Faculté des sciences

de Monastir
Département physique
Rapport de stage :
Caractérisation
des métaux
Par méthode calorimétrique

Elaboré par : Waed Laajimi

Encadré par : Mme Taysir Mhedheb
 Sommaire
Liste des figures………………………………………………………………………………………………3

Liste des tableaux…………………………………………………………………………………………….4

Introduction générale………………………………………………………………………………………..5

Remerciement………………………………………………………………………………………………….6

-------------------CHAPITRE 1 LES METAUX-------------------

I. Introduction…………………………………………………………………………………………..7
II. Présentation des métaux…………………………………………………………………………...
1. Définition…………………………………………………………………………………….8
2. Classification des
métaux………………………………………………………………...9
III. Processus de fabrication et traitement des métaux
1. Extraction des
métaux…………………………………………………………………....11
2. Les procédés de transformation
3. Traitements thermiques et de surface
IV. Application des métaux dans l’industrie
1. Métaux dans la construction
2. Métaux dans l’électronique
3. Métaux dans les transports
V. Propriétés des métaux
1. Résistance mécanique
2. Conductivité électrique et thermique
3. Résistance à la corrosion
4. Densité
5. Point de fusion
VI. Recyclage des métaux
1. Importance du recyclage des métaux
2. Processus de recyclage des métaux
3. Impacts écologiques et économiques

------------CHAPITRE 2 METHODE CALORIMETRIQUE-------------

I. La calorimétrie : Principes théoriques……………………………………………………………

1. Introduction à la
calorimétrie…………………………………………………………………..
2. Paramétres thermodynamiques mesurés…………………………………………………
II. Caractérisation des métaux par calorimétrie (étude des cas : l’aluminium et le
cuivre)..
III. Résultats expérimentales et analyse
1. Présentation des résultats de la calorimétrie
2. Comparaison entre Al et Cu
3. Interprétation
IV. Application industrielles de la caractérisation calorimétrique
1. Utilité de la calorimétrie pour le contrôle qualité
2. Applications dans la conception des alliages et matériaux avancés
3. Optimisation des procédés de traitement thermiques
Conclusion……………………………………………………………………………………………………

Bibliographie………………………………………………………………………………………………….
 Liste des figures

Figure1 : La structure de l’atome

Figure 2 : Tableau périodique : montrant la position des métaux, métalloïdes et non-

métaux dans le tableau périodique
 Liste des tableaux
Tableau1 : Le fer en métal ferreux

Tableau2 :

Tableau3 : Les propriétés de base du cuivre

 Remerciement

C’est à avec grand plaisir que je réserve

cette page pour exprimer ma profonde
gratitude à la faculté des sciences de
Monastir.
De mon cœur je tiens également à
remercier aussi tous les employés du
département physique de m’accepter au
sein de ce département.
J’adresse mes meilleurs remerciements
à Mme Mhedheb Taysir pour son
encadrement, ses directives et ses
conseils durant le stage TP.
❤❤❤
 Introduction générale

Les métaux sont l'épine dorsale de l'ingénierie, ils occupent une place essentielle dans notre
vie quotidienne et dans divers secteurs industriels.
Ils sont largement employés en raison de leurs caractéristiques distinctives, telles que leur
conductivité électrique et thermique, leur résistance à la corrosion, ainsi que leur malléabilité.

Des métaux comme le fer, l'aluminium, le cuivre et l'or sont indispensables dans des domaines
tels que la construction, l'électronique, l'automobile, et bien d'autres.

La connaissance des propriétés des métaux est primordiale pour de nombreuses applications
tant industrielles que scientifiques.

C'est dans ce contexte que la méthode calorimétrique entre en jeu, une technique qui permet
de quantifier les échanges de chaleur lors de réactions chimiques ou de transitions d'état.

Dans le génie mécanique, les métaux sont importants en raison de leur importance en termes
de durabilité, d’innovation, de point de fusion élevé, de rapport résistance/poids élevé et
d’efficacité dans diverses industries, les métaux sont utilisés dans la construction de
composants structurels, de machines et d'outils en raison de leurs propriétés remarquables qui
les rendent adaptés aux applications de matériaux d'ingénierie.

