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L'essor de la métallurgie et un regard sur la technologie d'assemblage des matériaux

L'essor de la métallurgie et un regard sur la technologie d'assemblage des matériaux

La métallurgie est l'une des sciences les plus importantes de l'ingénierie moderne. Plus précisément, c'est la science qui consiste à extraire les métaux des minerais où se trouvent les métaux, puis à modifier le métal pour qu'il soit plus utile.

Vous pouvez considérer la science de la métallurgie comme une combinaison de physique, de chimie et d'un peu d'ingénierie.

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Pour comprendre ce domaine de la science et comment il est né, jetons un coup d'œil à l'histoire de la métallurgie.

L'histoire

L'utilisation moderne des métaux n'a pas été facile. En fait, notre capacité moderne à travailler avec autant de précision avec les métaux est le résultat de près de 7 000 ans de développement.

Les premiers métaux découverts étaient l'or, l'argent et le cuivre, qui se trouvent tous dans leur état métallique naturel. Cela signifie que les cultures anciennes auraient pu trouver ces métaux et commencer à travailler avec eux avec très peu de modifications.

L'or peut spécifiquement être combiné avec d'autres pièces en une seule pièce plus grande par martelage à froid. Cela a fait de l'or un métal assez facile à travailler. À l'ère du métal, les civilisations ont découvert que le cuivre pouvait être fondu et moulé en formes autour du 4e millénaire avant notre ère.

Pendant cette période, nous avons commencé à voir des haches en cuivre prendre de l'importance.

Le travail des métaux est maintenant devenu un processus au-delà du martelage à froid, passant au moulage et au forgeage. C'est à la suite de cette découverte de métaux chauffants qu'il a été constaté que certains métaux pouvaient être récupérés à partir de minéraux.

Cette découverte d'un métal à l'état non métallique caché dans les minéraux conduirait lentement à la découverte du processus de fusion impliquant le chauffage du cuivre à des températures supérieures à 700° C. Ce processus était également la première fois que les civilisations anciennes ont commencé à introduire de nouveaux minéraux et éléments dans le processus de métallurgie pour purifier le métal et modifier son processus.

Pour récapituler, il vaut mieux considérer l'histoire de la métallurgie comme un processus en évolution. Premièrement, des métaux métalliques ont été découverts qui pouvaient être travaillés ensemble sans chaleur. Ensuite, il a été découvert que les métaux pouvaient être coulés par un processus de fusion et de durcissement.

Ensuite, les civilisations ont réalisé que les métaux pouvaient être récupérés à partir des minéraux - le dernier tremplin étant la découverte d'additifs ou d'alliages métalliques. Cela nous amène à se pencher sur l'histoire de l'un des premiers alliages: le bronze.

Bronze

Le bronze semble avoir été découvert pour la première fois sous forme d'alliage de cuivre entre 3000 et 2500 avant JC. Le métal est un alliage de cuivre contenant environ 12% d'étain. Le bronze a été l'un des premiers alliages jamais découverts lorsque les civilisations ont commencé à expérimenter le mélange d'éléments dans les processus métallurgiques.

L'étain a été la principale découverte qui a conduit à la formation du bronze en tant que métal exploitable. On pense qu'au début, ce métal était fabriqué dans de petites localités, mais sa connaissance s'est finalement propagée en raison du commerce dans tout le Moyen-Orient et en Europe.

Alors que la croissance et la domination du bronze à l'âge du bronze se poursuivaient, le fer fut finalement découvert, conduisant à un nouvel âge: l'âge du fer.

L'âge de fer

Il n'y a pas vraiment de tournant concret entre l'âge du bronze et l'âge du fer, mais plutôt une transition progressive. L'une des premières pièces de fer jamais découvertes a été trouvée aux Pays-Bas et remonte à 1350 av. Traditionnellement, cette période aurait été considérée comme le milieu de l'âge du bronze, il semble donc que les deux métaux aient été produits conjointement pendant un certain temps.

Le fer a vraiment atteint sa domination vers 1000 av. car il était alors transformé en armes à grande échelle. Cette transition a probablement commencé vers 1200 av. - généralement, le temps marqué comme le début de l'âge du fer.

