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Dossier pédagogique
CCSTI La Rotonde - École nationale supérieure des mines de Saint-Étienne
158 cours Fauriel 42023 Saint-Étienne cedex 2 - Fax : 04 77 42 00 00
Guillaume DESBROSSE - 04 77 49 97 04
1

SOMMAIRE
Petite histoire des métaux…………………………………………...p. 3
Voyage au centre du métal…………………………………………..p. 4
Pour découvrir l’atome et la liaison métallique.
Le chant du métal……………………………………………………….p. 5
Pour découvrir le son et la musique à travers les métaux.
La chimie des métaux………………………………………………...p. 8
Un peu de chimie à travers la corrosion et le principe de l’électrolyse.
Les métaux sont des conducteurs………………………………..p. 11
… d’électricité et de chaleur.
Les comportements mécaniques des métaux………………..p. 13
Ou comment torturer les métaux.
L’aimantation…………………………………………………………...p. 14
Un point sur le magnétisme et la notion de pôles.
La mise en forme des métaux……………………………………..p. 16
Petite visite en usine métallurgique.
Contacts…………………………………………………………………...p. 17
Bibliographie……………………………………………………………..p. 18
Liens Internet…………………………………………………………...p. 19
2

Petite histoire des métaux
La première rencontre entre l’homme et le métal est sans
doute un hasard. C’est probablement en cherchant des galets
pour ses parures, qu’il aura été intrigué par une pierre
différentes des autres par son aspect ou au toucher. Pépite
d’or ou minerai de cuivre, il aura constaté qu’en martelant ces
pierres, il pouvait en modifier la forme. C’était la naissance des
premiers bijoux.
Vers 6000 ans avant J-C, l’homme commence a martelé le
cuivre natif pour lui donner la forme désirée comme des perles
où des poinçons pour le cuir. Ses techniques de travail du
cuivre se répandent en s’améliorant pour devenir des outils
pour couper par exemple et pour atteindre l’Europe vers 2500
avant J-C. Cette période où l’homme s’intéresse beaucoup à ce
métal s’appelle l’âge du cuivre.
Vers 1800 avant J-C, l’homme crée un nouveau métal en ajoutant de l’étain au cuivre : le
bronze. Ainsi, il s’offre la possibilité de produire de nouveaux objets tels que des épingles ou des
bracelets mais aussi de nouvelles armes telles que des haches, des poignards ou des épées puis
des cuirasses, des casques et des boucliers.
Le premier fer utilisé pour crée des perles ou des outils fut le fer natif provenant de météorites.
Pendant le Moyen-Âge, la métallurgie du Fer évolue peu et c’est après la Renaissance que les
découvertes se succèdent rapidement comme l’invention des laminoirs et des marteaux pilons, la
fusion…
Enceinte de fusion
inductive, creuset
froid pouvant
contenir quelques
kilogrammes
d'alliage.
Objets celtes en bronze trouvés en
France et à l'ouest de l'Allemagne
datant de l'âge du bronze (III ème
millénaire).
En Angleterre, à partir du XVIII ème siècle, des maîtres de forges produisirent
de l’acier en petite quantité. Celui-ci a subi beaucoup d’amélioration et c’est
aujourd’hui le métal le plus utilisé.
Au XIX ème siècle, de nouvelles méthodes de fabrication donne des métaux
plus purs. On essaie alors d’ajouter de nouveaux éléments. On découvrira, par
exemple, que l’ajout de tungstène rend l’acier plus dur, ils seront utilisés pour
la fabrication des outils. L’ajout de chrome et de nickel rendra les aciers
inoxydables.
A la fin du XIX ème et au début du XX ème siècle, la découverte de l’aciérie
électrique et la technique du creuset permet d’élaborer des alliages de plus en
plus complexes. Les compositions se précisent, aidées par le développement de
l’analyse chimique, des analyses de propriétés et le contrôle au microscope
électronique, de la spectrométrie...
HÉPHAÏSTOS, dieu du feu
et de la métallurgie
Fils d'Héra, Héphaïstos ( ou Vulcain chez les latins ) est
le dieu du feu, des métaux et est le forgeron des dieux.
Les volcans lui servent d’atelier. Il fabrique des bijoux,
des automates, des armes. Ainsi, il forge le bouclier
d’Achille et deux servantes d’or qui l’aident à marcher
ainsi qu’un trône en or qui immobilise celui qui s’y assoit.
Il prend part à la guerre de Troie en combattant avec
le feu. Il tue Clytios, le Géant, avec une barre de fer
rougie. L’une de ses plus belle création fut Pandore, la
première femme.
Héphaïstos
forgeant
l’armure
d’Achille
3

Voyage au centre du métal
L’élément de base du métal : l’atome
Grains dans un métal
Les métaux sont formés de grains. Si on regarde encore de plus près un
grain de métal, on peut apercevoir les atomes qui le constituent.
Un atome est constitué d’un
noyau dense infiniment petit et
un ou plusieurs électrons qui
évoluent autour du noyau de
manière aléatoire à des distances
définies.
Entre les deux, il y a du vide.
Un atome a une taille de l'ordre de 10 -10 m, soit un
dixième de millionième de millimètre !
Un atome est donc très petit : par exemple, il y a onze
milliards de milliards d'atomes de fer dans un milligramme
de fer !
La liaison métallique
Photos prise
avec l’un des
plus grand
agrandissement
que l’homme
puisse faire. On
observe les
plans d’atomes.
La surface de rencontre entre chaque grain d’un métal s’appelle le
joint de grains.
