvent être classés au sens large en deux, ou plus rarement trois, groupes selon qu'il s'agit de métaux ferreux, de métaux non ferreux ou d'alliages Les exigences relatives à l'utilisation de chaque type sont alors spécifiques à l'application en ce qui concerne le coût, le poids, la résistance et la résistance à la corrosion.

Métaux Ferreux

Les métaux ferreux contiennent des alliages variés de fer Les plus courants sont la fonte (un alliage fer-carbone avec une teneur en carbone d'environ 4,5%) (avec une composition d'environ 0,002.14% (0,02 ou 20,21,4 g/kg), (avec une composition d'environ 0,002.141TP3). faisant principalement les propriétés du fer). Rapport 2024 de l’Association mondiale de l’acier voit la production mondiale annuelle d'acier brut atteindre 1 885 millions de tonnes métriques L'acier au carbone se forme avec 0,2-2,11TP3 T en poids de carbone dans l'équation (via ASTM A941) et couler la teneur en carbone supérieure à 2% crée une production de fonte, fragile mais hautement coulable.

Métaux non ferreux

Non ferreux ne contient pas de fer Ils comprennent Aluminium, Cuivre, zinc, Titane, Nickel et Or, Argent Il est probable que le plus important est de loin Aluminium croissant USD 1183.9 milliards en 2024, atteignant USD 1746.9 milliards en 2033 à CAGR de 4.21TP3 T. La force motrice derrière l'augmentation est la demande dans les industries automobile et aérospatiale où sa légèreté consistant en une densité de 2.70 g/cm2 en dessous de celle de à 7.85 g/cm2 rend pour l'allégement des véhicules car ceux-ci partagent la fusion d'une once économisée en poids avec les miles parcourus. Rapport de marché du Groupe IMARC).

Alliages

Formé lorsque deux éléments ou plus sont mélangés dans une proportion spécifique spécifiée, au moins un élément étant un métal, les alliages sont conçus pour avoir la qualité ou l'intensité souhaitée difficile à obtenir avec les propriétés d'un seul élément. Par exemple, le laiton offre des propriétés plus dures que le cuivre ou le zinc individuellement, ainsi qu'une meilleure résistance à la corrosion, le bronze étant un alliage d'étain et de cuivre, et l'ajout de chrome (10,5%) à l'acier pour produire des aciers inoxydables signifie une couche d'oxydes protecteurs qui signifie que le métal lui-même ne rouillera pas.

Exemples métalliques courants et applications industrielles

Différents types de métaux répondent à différentes exigences de construction, comme indiqué ci-dessous pour divers exemples.

Le recyclage des métaux est un volet en constante croissance de la chaîne d'approvisionnement mondiale. Données 2024 du Bureau of International Recycling (BIR) suggérer qu'environ 630 millions de tonnes d'acier recyclé entrent chaque année dans la fabrication d'acier neuf ; ce recyclage empêche le rejet de 950 millions de tonnes d'émissions de CO. Rien qu'aux États-Unis, l'acier recyclé constitue 69,21TP3 T de production d'acier brut, l'un des niveaux d'acier recyclé les plus élevés parmi les principales économies mondiales.

De même, à la section non ferreuse, le recyclage des métaux non ferreux comme l'aluminium, le cuivre a gagné sa part Alors que la matière ferreuse, lors du recyclage s'oxyde légèrement et diminue en qualité, les métaux non ferreux peuvent être recyclés ad infinitum sans aucune dégradation de la matière Le recyclage de l'aluminium ne prendrait environ que 51TP3 T de l'énergie utilisée pour obtenir l'aluminium du minerai de bauxite et de la fonderie.

Métaux contre non-métaux contre métalloïdes

Tous les éléments du tableau périodique se répartissent en trois grandes catégories qui sont les métaux, les non-métaux et les métalloïdes Une ligne de marche d'escalier allant en diagonale du bore (B, chiffre 5) au polonium (Po, chiffre 84) divise le tableau périodique en deux parties À gauche se trouvent les métaux, à droite les non-métaux le long du haut, partie inférieure de la diagonale appartient aux métalloïdes.

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Les métalloïdes sont particulièrement intéressants car ils relient deux domaines Le silicium-électrique a une conductivité d'environ 1,56 10 S/m. Celui (ou tout élément de transition) a une décennie de conductivité celle du cuivre (5,96 10 S/m), mais des millions de fois celle du soufre (conductance proche de zéro) n'implique pas de médiocrité ; il fournit la capacité de câbler le monde avec une couche de silicium le prix d'un motel L'industrie mondiale du silicium valait plus que $600 milliards US.

Comment les métaux sont façonnés : usinage CNC et fabrication de métaux

Le métal brut peut devenir le produit final par divers procédés de fabrication - moulage, forgeage, soudage, usinage Particulièrement avantageux pour fabriquer des produits métalliques avec des tolérances dimensionnelles serrées est l'usinage CNC (Computer Numerical Control) Le procédé d'usinage implique l'enlèvement du métal d'un bloc solide de métal le long de chemins d'outils générés numériquement, il produit des tolérances de ±0,005 mm.

Chaque type de métal dicte ses propres paramètres d'usinage, L'aluminium, qui a une dureté de seulement 2,75 Mohs est usiné par découpe avec tête enfoncée idéalement avec une dissipation thermique étendue et rapide par une conductivité thermique élevée Le titane, par comparaison a une réactivité chimique très élevée à haute température, et les écrouissages conduisant à des vitesses de coupe et d'alimentation inférieures à l'idéal avec un outillage très rigide D'autre part l'acier inoxydable, pour une couche d'oxyde de chrome résistante à la corrosion, est très dur, un outillage si puissamment tranchant et refroidi à la silice sont tous deux utilisés en usinage.

Lorsqu'un projet nécessite Services d'usinage de métaux CNC, 4, la décision technique initiale est de trouver un alliage métallique approprié pour répondre aux besoins de l'application : résistance, poids, environnement de corrosion, classe de tolérance. L'équipe d'ingénieurs de Le Creator fonctionne avec l'aluminium, l'acier, l'acier inoxydable, le laiton, le cuivre et le titane pour les applications automobiles, médicales et électroniques.

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