Les premières civilisations ont développé un processus de fusion de l'oxyde de fer avec du charbon de bois. Cependant, à l'époque, les métallurgistes ne pouvaient pas atteindre les températures élevées de1 540 ° C nécessaires pour fondre pleinement les éléments. Ce processus a créé une masse spongieuse de métal mélangée à un laitier liquide. Les métallurgistes répéteraient sans cesse le processus de fusion à basse température jusqu'à ce qu'il crée du fer forgé, un produit de fer plus réalisable. La note intéressante (comme les archéologues ont étudié l'âge du fer) précisait exactement quand le processus d'ajout de carbone pour renforcer le fer a commencé.

Comme les premières techniques de métallurgie impliquaient des températures basses, le résultat de la combustion du fer avec du charbon de bois était du fer pur. Au fur et à mesure que les fours de l'époque s'amélioraient et que les températures augmentaient, plus de carbone était absorbé dans le fer - sans le vouloir. Ce résultat n'était pas cohérent, une grande partie du fer à cette époque contenait une grande variété de carbone à l'intérieur.

Raffinage des métaux

Au fur et à mesure que la ferronnerie devenait plus raffinée, la connaissance de l'effet du carbone sur le fer augmentait également. Le fer imprégné de carbone pourrait être rendu plus dur en trempant le métal.

Cependant, au début de l'âge du fer, il y a peu de preuves que ce processus a été effectué car le fer devait à la fois être trempé puis revenu afin de profiter de la résistance accrue.

Plutôt que le processus de trempe et de revenu, les archéologues ont vu que les métallurgistes de l'âge du fer ont entrepris un processus de forgeage à froid pour renforcer le métal.

À partir de l'âge du fer, il y a eu un développement significatif dans la façon dont les métaux ont été raffinés et forgés, qui s'est poursuivi jusqu'à l'ère moderne.

Pour en savoir un peu plus sur les différents procédés métallurgiques, regardez cette vidéo:

Maintenant que nous avons couvert l'essor de la métallurgie, jetons un coup d'œil à certaines techniques d'assemblage de matériaux utilisées avec des métaux modernes, en particulier dans le domaine du soudage.

Soudage

Le soudage est un terme très large couvrant des centaines, voire des milliers de procédés d'assemblage de matériaux spécifiques. Même si vous n'êtes pas soudeur de métier ou ingénieur d'assemblage de matériaux, il est essentiel de comprendre comment divers matériaux peuvent être assemblés pour exceller dans votre profession d'ingénieur.

Pour commencer notre compréhension des procédés de soudage, permettez-moi de jeter un tas d'acronymes et de termes, puis nous pourrons nous plonger dans des procédés spécifiques un peu plus tard.

Les principaux procédés de soudage sont le soudage à l'arc métallique blindé (SMAW), le soudage à l'arc au gaz tungstène (GTAW / TIG), le soudage à l'arc au gaz métal (GMAW / MIG), le soudage à l'arc fourré (FCAW), le soudage à l'arc submergé (SAW), le laitier électrolytique soudage (ESW) et enfin soudage par résistance.

Est-ce que tu as compris tout ça?

Ce ne sont que les méthodes de soudage de base, et il existe de nombreuses variantes de chacune, ainsi que des techniques de soudage à l'aide de friction, de lasers ou même de faisceaux d'électrons.

Chaque processus est spécifiquement conçu pour différents métaux, et il existe même des processus qui peuvent souder des métaux différents. Il est impossible que nous puissions couvrir un examen approfondi de tous les processus de soudage dans cet article de blog, mais nous pouvons probablement en couvrir suffisamment pour que vous puissiez suivre une conversation sur le soudage si jamais vous vous retrouvez dans l'un de ceux-ci ...

Tous les procédés de soudage induisent la fusion par une source d'énergie; en d'autres termes, le métal de base est fondu d'une manière ou d'une autre. Des procédés comme le SMAW utilisent une électrode qui fond à la fois induisent une fusion sur le métal de base et agissent comme un métal d'apport pour le joint. GTAW, ou ce que vous connaissez peut-être sous le nom de soudage TIG, utilise une électrode en tungstène et un gaz inerte (hélium) pour souder le métal de base.