Les joints de grains jouent un rôle important dans un grand nombre
de propriétés des métaux et des alliages. Leur structure particulière
leur permet de «piéger» des atomes d'impuretés dont la présence
affecte leur résistance mécanique :il la renforce, ou, au
contraire, la fragilise.
À chaud, les joints de grains peuvent permettre aux grains de glisser
les uns par rapport aux autres. Lorsque les grains sont très petits,
cette propriété peut entraîner la superplasticité, c'est-à-dire la
possibilité de très grandes déformations plastiques, ce qui permet la
mise en forme de certains alliages (d'aluminium ou de titane).
La cohésion des métaux est assurée par des liaisons chimiques fortes.
Dans un métal, les électrons périphériques des atomes sont
complètement délocalisés et se trouvent partagés entre
tous les atomes de la structure. Les structures
métalliques sont caractérisées par une tendance à
la compacité maximale.
Dans le cas des métaux purs, constitués d'une seule
sorte d'atomes, les structures cristallines les plus compactes
sont obtenues grâce à leur agencement en réseaux. Dans les métaux, on
trouve trois des sept types de réseaux cristallins qui existent dans la nature :
le cubique à faces centrées, l'hexagonal et le cubique centré.
4

Le son est une vibration :
l’objet qui émet le son se
déforme, puis reprend sa
forme, etc… et transmet
cette vibration à l’air qui
l’entoure.
Cette déformation n’est
pas forcément visible : par
exemple, quand on tape
sur un clou avec un
marteau, on ne voit pas la
déformation du clou.
Fréquence = nombre de déformations
en une seconde exprimée en Hertz
(Hz).
1 Hz = 1 vibration / seconde.
Les sons ne sont audibles que lorsque
la fréquence se situe environ entre
20 et 20000 Hz.
Plus la fréquence est élevée (vibrations
rapides), plus le son est aigu.
Le chant du métal
Maintenir une lamelle en métal grâce à un étau.
Appuyer sur l’extrémité de la lamelle afin de la faire vibrer.
Faire varier la longueur de la partie vibrante de la lamelle.
La fréquence varie en fonction de la longueur de la partie
vibrante de la lame. Plus la lame est courte, plus elle vibre
rapidement donc plus la fréquence est élevée et le son est
aigu et inversement.
L’oreille externe
(pavillon + conduit auditif)
canalise les vibrations de
l’air. Le tympan les capte
et se déforme sous leur
effets. L’oreille moyenne
t r a n s m e t a l o r s l e s
vibrations du tympan à
l’oreille interne grâce à la
chaîne d’osselets (marteau,
enclume, étrier) qu’elle
contient. Cette dernière
comporte des cellules
ciliées qui sont sensibles
aux vibrations : elles les amplifient, les sélectionnent par
fréquence puis elles envoient au cerveau des impulsions
électriques qui provoquent la sensation sonore.
Attacher un objet en métal au milieu d’une ficelle.
Le cogner contre une table en le tenant par la ficelle et écouter.
Enrouler chaque bout de la ficelle autour d’un index.
Mettre ces doigts dans les oreilles et cogner de nouveau l’objet.
On entend alors un son beaucoup plus amplifié car les
vibrations du métal se propagent le long de la ficelle et arrivent
directement au niveau du tympan. Les oreilles étant bouchées,
on entend uniquement le son produit par la vibration du métal.
Intensité = f o r c e d u s o n ,
proportionnelle à l’amplitude des
vibrations exprimée en décibel (dB).
Il s’agit en quelque sorte du « volume »
du son.
Niveau 0 dB : bruit le plus faible qu’une
oreille peut percevoir.
Niveau 120 dB : bruit provoquant une
sensation douloureuse.
5

Le métal peut vibrer très
facilement et donc produire des
sons. Ces sons peuvent être
agréables, on obtient de la
musique ou provoquer des
sensations auditives gênantes et
désagréables ou nocives, on
obtient du bruit.
Casque anti-bruit
utilisé pour la
protection individuelle
des personnes
exposées
Mettre une cloche dans un
carton. Secouer le carton
et écouter.
Les dangers du son métallique en industrie
L’exposition prolongée à des niveaux de bruit intense peut
conduire à la surdité, dite de perception, qui est
irréversible. La chirurgie n’est actuellement d’aucun secours
et l’appareillage par des prothèses électronique n’est pas
toujours efficace. En France, plus de 2 millions de personnes
seraient exposées de manière prolongée à des bruits
intenses, dépassant 85 dB (A) sur leur lieu de travail. Un
certain nombre d’entre elles sera atteint de surdité
irréversible.
Les métiers du métal sont, en général, les plus touchés
par le bruit : la chaudronnerie – la forge – la tôlerie…
Les industriels doivent prendre des mesures afin de
diminuer considérablement les nuisances sonores dues aux
vibrations du métal.
Comment réduire le risque ?
- La surveillance médicale.
- La réduction du bruit des machines en les fabriquant avec
de nouveaux matériaux comme les tôles amorties qui
réduisent les vibrations sonores.
- Le choix de la technologie, certaines technologies sont
moins bruyantes que d’autres.
- L’isolement phonique des machines bruyantes et
automatiques dans un encoffrement
- Les écrans acoustiques qui absorbe les sons.
- La protection individuelle pour former un obstacle à l’accès
des ondes sonores dans l’appareil auditif. Il existe des
casques anti-bruits ou des bouchons d’oreilles.
Mettre une même cloche
dans un second carton
dont les bords auront été
recouvert de boîtes d’œufs.
Fermer le carton, le
secouer et écouter.
Le son provenant
du second carton
est beaucoup
moins élevé car
les creux des
boîtes d’œufs
réfléchissent les
vibrations dans
tous les sens et
f i n i s s e n t p a r
atténuer le son.