Dans ce rapport, on obtiendra une analyse approfondie des propriétés des métaux, des
réactions des métaux, de la fabrication des métaux, des liaisons auxquelles ils participent et de
l'utilisation des métaux dans différentes applications d'industrie.

Les mots clés :

Métaux - conductivité électrique - conductivité thermique - résistance à

la corrosion - malléabilité - fer - aluminium – cuivre – or - propriétés
des métaux- Applications industrielles - applications scientifiques -
 méthode calorimétrique -Échanges de chaleur - réactions chimiques -
transitions d'état.

Chapitre 1 Les métaux

 Introduction :
Les métaux sont présents souvent dans notre quotidien et
occupent une place essentielle dans l’industrie actuelle.
Ils interviennent dans des domaines variés comme la
construction, les transports et l’électronique.
Grace à leurs caractéristiques particulières, notamment la
conductivité électrique et thermique, ainsi que leur solidité et
leur capacité à se déformer sans se rompre, les métaux sont
des matériaux indispensables pour les avancées
technologiques et industrielles.

 Présentation des métaux :

 Définition :
Un métal est un matériau généralement un élément chimique
qui est distingué par sa haute conductivité thermique et
électrique, sa malléabilité et sa ductilité, tout en offrant une
grande résistance à la rupture.

 Classification des métaux :

o Métaux ferreux : les métaux ferreux sont
ceux qui contiennent du fer incluant l’acier,
la fonte et divers alliages à base de fer.
 Ils sont généralement magnétiques et sujets
à la corrosion

*Le fer :
La fonte brute est la matière première brute extraite
directement du haut fourneau. Le fer forgé, quant à lui, est la
forme raffinée du fer. Le fer forgé a généralement une teneur
en carbone inférieure à 0.08 %.

Variante en Composition Propriétés principales

métal clés applications
saumon de  ~94% de  Teneur Matière
fonte fer élevée en première
 3.5-4.5% carbone pour la
de  Faible production
carbone résistanc d'acier
 Impuretés e
 Fragilité

Fer forgé  ~99.5% de  Haute  Constructi

fer malléabili on et
 <0.08% de té Génie Civil
carbone  Ductilité  Artefacts
 Traces de historique
d'impureté résistanc s
s e à la  Travail
corrosion ornement
al
Tableau1
**L’acier :
Variante Composition Propriétés principales
en métal clés applications
Acier au Fer et  Ténacité  Automobile
carbone carbone (la  Force  Structural
 teneur en  soudabili  Construction
carbone té et Génie Civil
varie)  dureté  Machinerie

Acier allié Fer allié à Propriétés  Industrie

différents sur mesure aerospatiale
éléments  Ingénierie
supplémentair automobile
es
Acier Fer, chrome  Force  Dispositifs
(généralemen  Résistanc médicaux
t au moins 10- e à la  La
11 %), nickel corrosion transformati
 Durabilit on des
é aliments
 Architecture
 marin

Tableau 2
o Métaux non ferreux :
Les métaux non ferreux sont ceux qui ne contiennent pas
de fer incluant le cuivre, l’or, le zinc et l’aluminium.
Ils sont généralement non magnétiques et pas sujets à la
corrosion.
Le cuivre :
Le cuivre, un métal précieux, porte le symbole chimique Cu et a un
numéro atomique de 29. La chalcopyrite (CuFeS2) et la malachite
(Cu2CO3(OH)2) servent de sources pour produire du cuivre métallique.
Ce métal présente une teinte rouge-orange et possède un point de fusion
élevé, ainsi qu'une grande ductilité et malléabilité.
Propriét Comp Condu Condu Den Point de Résis Mallé Duct Propriété
é osition ctivité ctivité sité fusion tance abilité ilité s
 électri thermi à la antimicr
que que corro obiennes
sion
Propo Cu Enviro Enviro Envi Point de Excel Très Très Propriété
sitions (numé n 58.0 n 401 ron fusion lent mallé duct s
ro x 106 W/m·K 8.9 élevé de able ile antimicr
atomi S/m à 20°C 6 1,085 1,98 obiennes
que g/c 4 °C naturelle
29) m^ (XNUMX X s
3 NUMX °F)
Tableau 3

