Il n'existe pas de définition simple et unique du métal. En général, toutefois, tout élément chimique présentant des « propriétés métalliques » est classé parmi les métaux. Parmi les propriétés typiques des métaux, on peut citer l'éclat, une bonne conductivité thermique et électrique, ainsi que la capacité à être façonné ou déformé de manière permanente à température ambiante. C'est précisément la grande diversité de ces propriétés qui rend les métaux adaptés à tant d'utilisations différentes dans la vie quotidienne.
Les éléments chimiques qui ne présentent pas ces propriétés typiques des métaux sont classés parmi les non-métaux. Un petit nombre d'éléments, appelés métalloïdes, se comportent tantôt comme un métal, tantôt comme un non-métal. Parmi les exemples de ce groupe intermédiaire, on peut citer le carbone, le phosphore, le silicium et le soufre.
Les différentes propriétés des métaux peuvent être combinées en mélangeant deux ou plusieurs d'entre eux, ce qui donne naissance à une substance appelée « alliage ». Les métaux élémentaires purs étant souvent trop mous pour avoir une utilité pratique, une grande partie de la métallurgie se consacre à la mise au point d'alliages utiles. En créant un alliage à la composition spécifique, il est possible d'obtenir une propriété métallique particulière, ou un ensemble de propriétés, pour une application prédéterminée.
L'acier, par exemple, est un mélange de fer contenant de faibles quantités de carbone et d'autres éléments. D'autres alliages, tels que le laiton (cuivre et zinc) et le bronze (cuivre et étain), sont faciles à façonner et présentent un aspect esthétique. Le bronze est également fréquemment utilisé dans la construction navale, car il résiste à la corrosion provoquée par l'eau de mer.
Les propriétés propres à chaque métal et à chaque alliage déterminent leurs domaines d'application respectifs. Le titane est bien plus léger et moins dense que l'acier, tout en étant tout aussi résistant. Comparé à l’aluminium, il est plus lourd, mais deux fois plus résistant. Le titane est également très résistant à la corrosion, et l’ensemble de ces propriétés métalliques en fait un excellent matériau. Les alliages de titane sont utilisés dans l’aéronautique, la construction navale et l’aérospatiale, ainsi que dans les peintures, les vélos et même les ordinateurs portables.
Le cuivre est un bon conducteur d'électricité et est ductile, ce qui explique son utilisation répandue dans la fabrication des câbles électriques. L'or et l'argent sont très malléables, ductiles et pratiquement non réactifs, ce qui en fait des matériaux idéaux pour la création de bijoux complexes. L'or est particulièrement adapté à cet usage car il ne ternit pas et peut également être utilisé pour des connexions électriques résistantes à l'oxydation.
Le fer et l'acier sont tous deux durs et résistants, c'est pourquoi ils sont utilisés pour construire des ponts et des bâtiments. L'un des inconvénients du fer est qu'il a tendance à rouiller ; quant aux aciers, bien qu'ils rouillent eux aussi pour la plupart, ils peuvent être traités de manière à ne pas rouiller. L'aluminium est un bon conducteur de chaleur et est malléable, ce qui le rend utile pour la fabrication de casseroles et de papier d'aluminium, ainsi que pour les fuselages d'avions, grâce à sa très grande légèreté.
Le choix des matériaux revêt une importance particulière dans les environnements exigeants. L'acier inoxydable et l'acier galvanisé sont utilisés lorsque la résistance à la corrosion est essentielle, tandis que les alliages d'aluminium et de magnésium sont privilégiés pour les applications qui exigent à la fois résistance et légèreté.
Dans des conditions particulièrement agressives, les alliages cuivre-nickel tels que le Monel sont utilisés dans des environnements hautement corrosifs et pour des applications non magnétiques. Les superalliages à base de nickel, tels que l’Inconel, sont utilisés dans des applications à haute température, notamment les turbocompresseurs, les récipients sous pression et les échangeurs de chaleur. Lorsque les températures sont extrêmement élevées, on utilise des alliages monocristallins pour minimiser le fluage.
Figure 1 : Relation entre les propriétés des métaux, les avantages en termes de performances et les applications techniques
Les propriétés vous renseignent sur le comportement d’un métal, mais elles prennent tout leur sens lorsque vous comprenez d’où elles proviennent et comment elles sont mises à profit. Les autres guides de notre série « Métaux » complètent le tableau. Le guide « Composition des métaux » explique comment la composition chimique d'un matériau détermine ses propriétés, tandis que le guide « Nuances de métaux » montre comment ces matériaux sont classés dans les familles que vous spécifiez et achetez concrètement. Pour comprendre comment les exigences relatives à un matériau sont consignées par écrit et formellement convenues, consultez les guides « Spécifications des métaux » et « Normes des métaux », qui traitent des documents de référence et des systèmes qui les sous-tendent. Enfin, « Équivalences et correspondances entre métaux » explique comment une nuance d’un système est mise en correspondance avec son équivalent dans un autre système, ce qui repose directement sur les propriétés décrites ici.
Les propriétés caractéristiques des métaux comprennent l'éclat, une bonne conductivité thermique et électrique, ainsi que la capacité à être façonnés ou déformés de manière permanente à température ambiante. C'est la diversité de ces propriétés qui rend les différents métaux adaptés à des applications variées.
Les métaux présentent les propriétés métalliques typiques, tandis que les non-métaux en sont dépourvus. Les métalloïdes sont des éléments qui se comportent tantôt comme un métal, tantôt comme un non-métal, occupant ainsi une position intermédiaire entre les deux.
Les métaux élémentaires purs sont souvent trop mous pour une utilisation pratique. La combinaison de deux métaux ou plus permet d'obtenir un alliage dont la composition peut être adaptée afin de conférer une propriété spécifique, ou une combinaison de propriétés, en vue d'une application particulière. L'acier, le laiton et le bronze en sont des exemples courants.
L'acier inoxydable et l'acier galvanisé sont largement utilisés dans les applications où la résistance à la corrosion est essentielle. Le bronze résiste à la corrosion par l'eau de mer et est très prisé dans la construction navale, tandis que les alliages cuivre-nickel, tels que le Monel, offrent de bonnes performances dans les environnements hautement corrosifs.
Les superalliages à base de nickel, tels que l’Inconel, sont utilisés dans des applications à haute température, comme les turbocompresseurs, les récipients sous pression et les échangeurs de chaleur. Pour les températures extrêmement élevées, on utilise des alliages monocristallins afin de réduire au minimum le fluage.
Le titane allie une faible densité à une grande résistance mécanique et à une excellente résistance à la corrosion. Il est plus léger que l'acier tout en offrant une résistance comparable, et environ deux fois plus résistant que l'aluminium, ce qui explique pourquoi il est utilisé dans la construction aéronautique, navale et spatiale, ainsi que dans la fabrication de vélos et de nombreux autres produits.