6

Métallophone
et autres percussions
Un métallophone est un
instrument de musique composé
de douze lames en métal,
maintenues sur un support en
bois par des clous de façon à ce
qu’elles puissent vibrer. Ces
Quelques exemples d’instruments métalliques
Cette particularité des métaux à vibrer facilement, conduit à
les utiliser en tant qu’instruments de musique. On produit alors
des sons qui vont correspondre à des notes de musique et ne
seront alors plus considérés comme du bruit.
Les notes et les sons produits vont varier en fonction de
différents paramètres :
- la nature du métal utilisé : tous les métaux ne vibrent
pas de la même façon.
- l’épaisseur du métal : plus le métal qui vibre est
épais, plus le son est aïgu. En effet, plus le métal est épais,
plus il est rigide et quand on le fait vibrer, il va avoir tendance
à revenir à son point d’équilibre très vite donc il va osciller plus
rapidement. S’il vibre plus vite, sa fréquence est plus élevée et
le son est plus aïgu.
- la longueur du métal : plus la partie métallique qui
vibre est courte, plus le son est aigu.
lames métalliques sont de différentes longueurs ce qui permet de jouer plusieurs notes de
musique.
Les élèves devront alors réfléchir au métal à utiliser et sous quelle forme, à la longueur des
lames, au support…
Il est aussi possible de leur faire réaliser leur propre instrument de musique en utilisant toute
sorte d’objets du quotidien en métal.
- Les bols tibétains : fabriqués par des forgerons nomades avec des alliages complexes de sept
métaux (or, argent, nickel, cuivre, étain, fer et plomb).
- Les flûtes thermiques : succession de tubes en inox de différentes longueurs. On fait passer de
l’air chaud dans les tubes. Celui-ci pousse l’air froid et ce déplacement d’air fait vibrer le métal qui
produit alors un son. Le son produit dépendant de la longueur du tube, on peut jouer sur ces
longueur pour produire différentes notes.
- Les cymbales : alliage de différents métaux, elle sont principalement composées de cuivre et de
bronze. Le son produit dépend de la matière et de la forme de la cymbale.
- Les cuivres : dans un instrument en cuivre, le métal vibre mais pas de façon uniforme car les
propriétés physiques du métal changent selon la façon dont il est mis en forme. Le martelage du
pavillon le rend plus raide tendit que le recuit le rend plus ductile. Le procédé de fabrication est
donc très important pour la justesse d’un instrument.
Les enfants peuvent se familiariser avec les
différentes notes de musique en leur faisant
produire des sons sur des objets métalliques. Ils
découvriront alors que les sons ne sont pas les
même selon le métal, sa forme…
Les enfants peuvent également essayer de
reconnaître certains bruitages et peuvent même
participer à l’élaboration de ceux-ci qui peuvent
correspondre à une histoire.
7

La corrosion
Les métaux, donneurs d’électrons
Les métaux peuvent facilement céder leur
électrons les plus éloignée du noyau. Ce sont
donc de bons réducteurs c’est à dire des
donneurs d’électrons. Lorsqu’ils ont perdu un
ou plusieurs électrons, ils formes des cations
c’est à dire des ions chargés positivement.
Le phénomène de corrosion est une
dégradation d’un matériau métallique
pouvant aller jusqu’à sa destruction sous
l’action du milieu ambiant. La corrosion est
du à des mécanismes physiques (érosion,
frottement…) ou chimiques (réaction
d’oxydoréduction), la plus commune.
Si un objet en métal est mis en présence
d’eau et d’oxygène, il se produit alors une
réaction d’oxydoréduction c’est à dire une
oxydation et une réduction :
L’oxydation :
Le métal qui intervient dans la réaction
donne des électrons et devient un ion positif
(cation).
métal (M) —> cation + des électrons
Le métal étant le lieu où la réaction
d’oxydation se produit, on dit qu’il est
l’anode.
La réduction :
L’eau et l’oxygène réagissent entre-eux
grâce aux électrons fournis par la réaction
d’oxydation et il y a alors formation d’un
oxyde négatif.
H2O + O2 + électrons —> ions hydroxyde
Le mélange eau oxygène étant le lieu de
la réaction de réduction, il s’agit de la
cathode.
L’ion métallique positif peut alors se
combiner avec les ions hydroxyde (négatif)
pour former alors un oxyde métallique
neutre c’est à dire du métal à l’état oxydé
(attaqué par la corrosion).
Ces deux réactions sont simultanées et
aucune ne peut se produire sans que l’autre
se produise aussi.
La chimie des métaux
Quelques exemples de corrosion
L’oxydation du fer produit de l’oxyde de fer
appelé rouille (matériau poreux, perméable à l’air).
Cette propriété a pour conséquence la possibilité
d’une oxydation lente mais totale du fer.
L’aluminium se ternit et le zinc se recouvre
d’une pellicule blanchâtre.
Ils s’oxydent très facilement au contact du
dioxygène mais la couche d’oxyde métallique
formée est imperméable au dioxygène et bloque
alors le processus de corrosion.
Le cuivre devient vert lorsqu’il est attaqué par
la corrosion mais il y est très résistant. Il y a
formation à la surface du métal de composés à la
fois insolubles, imperméables et très adhérents qui
le protègent contre toute oxydation ultérieure,
quelle que soit l'agressivité du milieu ambiant.
Comment protéger les métaux de la
corrosion ?
– choisir le matériau métallique le plus adapté et
résistant dans le milieu considéré.
