2_Metaux_Structures

LES MÉTAUX - STRUCTURESJean-Hubert Schmittjean-hubert.schmitt@ecp.frContrôle• Par groupe de 3 ou 4 élèves, choisir un objet (simple)– définir le(s) matériau(x) utilisé(s), la raison principale de son choix, les modalités de fabrication de l’objet – rechercher, à partir des fonctionnalités de l’objet choisi, les matériaux de substitution qui pourraient être utilisés – positionner ce nouveau choix par rapport à la solution actuelle• Préparer une présentation PowerPoint de présentation des résultats (15 minutes de présentation le 10 juin après-midi), ainsi qu’une courte notice de calcul en appui de la présentation • 2 points d’avancement intermédiaires :– 5 et 12 mai – 30 mai et 3 juin14/04/2011 PR1300_Matériaux 2Plan du cours• • • • • • • • • • • Introduction Métaux – Structures Métaux – Mise en Forme Polymères Céramiques – Structure Matériaux à Propriétés Fonctionnelles Surfaces Matériaux de génie civil et roches Matériaux vivants Composites Conférences : l’automobile et le nucléairePR1300_Matériaux 314/04/2011Les métaux (rappel)• Les liaisons métalliques– Électrons délocalisés (gaz d’e-)conducteur d’électricité et de chaleur éclat métallique14/04/2011PR1300_Matériaux4Les métaux (rappel)• Les liaisons métalliques– Électrons délocalisés (gaz d’e-)conducteur d’électricité et de chaleur éclat métallique– Température de fusion relativement élevée14/04/2011PR1300_Matériaux5Les métaux (rappel)• Les liaisons métalliques– Électrons délocalisés (gaz d’e-)conducteur d’électricité et de chaleur éclat métallique– Température de fusion relativement élevée– Cristaux de structure compacte (cfc, hc)matériaux denses propriétés plutôt isotropes ductilité et ténacité14/04/2011 PR1300_Matériaux 6Les métaux14/04/2011PR1300_Matériaux7Elaboration des métaux14/04/2011PR1300_Matériaux8Elaboration des métaux• Nécessité de concentrer les produits issus des mines • Besoin de « purifier » les minerais • Extraction du métal « pur » • Mise à nuance14/04/2011PR1300_Matériaux9Elaboration des métaux4 étapes majeures pour la fabrication d’un produit – Métallurgie primaire ou extractivedu minerai au métal liquide (ou éponge ou poudre)– Métallurgie secondaire (en métal liquide)affinage élimination des éléments nocifs mise à nuance coulée / solidification– Transformation thermomécanique – Mise en forme14/04/2011 PR1300_Matériaux 10Les produits plats Les produits longsLes produits plats Les produits longsLa métallurgie extractive•Concentrer le minerai•Passer d’un oxyde (ou d’un sulfure) au métal –Pyrométallurgie (traitement à haute température)–Hydrométallurgie (traitement en milieu aqueux à bassetempérature)–Électrométallurgie (électrolyse en milieu aqueux à basse température ou en sels fondus à haute température)3 exemples typiques–L’acier (pyrométallurgie)•Utilisation encore très importante dans de très nombreux secteurséconomiques (automobile, emballage, appareils ménager,construction mécanique, bâtiment, offshore…)•Production au sein d’unités de taille importante, à proximité descôtes –ou dans des minimills proches des centres urbains•Très grand nombre de nuances et effet des traitements thermo-mécaniques•Atouts : facilité de mise en forme, résistance mécanique, coût,assemblage•Faiblesses : densité, corrosion•Recyclage : important (magnétisme), par la filière électrique, maisaussi par la filière fonte−Le nickel (hydrométallurgie)•Utilisation sous forme de nickel pur dans les revêtements et dans certaines applications spécifiques (monnaies), mais plusfréquemment sous forme d’alliages pour l’aéronautique •Production au sein de petites unités, avec des limitations environnementales fortes•Propriétés physiques spécifiques, par ex. sous forme Fe-Ni (INVAR) avec une dilatation thermique nulle et une absence de magnétisme •Atouts : excellente tenue en température, résistance élevée•Faiblesses : disponibilité et coût, mise en œuvre−L’aluminium (hydrométallurgie, puis électrométallurgie)•Utilisation importante en aéronautique et dans l’emballage•Production très consommatrice d’électricité et concentrée dans les régions à faible coût d’énergie électrique (Canada, par ex.)