Ce que vous trouverez est commun entre tous les processus mentionnés ci-dessus, c'est qu'il existe une forme d'arc ou d'électrode utilisée pour déclencher la réaction de fusion, donc le «A» dans tous les acronymes. La seule exception dans la liste ci-dessus est le soudage par résistance, qui utilise le courant électrique pour générer de la chaleur grâce à la résistance de deux métaux qui se chevauchent - simplement une utilisation légèrement différente de l'électricité pour souder.

Le soudage à l'arc est le plus courant, mais il est important de noter qu'il existe également le soudage au gaz et le soudage par faisceau d'énergie. Ces processus utilisent des faisceaux de gaz ou d'énergie pour chauffer le matériau, plutôt que du courant et de la tension. Les méthodes au gaz et à l'énergie, bien que variantes, sont assez simples à comprendre en mécanique de base.

Chaque technique d'arc différente utilise une électrode différente et une configuration différente d'application de flux à la soudure. Le flux est un agent purifiant qui aide les soudures à coller les matériaux et à maintenir une structure uniforme, augmentant ainsi la résistance.

Différentes techniques de soudage

Pour la plupart des techniques de soudage, vous pouvez quelque peu déduire leur fonctionnement à partir de leurs noms. Nous sommes des ingénieurs, après tout, non? Le soudage à l'arc à noyau de flux utilise un fil avec, vous l'avez deviné, un noyau de flux.

Contrairement à ce que vous pourriez penser, le soudage à l’arc submergé n’est pas un processus sous-marin. Il utilise une électrode consommable pour souder sous une couverture de flux, submergeant ainsi la soudure sous le flux pour la protéger de l'atmosphère. Maintenant que nous avons quelques connaissances sur toutes les différentes techniques de soudage, nous pouvons commencer à comprendre comment souder divers métaux.

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Au lieu d'écrire des tonnes de texte sur le soudage de différents métaux, voici un guide rapide démontrant le métal d'assemblage ainsi que les processus que vous pouvez utiliser:

Acier: SMAW, MIG, FCAW, TIG (DC), résistance

Acier inoxydable: SMAW, MIG, FCAW, TIG (DC), résistance

Aluminium: SMAW, MIG, TIG (AC)

Fonte: SMAW

Cuivre / Laiton: TIG (DC)

Alliage de magnésium: TIG (AC)

Titane: TIG (DC)

Comme vous l'avez probablement remarqué, les métaux à base de fer peuvent être soudés avec diverses techniques, mais d'autres métaux avec des structures cellulaires moins compatibles nécessitent des techniques spécifiques pour souder. La raison derrière le large éventail de techniques de l'acier et d'autres techniques spécifiques aux métaux a à voir avec la structure cellulaire, les changements de phase, les points de fusion et de nombreux autres facteurs.

Si vous voulez joindre deux métaux différents, par exemple l'aluminium à l'acier, les soudeurs doivent faire preuve de créativité dans leurs techniques. Le moyen le plus courant de souder des métaux différents, ou des métaux non compatibles entre eux, consiste à utiliser un métal d'apport compatible avec les deux. Dans le cas de l'aluminium et de l'acier, le zinc peut être utilisé comme métal de transition, ou des inserts de transition spéciaux peuvent être fabriqués.

Si vous souhaitez en savoir plus sur le soudage de métaux différents, ces procédés sont à la pointe des techniques d'assemblage de matériaux. Des recherches révolutionnaires sont continuellement menées dans les domaines du soudage par friction-malaxage, du soudage au laser et même du soudage explosif (Google, vous ne le regretterez pas).

Le soudage est à la fois une chose incroyablement simple à saisir, mais aussi un processus rempli de complexités et de sciences infinies. Que vous l'utilisiez quotidiennement ou pas du tout, le soudage a des aspects de presque toutes les disciplines de l'ingénierie et peut certainement captiver même les ingénieurs les plus ennuyeux.

"L'apparition des informations visuelles du Département américain de la Défense n'implique ni ne constitue une approbation du DOD."


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