– appliquer un revêtement protecteur (métallique
ou organique: peinture, matière plastique) ou
modifier la surface du matériau (phosphatation,
chromage , oxydation).
– agir sur le milieu par l'utilisation d'inhibiteurs de
corrosion (organiques ou minéraux).
– utiliser des méthodes électriques consistant à imposer
un petit courant (anodique ou cathodique,
selon le cas) au système, ce qui empêche ou atténue
considérablement la vitesse de corrosion du
métal.
8

Maternelle
Primaire
En faisant bouillir l’eau, on
élimine toute trace d’oxygène dans
celle-ci et on place sur l’eau de
l’huile pour empêche l’oxygène de
passer dans l’eau du verre. La
réaction de réduction ne peut alors
pas se produire et le métal ne se
corrode pas.
Il en est de même lorsqu’on
supprime le facteur « eau ». En
effet, si l’humidité ambiante
descend en dessous de 50 à 60 %,
il se produit un blocage de la
corrosion, ou au moins un
ralentissement de celle-ci.
Collège
Les enfants dessinent sur un
couvercle en fer le dessin de leur
choix avec un morceau de
beurre. Ils versent ensuite du jus
de citron dans le couvercle.
Après une journée, ils vident le
jus et nettoient le beurre. Là où il
n’y a pas de beurre, le métal a
noirci (le jus de citron a attaqué
le métal par son acidité). Là où il
y avait le beurre (dessin), le
métal est intact car il a été
protégé par celui-ci.
Le fer peut se corroder sans qu’il y ait formation de rouille. La réaction se produisant est une
réaction d’oxydoréduction faisant intervenir un acide.
Le dégagement de gaz et sa nature ainsi que la dissolution du morceau de fer s’explique par les
équations suivantes :
L’oxydation : Fe —> Fe 2+ + 2e -
La réduction : 2H + + 2e - —> H2
9

L’électrolyse
C’est une réaction d’oxydoréduction non naturelle qui
ne peut se produire que grâce à l’énergie fournit par un
générateur.
- L’électrolyte est la solution qui doit subir l’électrolyse,
elle contient les ions métalliques.
- L’électrolyseur est le récipient où il va avoir lieu
l’électrolyse.
- Les deux électrodes : l’anode et la cathode (en
prenant des électrodes en graphites, elles
n’interviennent pas dans la réaction).
• l’anode est branchée sur le + du générateur de courant
• la cathode est branchée sur - du générateur
À la cathode, il se produit une réaction de réduction : des électrons arrivent du circuit extérieur et
sont captés par les ions métalliques (cations). Ceux-ci sont donc réduits et on obtient un dépôt de
métal sur cette électrode. La réaction se produisant est donc l’inverse de celle de la corrosion :
ions métalliques + électrons —> métal
À l’anode, il se produit une réaction d’oxydation : des électrons s’en vont du circuit extérieur. L’eau
subit une oxydation.
eau —> dioxygène + ions positifs + 2 électrons
Si l’anode est en métal, elle subit elle-même une réduction : métal —> cation + électrons .
Collège
À l’anode : l’eau a produit du
dioxygène, des ions H + et cède des
électrons.
À la cathode : les ions métalliques
cuivre ont pris des électrons pour devenir
du métal cuivre.
L’électrolyse dans la métallurgie
- pour purifier les métaux : le métal à purifier est
l’anode. Celui-ci subit une réaction d’oxydation et
produit alors des ions métalliques qui entrent en
solution dans l’électrolyte. Ces ions métalliques sont
ensuite réduits par réduction et on obtient un dépôt
de ce métal sur la cathode. Le métal qui se dépose
est généralement beaucoup plus pur que celui qui
passe en solution.
- pour protéger et décorer des objets : l’objet est la
cathode. Cette technique consiste à déposer un
métal sur l’objet : anodisation de l’aluminium,
chromatage, galvanisation, nickelage, plaquage à
l’argent.
- pour restaurer des objets anciens : l’objet est la
cathode.
- Pour récupérer des objets précieux ou des métaux
lourds.
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Les propriétés conductrices des métaux
La conductivité électrique
Les métaux sont tous de très bons conducteurs
car leurs électrons libres » peuvent se déplacer
facilement. Lorsqu’il ne sont soumis à aucun
courant électrique, le déplacement des électrons
se fait de manière tout à fait aléatoire et
désordonné. Par contre, si l’on fait passer un
courant électrique, les électrons libres se
déplacent de la borne - à la borne +.
Un métal sans influence
électrique extérieure
Collège
Un métal avec influence
électrique extérieure
La conductivité électrique indique la
facilité avec laquelle des charges
électriques peuvent se déplacer dans
un conducteur. Elle est variable d'un
corps à l'autre. Du point de vue
électrique, on distingue deux grandes
classes de corps : les conducteurs qui
laisse passer le courant et les isolants
qui n’ont pas cette propriété.
La très bonne conductivité des métaux
explique qu’ils soient utilisés pour la
fabrication des fils électriques. Pour
l’alimentation de la ville, le métal utilisé est
l’aluminium bien qu’il soit moins bon
conducteur que le cuivre. Ces fils métalliques
qui transportent l’électricité sont recouverts
de plastique qui est une matière isolante afin
d’éviter les chocs électriques. Le cuivre, lui,
est utilisé dans les appareils électriques au
niveau des circuits imprimés car il coûte
beaucoup plus cher.
Maternelle
Primaire
L’instituteur ou l’élève (selon le niveau) peut
fabriquer un testeur à matériaux en réalisant un
circuit électrique simple (pile et ampoule). Les
enfants testent leur matériaux et les classent en
fonction de leur conductivité : si la lampe
s’allume, le matériaux laisse passer l’électricité ;
si elle ne s’allume pas, le matériau est isolant.
