Réponse courte : parce que ça risque de la déformer.

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Pour la réponse longue, il faut s’intéresser à la structure du métal et en particulier à la manière dont sont constitués les cristaux.

Un cristal est un solide dans lequel une petite structure, appelée maille (un cube de quelques atomes par exemple), est répétée périodiquement un très grand nombre de fois. On parle alors de solides cristallins qu’on peut classer en trois grands types :

  • les solides covalents dans lesquels les liaisons sont du même type que celles reliant les atomes dans une molécule;
  • les sels dans lesquels deux types d’atomes s’échangent un ou plusieurs électrons afin d’atteindre la saturation de leur couche électronique externe;
  • et les métaux pour lesquels tous les atomes mettent en commun les électrons de leur couche externe.
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Exemple de maille cristalline cubique

Le diamant est un exemple de cristal covalent : c’est donc, d’une certaine manière, une molécule géante dans laquelle les atomes de carbone sont solidement reliés les uns aux autres.

Parmi les sels, l’exemple le plus connu est le chlorure de sodium constitué d’ions Na+ et Cl-. Les atomes de sodium (Na) cèdent chacun un électron ce qui les transforme en ion Na+. Cet électron est alors récupéré par un atome de chlore qui devient l’ion Cl-. Cet échange crée une liaison qui assure la consistance du sel.

Les ions Cl- sont disposés suivant un réseau cubique faces centrées (CFC), soit un ion à chaque coin du cube et un ion au centre de chaque face :

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Maille CFC des ions Cl-

Cette disposition ne remplit pas tout l’espace et laisse des interstices dans lesquels peuvent se déposer les ions Na+. Les interstices sont ici ce que l’on nomme les sites octaédriques, soit le milieu des 12 arêtes et le centre du cube. Leur nom vient du fait que les figures dessinées par les limites de ces sites sont des octaèdres :

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En rouge, les ions Cl- sur la maille CFC et en bleu, les ions Na+ sur les sites octaédriques

Enfin parmi les métaux, on peut citer le fer, l’or, l’argent, l’aluminium mais aussi les alliages comme l’acier, le bronze, le laiton… Ces solides sont constitués d’un agrégat de grains plus ou moins gros ayant chacun les propriétés d’un cristal. Ils possèdent des caractéristiques très précises et sont utilisés pour fabriquer de nombreux objets comme des armes, des structures de bâtiment ou encore … des casseroles.

Les lacunes

Ces métaux sont loin d’être parfaits et présentent un certain nombre de défauts. Parmi ceux-ci, on peut citer les lacunes. Pour une raison ou pour une autre, une place du réseau cristallin n’est pas occupée ce qui modifie la disposition des atomes voisins. La perturbation se propage de proche en proche sur des distances qui peuvent devenir assez grandes et former une véritable dislocation dans le solide. Ces dislocations sont d’ailleurs d’autant plus nombreuses que la température du métal est élevée. Nous reviendrons sur ce point quand nous reparlerons des casseroles.

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Une lacune entraînant la formation d’une dislocation

Les impuretés

Un autre type de défaut est la présence d’impuretés dans le cristal. Un atome étranger se place soit sur un site du maillage à la place d’un atome du métal, soit sur un site interstitiel comme le site octaédrique dont on a parlé un peu plus haut.

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À gauche, une impureté de substitution. À droite, une impureté d’insertion.

Ces impuretés ont souvent tendance à être attirées par les dislocations. Dosées savamment pour former un alliage, elles peuvent ainsi renforcer le métal.

En effet, si l’on cherche à déformer le métal en appliquant une certaine contrainte, les dislocations ont alors tendance à se déplacer et à se connecter les unes aux autres jusqu’à provoquer une rupture du matériau. Mais si ces dislocations sont piégées dans une atmosphère d’impuretés, ces dernières les retiennent et les empêchent de provoquer la rupture de l’alliage.

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Dislocations observées au microscope électronique. (c) Centre des matériaux – École des Mines de Paris.

Les casseroles

Revenons-en à nos casseroles. Lorsque le métal est chauffé, le nombre de dislocations augmente. Cela vient de l’agitation des atomes plus forte à haute température qui entraîne plus de possibilités de lacunes et de défauts d’insertion. Toutefois ces défauts sont assez mobiles à haute température et peuvent ainsi « s’échapper » plus facilement vers la surface du métal.

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Maintenant, prenons une casserole portée à haute température et donc remplie de dislocations et plongeons-la dans de l’eau froide. Les dislocations se retrouvent figées dans le métal alors qu’un refroidissement progressif leur aurait laissé le temps de s’échapper. On se retrouve alors avec une casserole saturée de dislocations et trop froide pour leur laisser la possibilité de sortir. Le métal subit alors des déformations importantes.

Ce procédé est appelé une trempe et est fréquemment utilisé en métallurgie : il permet en effet, s’il est correctement dosé, de piéger suffisamment de dislocations pour faire baisser l’élasticité du matériau tout en conservant sa résistance à la rupture et permet, au passage, de piéger les impuretés lors de la fabrication d’un alliage. Il s’agit néanmoins d’un procédé très subtil qui, s’il est mal exécuté, peut rendre le métal très fragile.

 

Cet article est inspiré de l’ouvrage La physique du métal de Pierre Péguin dont le plan est le suivant :

  1. La structure cristalline du métal
  2. Les imperfections cristallines
  3. Physique et métallurgie
  4. L’atome métallique et la théorie électronique du métal
  5. Les propriétés électriques et magnétiques du métal
  6. La nature des alliages métalliques
  7. Les tendances actuelles de la physique du métal

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