•L’aluminium pur est très déformable ; développement de nombreuses familles d’alliages d’aluminium en fonction desprincipaux éléments d’alliage (Mn, Mg, Cu, Li…)•Atouts : faible densité, mise en forme aisée y compris par extrusion de produits longs, bonne tenue dans le temps•Faiblesses : résistance mécanique limitée, assemblage difficile, tenue en température limitée•Recyclage : important par tri en amont, gain important en terme d’énergie (-50%), importance des types de nuance (difficulté)•Deux filières pour la production d’acier-à partir du minerai par la voie haut fourneau et convertisseur-à partir de ferraillesrecyclées par fourélectriqueLe choix est fortement influencé par le lieu de production, la nature du produit final, le coût et la nature de l’énergie disponiblePrincipaux modes d’élaboration6 GJ/t de fonte1,5 GJ/t d’acier21 GJ/t d’acier laminé à chaud Unités de 8 à 12 Mt/an 10 GJ/t d’acier laminé à chaud Unités de 1Mt/anPrincipaux modes d’élaborationDiagramme d’Ellingham :possibilités de Température∆Gréduction par CO ou par H 2P co/co 2P H/H OP O2 10-2 10-4 10-610-8 10-1010-1210-14Passage de la fonte (3 à 5% C) à l’acier (de quelques ppm à 1,2% CRéduction du S et du P Mise à nuanceLe nickel : un exemple d’hydrométallurgie •Minerais très pauvres en Ni (quelques pourcent) et besoin en nickel très pur pour l’industrieaéronautique–Récupération de «traces» de Ni dans des oxydes ousulfures riches en Fe, et contenant du Cu et du Co (del’ordre de 80 millions de tonnes de minerai par an pour 800 000 t de Ni !)–Nécessité de purification finale du Ni par distillation •Nombreuses voies de réduction possible‒Pyro-électrométallurgie‒Hydrométallurgie•L’hydrométallurgie :–Lixiviation de sulfures de Fe-Ni par l’ammoniac (80°C, 10 atm)•FeS Fe 2O 3, insoluble•(Ni, Cu, Co)S (Ni, Cu, Co)(NH 3)6en solution–Récupération du Cu sous forme de CuS–Précipitation du nickel par réduction par l’hydrogène à 200°C (p H de 30 atm) à partir de germe•Purification du nickel par carbonylationgazeux à partir de CO –Transformation de Ni en Ni(CO)4(200°C, 70 atm)–Séparation du Fe qui se transforme plus lentement–Gaz à 99% Ni (résidu riche en cuivre, retraité)–Distillation du gaz en colonnes de fractionnement–Précipitation du nickel sur un lit de billes de nickelchauffées à 230°CExemple de l’aluminium, hydro-et électro-métallurgie-à partir de bauxite (Al2O3(55%),Fe2O3(15%), SiO2(5%) …12GJ/t-lixiviation par la soude :-Al203NaAlO2-Si et Fe boues rouges-précipitation en Al(OH)3à partirde germes (réaction lente : 13 m3 de solution pour 1 t d’alumine en 60 h)-calcination à 1000°CElectrolyse de l’aluminium-électrodes en carbone avec untrès faible entrefer (4 à 5 cm)-fonctionnement à 970°C dans unbain électrolytique : AlF 6Na 3-Al pur à 99,85% (Fe à 150 ppm,Si, Na, Ca…)-purification du métal par injectionde gaz (Ar et Cl) et filtrationElectrolyse de l’aluminium-électrodes en carbone avec un très faible entrefer (4 à 5 cm)-fonctionnement à 970°C dans unbain électrolytique : AlF 6Na 3-Al pur à 99,85% (Fe à 150 ppm,Si, Na, Ca…)-purification du métal par injectionde gaz (Ar et Cl) et filtrationAutres exemples :•Cuivre–à partir de sulfures pauvres en Cu (moins de 5%), contenant desmétaux nobles : Au, Ag, Pt–Deux voies possibles :pyrométallurgie fournissant directement du cuivre métallique pur à98%, suivi l’un électroraffinage(pureté attendue pour les conducteursélectriques : de l’ordre du ppm !)hydrométallurgie (évite les émissions de SO2)•Zinc–à partir de Blende ZnS pauvre en Zn (2 à 12%), concentration par flottationsulfure concentré en Zn (à 60%)sulfure riche en plomb–Deux voies possibles comme pour le cuivre (40 GJ/t pour les 2voies du fait de l’électroraffinage)•Titane et Zirconium–à partir d’oxydes complexesTiO –FeTiOZrSiO4(HfSiO4) –zircon–Transformation des minerais en chlorures (oxydes très stables et grande affinité pour l’oxygène)–Distillation et réduction par le magnésiuméponge métallique–Purification par fusion sous vide (et récupération dumagnésium par électrolyse du chlorure)Solidification•Le métal liquide est refroidi soit –de façon continue–dans une lingotière–dans un moule•Le process de solidification détermine –une structure interne–des propriétés spécifiques–des éventuelles hétérogénéités et défauts •Quelques exemplesPrincipe de la couléecontinueSolidification -Structures220 mmCoupe acier produit longSolidification -StructuresConstruction 3D des dendrites Influence de la cristallographie Effet du gradient thermiqueInfluence de la vitesse de refroidissement <100>Influence de lagéométrie de coulée Barre cuivreEffet des éléments d’alliageSolidificationSolidification des alliagesExistence desecondes phases•Des pièces peuvent être obtenues directement pas coulée et solidification en moule–Petites pièces moulées–Pièces de chaudronnerie–Aubes de turbines–…•Attention particulière aux défauts et hétérogénéités –Retassures et porosités–Ségrégations et inclusions•Possibilité de forgeage ultérieur et/ou traitements thermiquesMoulage :Grains colonnaires dans une aube de turbine en alliage denickel。