Ils peuvent par la suite fabriquer un circuit
électrique sans utiliser de fils électriques. Le but
est de faire fonctionner une ampoule grâce à une
pile, sans faire toucher directement l’ampoule sur
la pile. Pour cela, on relie l’ampoule à la pile grâce
à des objets conducteurs.
Les matériaux se comportent de différentes manières au passage du courant électrique. Grâce à
cette expérience, les élèves pourront classer des matériaux suivant leur résistance électrique.
Ils effectuent un montage série avec une pile, une ampoule. Le circuit est fermé grâce à
l’échantillon à tester (fer, acier, inox, laiton, cuivre, bois, plastique…). Si la lampe est allumée, le
matériau est conducteur sinon il est isolant.
Cette première classification effectuée, on peut classer les métaux (les seuls conducteurs) par
conductivité croissante. Pour cela, il faut utiliser des lames de mêmes dimensions. Deux méthodes
sont possibles : soit on branche un ampèremètre en série sur le circuit simple et dans ce cas, le
métal le plus conducteur est celui pour lequel l’intensité mesurée est maximale. Soit on branche un
ohmmètre aux bornes de la lame (en parallèle) et dans ce cas, le métal le plus conducteur est
celui qui a la plus faible résistance.
11

La conductivité thermique
Les métaux sont connus pour leur conductivité thermique
très importante. Celle-ci provient encore une fois de la
possibilité pour les électrons de circuler librement dans le
métal. En effet, si le métal est chauffé en un point, la
délocalisation des électrons permet un transfert de l'énergie
thermique par leur agitation. D'où une propagation de la
chaleur dans tout le métal provoquant ainsi une élévation de
la température du solide dans sa totalité.
Si on arrête de chauffer l’extrémité de l’objet métallique,
sa température diminuera progressivement jusqu’à atteindre
la température de l’air ambiant.
Maternelle
Les bouchons de liège
permettent de tenir
les fourchettes en
métal sans les
toucher directement.
Les enfants touchent
rapidement les
fourchettes pour
observer qu’elles sont
à t e m p é r a t u r e
Des punaises sont collées à la cire à des distances
égales sur des tiges de fer et de cuivre de même
diamètre. L'extrémité de chacune des deux tiges
est ensuite placée dans la flamme d'une bougie.
On observe que les punaises sur le cuivre tombent
plus rapidement que sur le fer : le cuivre est
meilleur conducteur que le fer.
Question existentielle
pourquoi les casseroles
sont-elles en métal avec un
manche en plastique ?
Le métal d’une casserole
absorbe efficacement la chaleur
des flammes et la restitue
aussitôt aux aliments. Le
plastique est un isolant
thermique qui nous protège de
cette chaleur.
ambiante puis ils mettent une fourchette dans chaque bol. Après quelques minutes, ils touchent de
nouveau les fourchettes. Ils s’apercevront qu’elles sont devenues soit plus froides, soit plus chaudes,
même aux endroits qui ne trempaient pas dans les bols.
Primaire
Collège
Primaire
Collège
Les métaux se dilatent
D'une manière générale, les métaux
subissent un allongement sous l'effet de la
chaleur ; c'est la dilatation. À l'opposé, ils
subissent un raccourcissement sous l'effet du
froid ; il s'agit de la contraction. Les métaux
ne réagissent pas tous de la même façon
sous une même température, car ils ont des
coefficients thermiques différents. Par exemple,
l'aluminium peut se dilater environ deux
fois plus que l'acier sous une même variation
Pour cette expérience, il faut mettre au point un dispositif simple. Sur un quart de disque en
bois, on note une graduation sur le bord du cercle. Puis on fixe un clou tordu à l’équerre de façon à
ce que la pointe du clou servent de flèche pour indiquer la graduation et quelle soit à 0 au départ
de l’expérience. On fixe la tige métallique de façon à ce que son extrémité vienne juste au contact
du clou. On allume ensuite la source de chaleur sous la tige métallique. Au bout de quelques
secondes, la tige s’allonge et fait pivoter le clou sur l’écran. En testant plusieurs métaux, on
s’aperçoit qu’ils ne se dilatent pas de la même façon : ceux qui font monter l’aiguille le plus haut
sont ceux qui se dilatent le plus.
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Les comportements mécaniques des métaux
Les propriétés de résistance
- La dureté : résistance d’un métal ou d’un
alliage à la pénétration d’un corps dur. Pour
réaliser ce test, on appuie sur la surface polie
du métal un objet sur lequel est exercée une
pression connue. Ce procédé laisse une empreinte
sur le métal dont les dimensions sont
significatives de la dureté.
- La ténacité et la résilience :capacité
d’un matériau à résister à la rupture sous
l’effet d’un choc. Pour déterminer la ténacité
d’un métal, on effectue un essai de traction. Il
permet de mesurer simplement un grand
nombre de caractéristiques mécaniques et de
les relier au comportement du métal. Il est
effectué sur un barreau métallique
(éprouvette). Une extrémité est maintenue
fixe et un effort de traction est exercé suivant
l’axe de l’éprouvette jusqu’à la rupture.
Pour déterminer la résilience du métal, on
effectue des essais de choc en laissant tomber
une charge sur une éprouvette comportant
une entaille transversale.
Les propriétés de mise en forme
Élasticité et plasticité
On utilise des lames de différents métaux (de même
taille). Sur chaque lame, on perce un trou à 5 mm d’une des
extrémités puis on fait un repère au feutre à 2 cm à l’autre
extrémité pour que les lames soient toutes fixées de la même
manière sur l’étau.