o Métaux précieux : ce sont des métaux rares

ayant une grande valeur économique
comme l’argent, l’or et le platine.
Ils sont utiles en joaillerie, en électronique et des
dans les investissements.
o Métaux communs : ce sont les métaux les
plus utilisés dans les applications
industrielles comme le fer, le cuivre et
l’aluminium.
o Métaux légers : ce sont des métaux de
faible densité (moins de 5 g/cm³) comme le
titane, le magnésium et l’aluminium
utilisés toujours dans l’industrie
aéronautique et automobile à cause de leur
légèreté.
o Métaux lourds : ce sont des métaux de forte
densité (supérieure à 5 g/cm³) comme le
plomb, le cuivre et le fer utilisés toujours
dans l’industrie lourde et la construction.
o Métaux réactifs : ce sont des métaux qui
peuvent réagir facilement avec les autres
 substances comme le potassium et le
magnésium.
o Métaux nobles : ce sont des métaux
résistants à l’oxydation et à la corrosion
(l’or, le platine,…)
o Métaux purs : ceux qui contiennent un seul
élément chimique comme le cuivre pur,
l’or pur (24 carats).

o Alliages : ce sont des combinaisons des

métaux par objectif de l’obtention des
propriétés spécifiques (acier= fer +
carbone, bronze = cuivre + étain, ….)
 La structure atomique aux utilisations
pratiques :
Toutes sortes de métaux sont composés d’atomes.

Les atomes sont les plus petites structures qui sont fortement
maintenues ensemble par une liaison métallique également
connue sous le nom de liaison de délocalisation.

L’atome de structure la plus simple est la pierre angulaire de

toutes sortes de métaux.

Comprendre pratiquement la structure atomique des différents

types de métaux vous aidera à comprendre l’ingénierie des
matériaux et la réactivité des métaux.

figure1
 Métaux sur le tableau périodique :
Une portion significative du tableau périodique est constituée de
métaux précieux. Ces métaux se situent principalement à gauche
et au centre du tableau, tandis que l'hydrogène n'est pas considéré
comme un métal. Les métaux ont tendance à céder des électrons,
ce qui leur confère une charge positive en tant qu'ions, permettant
la formation de liaisons métalliques. On dénombre environ 91
métaux au total dans le tableau périodique.

Figure 2
Processus de fabrication et
traitement des métaux :
Les métaux proviennent de mines à ciel ouvert ou
souterraines. Parmi les plus utilisés dans l’industrie,
il y a :

