Métallurgie

La métallurgie est la science des matériaux qui étudie les métaux, leurs élaborations, leurs propriétés, leurs traitements. Par extension, on désigne ainsi l’industrie de la fabrication des métaux et des alliages, qui repose sur la maîtrise de cette science.

Définition

La définition de la métallurgie a largement évolué à partir du XIX^e siècle. À partir des forgerons et leur accumulation de connaissances empiriques, la métallurgie est devenue au 19^e siècle une science et dans le contexte de la révolution industrielle (et dans l'inconscient collectif) devenue synonyme d'acier, de haut fourneaux, de laminoirs, de tréfileries, pour devenir ensuite une activité industrielle intense^[1] qui se préoccupe aussi de solutions de pointe, d'alliages spéciaux pour l'aéronautique, l'électronique, le bâtiment, l'automobile, le nucléaire et d'innombrables autres usages.

Ainsi, la métallurgie, en 1840 se définit comme « la science qui apprend à connaître la manière de traiter les minerais qui sont fournis par l'exploitation des mines. L'exploitation et la métallurgie font partie des sciences mécaniques, et peuvent être réunies sous le nom de science des Mines, qui se subdivise ensuite en exploitation des mines et en métallurgie. Le mineur extrait les minéraux par des procédés mécaniques; le métallurgiste les traite par une suite de procédés chimiques et mécaniques. Retirer par des procédés chimiques, exécutés en grand, de la manière la plus économique et avec le moins de perte possible, les parties utiles que renferment les minéraux fournis par le mineur, tel est le problème de la métallurgie rationnelle (...) L'affaire principale du métallurgiste est toujours la connaissance de l'art de traiter les minerais; mais s'il veut s'élever au-dessus de la simple routine, il ne doit pas rester étranger à plusieurs autres sciences accessoires, surtout quand il veut se former à devenir administrateur ou directeur d'usines. Les mathématiques, la physique, la chimie, la minéralogie, l'exploitation des mines, l'architecture, l'aménagement des forêts, le dessin, la jurisprudence et les finances, sont des sciences à étudier, les unes dans toute leur étendue, les autres dans quelques-unes de leurs parties seulement^[2] ».

Début XXI^e siècle, dans une définition qui le distingue d'un pur physicien ou d'un pur chimiste et qui corresponde à la réalité des laboratoires publics et industriels, « le métallurgiste, formé à la physique, à la chimie et à la mécanique, au minimum sait lire un et utiliser un diagramme de phases (sans croire que celui-ci dit tout sur l'alliage), connaît l'existence et propriétés des défauts cristallins responsable de la plasticité et du transport de matière, ainsi que les fondements théoriques et pratiques de la rupture et de la corrosion: qui utilise ces compétence sur la face expérimentale ou sur la face théorique de la métallurgie,ou mieux, sur les deux; et qui possède une culture suffisamment large pour, connaissant la composition d'un alliage métallique, avoir déjà une assez intuition des principales de ses propriétés^[3]. ».

En raison de son passé plusieurs fois millénaire -qu'elle ne partage qu'avec l'astronomie- et de l'ampleur de ses applications, la métallurgie est parfois considérée comme une activité plus proche des arts et métiers que d'une activité scientifique rigoureuse. Empruntant à la physique, à la mécanique, à la chimie, et aux mathématiques, elle a contribué à créer la science des matériaux et elle continue à la nourrir d'exemples, de de concepts, et de méthodes expérimentales et théoriques. Le succès de la Métallurgie tient en cinq mot: « l'abondance des métaux dans la croute terrestre, leur grande malléabilité, la capacité qu'ils offrent de modifier leurs propriétés mécaniques par des traitements thermomécaniques, l'extraordinaire maîtrise des technologies associées; enfin la conduction -électrique et thermique - caractéristique des métaux et alliages et le magnétisme de certains d'entre eux »^[3].

Histoire

Antiquité

L'histoire de la métallurgie est étudiée par le métallurgiste, plus précisément par le cristallographe. Le premier métal travaillé fut le cuivre. En fait, le cuivre n'était alors considéré que comme un type de bronze. En effet, le mot « cuivre » signifie étymologiquement « bronze de Chypre » de l'endroit où furent créées les premières carrières de cuivre dans l'Antiquité et la fin de la préhistoire.