Une fois la lame positionnée à l’horizontale entre les deux
mâchoires de l’étau, on installe grâce à un fil de fer, une
masse marquée. La lame se déforme alors. On réalise
l’expérience en appliquant différentes masses en
commençant par une masse faible et en augmentant au fur et
à mesure.
Si la lame revient à sa position initiale, elle est alors restée
dans son domaine élastique.
Si elle est déformée et qu’elle ne revient pas dans sa
position initiale, elle est dans son domaine plastique.
Pour chaque échantillon , on
doit trouver une masse pour
laquelle on atteint le domaine
plastique.
On peut également mesurer
la distance de courbure selon la
charge appliquée.
L’essai de dureté a pour principe qu’un
échantillon qui en raye un autre et qui n’est
pas rayé lui-même est le plus dur des deux. Il
faut donc essayer de ranger par ordre de
dureté différents métaux. Pour cela, on essaie
de faire une rayure à la surface d’un métal
(M1) à l’aide d’un autre métal (M2). Si la
rayure est plus que superficielle sur M1, alors
M2 est plus dure que M1 et M1 ne pourra pas
rayer M2.
Les essais pourront être fait avec de l’acier,
inox, cuivre, laiton, aluminium…
Les échantillons sont donc testés deux par
deux. Pour les deux premiers échantillons, on
peut par exemple placer le plus dur à gauche
et l’autre à droite. Puis on teste les autres
échantillons en les plaçant à chaque fois à leur
place par rapport aux autres métaux déjà
placés.
- La malléabilité : facilité
avec laquelle un matériau se
laisse façonner, étendre et
aplatir en feuille mince sous un
effort de compression (forgeage,
martèlement, laminage).
L’aluminium est très malléable
ainsi que l’or, le fer blanc et le
plomb contrairement à l’acier. La
malléabilité accroît généralement
avec la température.
- La ductilité ou plasticité :
un métal ductile est un métal qui
peut subir une déformation sans
se rompre, mais qui ne revient
pas à sa forme de départ.
- La fragilité : un métal
fragile est un métal qui se rompt
au lieu de se déformer.
- L’élasticité : il s’agit de la
propriété qu’ont les matériaux de
se déformer sous l’action de
forces extérieures et de revenir à
leur forme de départ dès que
cesse cette action.
13

Le champ magnétique
C’est une région de l’espace où se
crée une force magnétique. Il comporte
des lignes de champ qui traduisent
l’importance de la force magnétique
aux différents points du champ.
Le champ magnétique terrestre est
produit par des courants électriques.
Une théorie sur la production de ces
courants veut que profondément au
cœur de la terre, le magma en fusion
monte, se refroidit et replonge. Ensuite
tout le phénomène se répète. On pense
qu'à l'intérieur de ces masses de
magma montantes et tombantes la
rotation de la terre crée une géométrie
organisée de courants électriques
circulaires, appelés tourbillons.
L'intérieur de la planète, en fait, agirait
comme une dynamo géante.
Le magnétisme au microscope
Les métaux comme le fer et l'acier, sont
faits d'atomes qui se comportent comme des
aimants microscopiques, avec deux pôles. On
les appelle des domaines. En temps normal,
les domaines d'une tige de fer, par exemple,
sont orientés dans toutes les directions.
Mais si on approche un aimant, les
domaines de la tige s'orientent tous dans la
même direction. Et la pièce est aimantée c’est
à dire qu’elle acquiert un côté Nord et un côté
Sud.
Dans le cas du fer, les domaines se
mélangent à nouveau dès qu'on éloigne
l'aimant, pas dans le cas de l'acier. Celui-ci
demeure aimanté ; il devient un aimant
permanent.
L’aimantation
Les différents types d’aimants
- Les aimants naturels : roches de magnétite
qu’on trouve dans les couches rocheuses où il existe
des gisements de fer. Son magnétisme est du à sa
structure moléculaire.
Les aimants peuvent être fabriqués en plaçant un
matériau magnétique, comme le fer ou l'acier, dans un
champ magnétique puissant :
- Les aimants temporaires : les matériaux sont
magnétisés très facilement, même dans un champ
magnétique faible mais dès qu'on enlève le champ, le
magnétisme disparaît. On se sert notamment pour la
fabrication des téléphones et des moteurs électriques.
- Les aimants permanents : d'autres sortes
d'alliages font d'excellents aimants permanents. Ce
sont des aimants qui ont été soumis à un champ
magnétique et qui garde leur magnétisme même
lorsqu’on enlève le champ.
- les électroaimants : utilisés quand a besoin
d'aimants réellement puissants. Pour les fabriquer, on
plaçe un noyau métallique (alliage de fer) à l'intérieur
d'une bobine de fil porteuse d'un courant électrique. En
passant dans la bobine, l'électricité produit un champ
magnétique dont la puissance dépend de l'intensité du
courant électrique et du nombre d'enroulement de fil,
et la polarité dépend de la direction du flux. Au passage
du courant, le noyau se comporte comme un aimant,
mais en coupant le courant, les propriétés magnétiques
disparaissent.
- Les supraconducteurs : les plus puissants, ils
n'ont pas besoin de noyau métallique, mais sont
fabriqués à partir de bobines de fil en alliages
métalliques spéciaux qui deviennent des
supraconducteurs une fois refroidis à des températures
très basses.
14

Notion de pôles
Les propriétés magnétiques des aimants sont
concentrées en des points précis : extrémités des
barreaux ou points régulièrement espacés à la
périphérie des aimants ronds.