Le nickel : recherché pour ses propriétés de

conduction de la chaleur et de l’électricité
Le fer : présent sous forme pure, mais pouvant
constituer un alliage avec le nickel
Le tungstène : utilisé dans les applications électriques,
mais pour les outils exigeants une grande dureté,
comme les forets
L’étain : rare à l’état natif. Il est utilisé pour fabriquer
le bronze et pour les brasures
Le cobalt : détient des propriétés physiques similaires
au nickel et au fer
Le manganèse : utilisé pour les alliages ferreux et
non-ferreux, dans des élaborations métallurgiques
industrielles comme les rails de train
Le zinc : utilisé pour la galvanisation, ou protection
du fer. Il peut aussi servir pour fabriquer des alliages,
bronze ou laiton.
  Extraction des métaux :
Ces métaux sont obtenus grâce à un processus de lavage
en deux étapes du minerai extrait :
La première étape, appelée préparation mécanique ou
fragmentation, implique le concassage puis le broyage
du minerai. Cette phase a pour but d'éliminer les résidus
du minerai ou de recycler les plus gros morceaux en
amont.
Ensuite, il s'agit de séparer les minéraux de valeur de la
gangue, qui n'a pas d'intérêt économique.
La séparation des minéraux se fait par le biais de
méthodes physiques ou en utilisant des réactifs
chimiques. Il existe cinq techniques de séparation :
1. Granulométrique : qui utilise une maille pour séparer
les minéraux.
2. Densimétrique : qui sépare les minéraux en fonction
de leur densité à l’aide d’une spirale contenant de l’eau.
3. Séparation magnétique
4. Flottation : qui utilise des réactifs pour agir sur les
surfaces hydrophobes, permettant ainsi de séparer les
particules exploitables.
5. Tri optique : qui est réalisé par des caméras qui
mesurent la couleur, la densité et la radioactivité des
minerais.
 Les procédés de transformation des
métaux :
La métallurgie est la deuxième étape de la fabrication du
métal, qui suit la minéralurgie. Le traitement des
minerais pour en extraire le métal se déroule en trois
phases d’affinage :
1. La pyrométallurgie : qui consiste à chauffer le minerai
dans un four à très haute température, est
particulièrement efficace pour récupérer des métaux
comme ceux utilisés dans les piles, ainsi que le cuivre et
le nickel.
2. L’hydrométallurgie : qui traite les minerais réduits en
poudre à l’aide de procédés liquides, ou par lixiviation.
3. L’électrolyse : qui constitue la phase finale permettant
d’obtenir le métal désiré sous sa forme pure.
Ces procédés de raffinage sont en continuité avec la
phase d’extraction et permettent de produire des lingots,
billots ou barres métalliques, qui serviront à créer des
alliages ou des pièces métalliques.
La métallurgie de transformation représente la troisième
phase de fabrication du métal.
À ce stade, les produits acquièrent les propriétés
mécaniques nécessaires pour répondre aux exigences du
marché.
https://www.metallerie-chaudronnerie.com/extraction-
minerai-transformation-metal/
 Traitements thermiques et de surface :
o Traitements thermiques :

Les traitements thermiques sont effectués dans un four, où les

pièces métalliques sont chauffées à des températures élevées dans
une atmosphère gazeuse contrôlée. Cette atmosphère est
sélectionnée en fonction des propriétés que l'on souhaite
modifier, telles que la dureté en surface, la ductilité, la résistance
à l'usure et l'aspect esthétique. La dernière étape d'un cycle de
traitement thermique est la trempe, qui consiste à refroidir les
pièces de manière contrôlée jusqu'à la température ambiante.
L'objectif est d'obtenir des caractéristiques mécaniques
différentes de celles des pièces initiales.

Il existe deux principaux types de traitements :

1. **Traitement à cœur**, comme le recuit : ce type de

traitement s'applique aux pièces semi-finies et déformées à froid
(telles que les tôles, les bobines d'acier ou les tubes) et vise à
augmenter la ductilité du métal pour faciliter son travail.

2. **Traitements thermiques**, qui sont réalisés sur des pièces

finies pour modifier leurs propriétés mécaniques superficielles,
telles que la dureté et la résistance à la corrosion et à l'usure.

Par ailleurs, certains traitements thermiques de durcissement sont

réalisés à basse température avec de l’azote liquide dans des
cellules cryogéniques, atteignant jusqu'à -150 °C. Ces traitements
sont destinés à des pièces critiques dans les domaines
aéronautique, spatial et de haute précision. Avant d'être intégrées
dans des structures complexes comme des avions ou des
satellites, ces pièces doivent être traitées pour transformer
l'austénite résiduelle (phase plus souple) en martensite (phase
plus dure), augmentant ainsi leur dureté et réduisant les risques
de variations dimensionnelles durant leur utilisation (comme lors
des transitions de température entre le sol et l'altitude de
croisière).
https://fr.airliquide.com/solutions/traitement-thermique-
des-metaux/quest-ce-que-le-traitement-thermique-et-
quels-sont-les-objectifs#:~:text=Les%20traitements
%20thermiques%20sont%20r%C3%A9alis
%C3%A9s,'usure%2C%20aspect%20esth%C3%A9tique
%20etc.
o Traitements de surface :

**Zingage**

Le zingage consiste à revêtir un produit métallique,

généralement en acier, de zinc (galvanisation) pour le
protéger contre la corrosion galvanique. La méthode la
plus courante est la galvanisation à chaud, où l'objet est
immergé dans un bain de zinc à 450 °C, ce qui lui permet
d'être recouvert à la fois à l'extérieur et à l'intérieur. Ce
procédé produit un alliage fer-zinc très résistant, bien plus
efficace qu'un simple revêtement.

