En fabrication et en conception, choisir le bon matériau est essentiel – cela affecte directement la performance et la durabilité d'un produit. Les matériaux métalliques, en particulier, offrent une large gamme de caractéristiques et sont utilisés dans tout, des produits industriels et bâtiments aux composants mécaniques.

Cet article fournit un aperçu clair de ce que sont les matériaux métalliques, des types de métaux ferreux et non ferreux, de leurs propriétés principales (résistance, dureté, ténacité, masse volumique), ainsi que des méthodes de traitement de base et des points à prendre en compte lors du choix des matériaux. Il s'adresse aux ingénieurs et concepteurs souhaitant acquérir une compréhension solide et structurée des matériaux métalliques.

Quels sont les matériaux métalliques ?

Les matériaux métalliques sont des matériaux dont les composants principaux sont des éléments métalliques. Ils se divisent grossièrement en métaux ferreux et non ferreux et sont largement utilisés dans les produits quotidiens et l'équipement industriel. Les métaux sont connus pour leur éclat, leur haute conductivité électrique et thermique, ainsi que pour leur excellente malléabilité et ductilité. Lorsqu'ils sont alliés avec d'autres éléments, leurs propriétés peuvent être encore améliorées et diversifiées.

Métaux ferreux

Les métaux ferreux sont des alliages à base de fer (Fe) avec une teneur en carbone contrôlée. Leur dureté et leur résistance varient selon le taux de carbone. Les grandes catégories incluent :

• Aciers au carbone (grades SS, SC) utilisés dans les structures et les pièces automobiles
• Aciers inoxydables (grades SUS) connus pour leur haute résistance à la corrosion
• Aciers alliés (grades SKH, SKD) utilisés pour les outils de coupe et les matrices
• Fonte, appréciés pour leur excellente coulabilité

Les métaux ferreux offrent une combinaison équilibrée de résistance et de malléabilité, ce qui les rend largement applicables dans divers secteurs.

Métaux non ferreux

Les métaux non ferreux sont des métaux et alliages ne contenant pas de fer comme composant principal. Bien qu'ils soient généralement plus coûteux, beaucoup présentent des avantages tels qu'un faible poids, une excellente conductivité, une résistance à la corrosion et des propriétés non magnétiques.
Les exemples courants incluent :

• Aluminium – légers, utilisés dans les avions et automobiles
• Cuivre – hautement conducteur
• Titane – solides et résistants à la corrosion
• Or et argent – largement utilisés dans l'électronique et les articles décoratifs
• Laiton et bronze – matériaux d'alliage populaires

Ces matériaux jouent un rôle important dans des applications spécialisées.

Principales propriétés des matériaux métalliques

Les propriétés des matériaux métalliques déterminent leur comportement en conception mécanique et en traitement, influençant leur adéquation à différentes applications. Chaque métal possède ses propres caractéristiques, et l'amélioration d'une propriété entraîne souvent des compromis sur d'autres. Comprendre ces relations est essentiel pour sélectionner le bon matériau.

Les quatre propriétés majeures couramment utilisées pour décrire le comportement des métaux sont : la résistance, la dureté, la ténacité et la masse volumique.

Résistance

La résistance est la capacité d'un matériau à supporter des forces externes. Elle est souvent qualifiée de “ durabilité ” et est généralement évaluée par résistance à la traction, la charge maximale qu'un matériau peut supporter sans se rompre.

Bien que les matériaux subissent divers types de forces – compression, cisaillement, flexion – celles-ci peuvent être rattachées à des forces de traction au niveau microscopique. Pour cette raison, la résistance à la traction est considérée comme un indicateur clé de la “ résistance ” globale d'un matériau.”

Les matériaux à haute résistance doivent être choisis pour les composants soumis à des charges importantes.

Dureté

La dureté décrit la résistance d'un matériau à la déformation locale ou aux dommages superficiels, tels que les rayures ou les entailles. Alors que la résistance permet au matériau de supporter une déformation, la dureté reflète sa capacité à résister totalement à la déformation.

La dureté est étroitement liée à résistance à l'usure, et peut être améliorée par des traitements thermiques tels que la trempe. Cependant, une dureté plus élevée implique souvent une usinabilité plus difficile. Pour les pièces exposées à des frottements répétés – comme les engrenages et les roulements – les matériaux à haute dureté sont recommandés.

Ténacité

La ténacité désigne la capacité d'un matériau à absorber l'énergie et à résister à la rupture – sa “ résilience ”. Contrairement aux matériaux fragiles comme la céramique, les métaux tenaces se déforment plutôt que de se casser brutalement lorsqu'ils sont soumis à une force.

La ténacité mesure la quantité d'énergie qu'un matériau peut absorber au-delà de sa charge maximale avant qu'une rupture complète n'intervienne. Les matériaux à haute ténacité sont idéaux pour les environnements impliquant des chocs ou des charges fluctuantes.

Poids spécifique

La masse volumique est le rapport entre la densité d'un matériau et celle de l'eau, et constitue une mesure intuitive du poids. Les matériaux à haute masse volumique sont plus lourds ; ceux à basse masse volumique sont plus légers.

Bien que la densité soit le terme formel utilisé dans des normes telles que JIS, la masse volumique est souvent préférée dans les contextes de conception et d'ingénierie en raison de sa facilité de compréhension lors de l'estimation du poids des matériaux.

Comment les propriétés des métaux se rapportent les unes aux autres

Les propriétés des métaux présentent plusieurs tendances générales :

• Une plus grande résistance va souvent de pair avec un poids plus élevé.
  Les métaux véritablement solides et légers sont relativement rares.
• Une dureté plus élevée réduit généralement la ténacité.
  Par exemple, les céramiques résistent à l'indentation mais se cassent facilement sous l'impact.
• Une dureté plus élevée augmente généralement la résistance.
• Les matériaux deviennent plus difficiles à traiter à mesure que leur résistance ou leur dureté augmente.
  Tout comme une viande congelée est plus difficile à couper qu'une banane, les matériaux forts et durs sont plus difficiles à usiner ou à former.

Puisque l'amélioration d'une propriété affecte souvent les autres, le choix des matériaux nécessite d'équilibrer ces caractéristiques en fonction des exigences de conception.