Au niveau atomique, tous les domaines étant
orientés parallèlement selon le champ
magnétique terrestre, un côté étant attiré par le
Nord magnétique (au pôle nord de l'aimant),
l’autre côté représente donc le pôle sud de
l’aimant.
Lorsqu'on sectionne un aimant en plusieurs
morceaux, chaque morceau est à nouveau
pourvu d'un couple Nord - Sud de pôles.
Lorsque l'on approche deux aimants l'un de
l'autre, il peut se produire deux réactions : soit
les aimants s'attirent, soit ils se repoussent. Si on
approche deux pôles identiques, les aimants se
repoussent alors que deux pôles opposés
s’attirent.
Primaire
Il s’agit de faire une course ou un parcours avec
des petites voitures. Les enfants construise de
petite voiture avec des boîtes d’allumettes par
exemple et ils mettent à l’intérieur un aimant. Ils
ont ensuite chacun un aimant en main et il
doivent faire avancer leur voiture non pas en la
touchant mais en utilisant les propriétés des
aimants. Il est judicieux d’utiliser des aimants
dont les pôles sont marqués pour que les
enfants se rendent bien compte que les aimants
s’attirent quand on présente deux pôle opposés et
qu’il se repoussent quand on présente deux
mêmes pôles.
Maternelle
Primaire
Mettre différents matériaux (bois, plastique,
fer, acier, aluminium…) dans une boîte. Les
enfants ont chacun une canne à pêche avec
en guise d’hameçon un aimant et il doivent
essayer d’attraper les différents objets. Il
se rendront vite
compte que seuls
l e s o b j e t s
contenant du fer
peuvent être
attrapés.
Collège
Pour fabriquer un électroaimant, il faut
enrouler un fil électrique ou fil de cuivre
autour d’un barreau en acier ou en fer doux.
On relie ensuite le fil au borne d’une pile de
9 V. Les élèves peuvent alors remarquer
que le barreau se comporte comme un
aimant en attirant les objets contenant du
fer.
15

La fonderie
Mise en forme des métaux
On coule un métal ou un alliage en fusion
dans un moule, pour obtenir après solidification
une pièce dont les formes reproduisent celles
du moule.
La fusion des alliages peut être réalisée par
des résistances transmettant leur chaleur par
conduction ou rayonnement ou par des bobines
induisant des courants électriques dans l'alliage
à fondre. Pour les alliages non ferreux, dont la
température de fusion est modérée, on utilise
aussi les fours à combustible.
On utilise aussi la propriété de fusion du
métal dans nos circuits électriques : les
fusibles. Les premiers fusibles étaient des fils
de plomb qui avait pour but de fondre lorsque
l’intensité du courant devenait trop forte dans
le circuit. De nos jours, ce sont des fils très
fins protégés dans des gaines en verre.
Le forgeage
Le métal est chauffé à une température
pouvant aller jusqu’à 1500°C, température où
la consistance du métal devient celle de la pâte
à modeler et où sa couleur est souvent jauneorangée
puis il est déformé sous l’effet de
grandes pressions pour passer d’une forme de
lingot ou de barre à des pièces plus évoluées
très résistante.
Les techniques de forgeages, auparavant
manuelles (enclume, tenaille, marteau) se sont
aujourd’hui mécanisées (presses, pilons).
Les différents types de forgeage
- Le forgeage par estampage ou
matriçage : les pièces sont pressées entre
deux blocs portant en creux la forme exacte
du produit à réaliser.
- Le forgeage par extrusion : à température
ambiante, on contraint le matériau à remplir
complètement la forme en creux d'une matrice
grâce à une très forte pression exercée sur un
poinçon.
- Le forgeage libre, la plus ancienne des
techniques de forgeage, permet d'obtenir à
chaud des ébauches ou des pièces mécaniques
brutes dont la forme est atteinte au terme de
plusieurs transformations successives.
- Le forgeage par laminage : à chaud ou à
froid, on passe une pièce de métal entre deux
cylindres qui tournent en sens inverse. Cette
déformation est caractérisée par un
amincissement et un allongement de la pièce.
Collège
L’usinage des pièces
Donner une forme
souhaitée à un
moule en inox.
Faire fondre de
l’étain dans ce
moule grâce à un
fer à souder.
Plonger ensuite le
moule dans l’eau
p o u r l e
refroidissement et
démouler.
C’est la mise en forme d’une pièce métallique
par enlèvement de matière. Il concerne la plupart
des objets métalliques d'utilisation courante.
Des techniques d'usinage spéciales sont mises
en œuvre, en particulier lorsqu'il s'agit de
façonner des pièces de grande dureté ou d'opérer
avec une extrême précision :
- l'usinage chimique : on élimine le matériau en
excès par dissolution chimique en plongeant la
pièce à mettre en forme dans un bain acide ou
basique après avoir protégé à l'aide d'un vernis
les parties à conserver intactes.
- l'usinage par ultrasons : l'objet à façonner
est attaqué par des grains d'abrasif mis en
mouvement par un outil animé de vibrations.
- l'usinage par bombardement électronique :
on provoque l'évaporation sous vide de la matière
en excès en soumettant localement la pièce à
l'impact d'un faisceau d'électrons à grande
vitesse.
- l'usinage électrolytique est une technique de
façonnage de la plupart des métaux et alliages
par dissolution anodique.
- l'électro-érosion est une méthode assez
récente d'usinage par étincelage, est largement
utilisée pour mettre en forme des matériaux
conducteurs, et ce en dépit de la relative lenteur
du procédé.