**Nickelage**

Le nickelage implique l'immersion de la pièce métallique

dans un bain de nickel pour en améliorer la durabilité et la
résistance à la corrosion. On distingue le nickelage
électrolytique, plus courant, et le nickelage chimique, qui
s'adapte mieux à la géométrie de la pièce.

**Chromage**

Le chromage consiste à appliquer une fine couche de

chrome sur un objet métallique, offrant des fonctions à la
fois décoratives et protectrices. Réalisé par dépôt
galvanique dans un bain électrolytique, ce traitement
prévient la corrosion et améliore la longévité de l'objet.

**Argenture**

L’argentage s’effectue par un procédé galvanique ou

électrolytique, suivant les mêmes principes que le zingage
ou le chromage. Il permet d'obtenir d'excellentes capacités
conductrices et protectrices associées à l'argent.

**Brunissage**

Le brunissage est un traitement chimique utilisé pour

améliorer l'apparence des pièces métalliques usinées et les
protéger contre la corrosion. Il donne une couleur noir-bleu
brillant aux produits fabriqués en fer et en acier au
carbone.

**Phosphatation**

Ce procédé est courant pour le fer et les alliages ferreux, et

est souvent utilisé comme préparation avant peinture dans
l'industrie automobile. La phosphatation altère la surface
d'un matériau métallique en créant des cristaux phosphatés
qui se lient chimiquement au substrat, améliorant ainsi la
résistance à la corrosion et à l'usure.

**Peinture (cataphorèse - en poudre) **

Ce traitement de peinture augmente considérablement la

résistance à la corrosion des objets métalliques par
l'application d'une résine époxy ou acrylique. Très
répandue dans l'industrie automobile, cette technique offre
une protection efficace contre la rouille.

**Polissage**

Le polissage est un traitement de finition qui confère une

surface brillante et lisse. Il commence par un nettoyage
approfondi (meulage ou application de pâte abrasive) avant
de procéder à un polissage complet de la surface.

**Grenaillage**

Le grenaillage améliore la résistance à la fatigue des

composants métalliques. Ce processus consiste à projeter
des billes sphériques sur la pièce, provoquant une
déformation plastique qui aide à maintenir la tension
résiduelle.
**Sablage**

Similaire au grenaillage, le sablage consiste à frapper la

surface métallique avec un jet de sable et d'air pour
éliminer complètement une zone endommagée ou
corrodée.

**Anodisation**

L’anodisation crée une couche protectrice d'oxyde sur la

surface métallique, généralement par électrodéposition.
Elle est couramment utilisée sur l'aluminium, le zinc, le
magnésium et d'autres métaux.

**Électropolissage**

L’électropolissage de l’acier inoxydable consiste à retirer

la couche superficielle de l’acier (entre 10 et 40 microns)
pour améliorer sa résistance à la corrosion. Également
connu comme un "processus galvanique de dépôt inversé",
il consiste à enlever plutôt qu'à appliquer.

**Traitement de surface acier inox et aluminium**

Les surfaces métalliques, en particulier celles en

aluminium, sont exposées à l'usure, aux dommages et à des
contraintes continues. L'application de traitements de
surface appropriés améliore les caractéristiques physiques
et mécaniques, rendant le matériau plus résistant, durable
et esthétiquement attrayant.

**Traitement de surface inox**

L'acier inoxydable est vulnérable à l'oxydation, mais cela

peut être contrôlé par différentes méthodes, notamment
l'utilisation d'acier inoxydable ou des protections comme le
zingage et les peintures de protection, qui empêchent le
contact direct entre l'atmosphère et le métal.

**Traitement de surface aluminium**

L'aluminium anodisé peut présenter des défauts de surface

qui, dans certains cas, peuvent rendre l'article inutilisable.
 L'objectif est donc d'améliorer la qualité du traitement
d’anodisation pour minimiser ces inconvénients.

https://www.minifaber.fr/traitements-des-metaux/traitement-de-
surface-des-metaux

Application des métaux dans

l’industrie :
 Métaux dans la construction :