Les hommes commencèrent probablement par travailler le cuivre natif (c'est-à-dire présent naturellement sous forme métallique) par martelage, et ils s'aperçurent sans doute qu'il était plus facile de le travailler lorsqu'il était chauffé (phénomène de recuit : élimination des dislocations par la restructuration et éventuellement recristallisation). Puis, en chauffant de plus en plus, ils s'aperçurent qu'il fondait et que l'on pouvait donc le mouler. Ceci constitua l'Âge du cuivre, vers -4000.

Le premier alliage fut le bronze (alliage de cuivre et d'étain). L'âge du bronze s'étendit d'environ -2500 à -1000 bien que l'on pensait alors que le cuivre était un type de bronze.

Le cuivre natif étant rare, ils travaillèrent alors des minerais de plus en plus pauvres en cuivre natif, et ils s'aperçurent probablement que le fait de faire chauffer des minerais permettait non seulement d'extraire le cuivre par fusion, mais aussi de « transformer » le minerai en métal (réduction) ; c'est sans doute ainsi que sont nés les bas fourneaux, vers -1200.

Vers -1000 commença l'âge du fer. Le fer fondant à beaucoup plus haute température que le cuivre (1 535 °C contre 1 084 °C), la réduction du minerai dans les bas fourneaux était imparfaite et donnait naissance à un bloc d'aspect spongieux (le massive ou la loupe) que l'on martelait pour le débarrasser de ses impuretés. Les premiers à utiliser le fer furent les Hittites. En Afrique, vers -2000 la civilisation Nok développa très tôt cette science passant de l'âge de pierre directement à l'âge du fer.

Dans toute la suite de l'antiquité seuls quelques métaux furent utilisés et pour certains seulement travaillés. N'étaient connus que sept métaux : l'or, le mercure, le plomb, l'argent, le fer, le cuivre et l'étain. Il faudra attendre 1750, lors de la découverte du bismuth pour assister à la découverte d'un nouveau métal et 1735 pour découvrir le cobalt.

Moyen Âge

Travail du métal en 1564, Allemagne

L'utilisation de moulins à eau pour assurer le soufflage permit d'atteindre de plus hautes températures. C'est ainsi que vers 1450, on réalisa la première coulé de fonte avec un haut-fourneau.

Les temps modernes

La sidérurgie connaît son plus fort développement à la fin du XVIII^e siècle, ce qui permit la révolution industrielle. La production en masse d'acier permit la réalisation de machines à vapeur et donc le pompage des eaux dans les mines.

De nos jours, de nombreuses recherches se font sur les traitements appliqués aux métaux plus que sur la préparation de ceux-ci notamment sans passer par des hauts-fourneaux. Par exemple, d'un point de vue biomédical, le titane est biothérapie. Des traitements chimiques ou physiques tels le sablage permettent de le rendre histocompatible et font de lui le métal référence pour les prothèses osseuses.

Organisation de l'industrie

Les activités

La métallurgie recouvre un éventail d'activités industrielles :

• Extraction du minerai et première transformation (minéralurgie)
• Recyclage des métaux
• Fonderie (hauts-fourneaux et affinage)
• Fabrication de produit brut par les laminoirs.
• Transformation des produits bruts en produits semis-finis.
• Fabrication de matériel et de produits finis pour l'industrie, le bâtiment et le transport.

Trois spécialités

Les fondeurs d'art.

L'industrie de la métallurgie s'est organisée en trois principales spécialités. Chacune des trois demande une spécialisation différente des deux autres. Il y a, d'une part, la métallurgie du fer et, d'autre part, celle des métaux non ferreux, qui se divisent en métaux précieux, tel que l'or, et non précieux, tel que l'aluminium :

• la production d'acier et des alliages ferreux (sidérurgie)
• la production des métaux non ferreux et non précieux
• la production des métaux précieux

L'avenir de la métallurgie

De nombreux centres de décision (recherche et fabrication) de la métallurgie sont devenu au fil du temps internationaux. L'éloignement géographique et intellectuel entre les centres de décision, de fabrication et de recherche qui en résulte font que bien souvent la compétence de la métallurgie se perd en Europe, tant en recherche qu'en activité industrielle: un effort universitaire qui s'émiette, un enseignement qui s'affaisse, des jeunes chercheurs et ingénieurs faisant défaut^[3].

Notes et références

Voir aussi

• Alliage
• Corrosion
• Cristallite
• Cristallographie
• Ductilité
• Hydrométallurgie
• Lingot
• Mécanique des milieux continus
• Métallurgie des poudres
• Minéralurgie
• Ouvrier
• Sidérurgie
• Soudage
• Tôle

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