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• La Rotonde :
Contacts
École Nationale Supérieure des Mines de Saint-Étienne
158 cours Fauriel 42023 Saint-Étienne cedex
04 77 42 02 78
• Cercle d’Études des Métaux :
École Nationale Supérieure des Mines de Saint-Étienne
158 cours Fauriel 42023 Saint-Étienne cedex
04 77 42 02 36
• CETIM (Centre Technique des Industries Mécaniques) :
Gilles ROUCHOUSE
7 rue de la Presse
BP 802, 42952 Saint-Étienne cedex 9
04 77 79 40 79
• Feursmétal :
• Thivend :
Catherine LAVISSE
1 Bd Brissonette 42110 Feurs
04 77 27 41 85
ZI, BP 39, 42190 Charlieu
04 77 60 13 99
• Forges et mécaniques de la Loire :
Julie MELEY
48 Bd d’Auvergne 42500 Le Chambon-Feugerolles
04 77 40 53 70
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Bibliographie
• Les maîtres de l’acier, l’histoire du fer dans les Alpes
Musée Dauphinois, Grenoble, 1996.
Le Musée Dauphinois explore la production et la transformation du fer et de l’acier, avec pour
principale caractéristique de couvrir tout le champ historique (et préhistorique), depuis l’apparition
du fer dans les Alpes jusqu’aux aciers spéciaux fabriqués aujourd’hui.
• Le moutard, Histoires… de métal
Éditions du Moutard, Industries métallurgiques Rhône-Alpes, 1999.
De fer, d’or ou d’aluminium, c’est toute une histoire. Ou plutôt des histoires qui racontent la
mine, l’énergie, les techniques, les transports et des foules d’objets : bijoux, montres, outils, monnaies,
lunettes, cloches, couteaux...
• Découvre l’univers du son et de la musique
Gullivore, Éditions jeunes années, les francas, 1993.
Cette revue rassemble toutes les informations pour fabriquer des instruments de bruitage ou de
musique en métal et permettre de comprendre le phénomène du son.
• Le traitement des déchets : le métal
V. Bonar / T. Kenyon, Gamma, 1998
Que deviennent les métaux que nous jetons chaque jour ?. Comment diminuer la quantité de ces
déchets ?. Peux-tu réutiliser certains objets au lieu de les jeter ?. Comment dois-tu les trier pour
leur recyclage ?.
• Créations en métal
Marion Elliot, Hatier, Le livre-atelier, 2002
Ce livre aborde un thème très actuel dans les loisirs créatifs : le travail du métal à partir de minces
feuilles d'aluminium, de cuivre et de laiton, reprenant les bases traditionnelles des techniques
de ferblanterie : estampage, repoussage, martelage et patine. Les 48 premières pages offrent une
initiation abondamment illustrée, enrichie d'une série de projets s'adressant aussi bien aux débutants
qu'aux amateurs plus confirmés. A la fin de l'ouvrage, se trouvent des modèles et le coffret
contient des feuilles de métal souples, du fil métallique et une sélection d'outils qui vous aideront à
créer vos premiers chefs-d'oeuvre : panneau de porte, cadres, abat-jour, etc.
• Voyage au monde du métal : inventions et aventures
Pierre Routhier, Belin, Regards sur la science, 1999.
Dans un style clair et vivant, Pierre Routhier, géologue, nous fait parcourir quelque huit millénaires
au cours desquels, à force d'observations méthodiques, d'ingéniosité et d'audace, les hommes
ont appris à tirer parti des richesses métallifères. Il retrace les grandes étapes de cette conquête et
s'attarde sur les épisodes les plus fameux.
• L’étonnante histoire de l’or
M.Hooper, Gallimard jeunesse, 2002.
L’histoire de l’or nous est contée de façon imagée de son origine à son utilisation en passant par sa
fonte, son exploitation, ses transformations… Un bel album à partir de 11 ans.
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Liens Internet
• www.sfc.fr:8000/Donnees/acc.htm : De nombreuses données industriels, économique et
géographiques sur les principaux métaux et alliages connus.
• www.interalu.com/aluminium/alu.htm : pour tout savoir sur l’aluminium, de son histoire
à sa production.
• membres.lycos.fr/robinb/metallur.htm : ce site traite de la métallurgie : l’histoire des
métaux, leurs propriétés, leur structure, la sidérurgie, le soudage…
• www.fondeursdefrance.org/index.html : pour tout connaître sur l’industrie des pièces
métalliques moulées.
• couteaux.free.fr/sommaire.php3 : site de renseignements sur la forge et la coutellerie.
• christophe.bleja.free.fr/cours/ch17/alliages.htm : structure atomique des métaux purs
et des produits métallurgiques.
• fr.encyclopedia.yahoo.com/articles/do/do_4193_p0.html : propriétés chimiques et
physique des métaux.
• militaria.collector.free.fr/Restauration/Restauration.htm : toutes les informations nécessaires
au nettoyage des métaux par électrolyse.
• www.ac-nancy-metz.fr/enseign/physique/CHIM/Jumber/METAUX/rsummetaux.
htm : nombreuses données sur les métaux, de leur structure aux alliages en passant par leurs propriétés
mécaniques et conductrices.
• www.lrmh.fr/lrmh/w_publications/metal/indexmet.html : le métal dans les monuments
historiques
• jamet.micro-video.fr/tecnet/materiau/metaux.idc : liste d’exposé sur le fer, le cuivre,
leur alliages…
• www.ac-limoges.fr/bleucl/mathLP/Chimiep/classif_oxydored.pdf : TP sur la classification
électrochimique des métaux.
• www.tableauperiodique.be/archi.htm : tableau périodique des éléments et données sur
les propriétés de ceux-ci.
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