Types de métaux : propriétés, applications et utilisations

Types de métaux : Guide des propriétés, des applications et des utilisations industrielles

Connaître les différents types de métaux disponibles est essentiel pour faire des choix judicieux en matière de matériaux dans tous les projets de soudage, d'usinage ou d'ingénierie. Des poteaux en acier au carbone soutenant les gratte-ciel aux plaques de titane biocompatibles, les métaux constituent la base du monde moderne, souvent sans que l'on s'en aperçoive. Voici une explication simple des types de métaux, une comparaison de leurs propriétés quantifiables et un tableau indiquant leur utilisation optimale.

Qu'est-ce qu'un métal ? Définition et structure atomique

Par définition, un métal est un élément chimique qui s'ionise facilement pour former des ions positifs (cations) et qui établit des liaisons métalliques entre ces ions. Ces liaisons chimiques créent un « nuage » d'électrons libres en mouvement constant dans toute la structure cristalline. Ceci explique les propriétés observées pour tous les métaux : conductivité électrique et thermique élevée, malléabilité, ductilité et, une fois polis, un aspect brillant.

C'est ce partage d'électrons qui permet à un fil de cuivre de parcourir un courant et à une poutre d'acier de se rompre sous sa flexion. Les électrons délocalisés dans les métaux permettent aux atomes d'une couche de glisser les uns sur les autres sous contrainte sans rompre les liaisons, contrairement à ce qui se passe avec la céramique ou le verre, qui se brisent au lieu de se plier. Cette délocalisation des électrons confère aux métaux leur ductilité lorsqu'on les étire en fils fins ou qu'on les martèle en feuilles : leur malléabilité.

Si vous avez déjà essayé de plier du métal sur une presse plieuse, vous avez pu constater le phénomène de liaison métallique.

En général, le tableau périodique est principalement composé de métaux situés au centre gauche, parmi lesquels les métaux de transition du bloc d, tels que le fer, le cuivre, le nickel, le titane et le chrome, sont les principaux acteurs de la production industrielle. Les métaux alcalins, comme le lithium et le sodium, et les métaux alcalino-terreux, comme le magnésium et le calcium, se trouvent à l'extrême gauche, mais leur réactivité est telle qu'aucun d'eux ne convient à des applications structurales à l'état natif. Au total, 94 des quelque 118 éléments connus sont des métaux.

Et deux de ces 94 éléments métalliques sont liquides à température ambiante : le mercure et le gallium.

L'état liquide à température ambiante est assez inhabituel dans le tableau périodique, dans une famille d'états généralement caractérisés par la force de l'élément à l'état solide.

Pour les applications pratiques en ingénierie, les métaux se répartissent en trois grands groupes :

• Les métaux ferreux – Ferronickel, Argent ferreux… Contiennent du fer. (ex : acier, fonte, fer…)
• Metalli non ferrosi – nessun il contenuto di ferro (Alluminio, rame, titanio, zinco)
• Alliages – Mélanges techniques de deux éléments ou plus, dont au moins un métallique (laiton, bronze, Inconel)

Supposons que chaque section de la liste ci-dessous présente un groupe de métaux étudié individuellement et en profondeur, puis compare les propriétés mesurables de chacun et démontre les applications pour lesquelles chaque groupe de métaux excelle réellement.

Propriétés clés des métaux qui déterminent la sélection industrielle

Le choix d'un métal pour un projet ne se résume jamais à un seul chiffre. Un fabricant prend en compte le rapport résistance/poids, examine les spécifications de conductivité, évalue les caractéristiques de corrosion dans les conditions réelles d'utilisation, puis considère le budget et l'usinabilité. Six métaux typiques utilisés en ingénierie sont présentés dans le tableau ci-dessous, classés selon leurs paramètres les plus importants.

La résistance à la traction correspond à la tension maximale qu'un métal peut supporter avant de se rompre. Dans cette catégorie, le titane domine avec 950 MPa, ce qui explique pourquoi les ingénieurs aérospatiaux, notamment pour la fabrication de trains d'atterrissage et d'aubes de turbines, en sont parmi les principaux utilisateurs mondiaux. À l'autre extrémité de l'échelle, le zinc ne supporte que 37 MPa, ce qui limite son utilisation aux revêtements et aux boîtiers moulés sous pression, mais le rend inadapté aux structures métalliques.

La conductivité électrique est mesurée en pourcentage de la norme IACS (International Annealed Copper Standard). 100 % correspond au cuivre pur. L'aluminium, avec une conductivité de 43 %, est loin d'être le meilleur conducteur électrique, mais il est suffisamment léger pour la fabrication de câbles aériens haute tension de qualité, avec un poids trois fois inférieur à celui du cuivre à volume égal. Le titane, avec une conductivité de seulement 3 %, se situe en bas du classement, ce qui le rend inutilisable pour le câblage, mais idéal pour les implants corporels et crâniens où une conductivité électrique excessive serait néfaste.

La résistance à la corrosion repose sur la capacité du métal à former une couche d'oxyde protectrice. La capacité de l'aluminium à former naturellement une couche d'oxyde de silicium (AlO) qui empêche la corrosion est remarquable ; il est d'ailleurs difficile d'obtenir une couche aussi épaisse et protectrice. L'acier inoxydable nécessite une teneur minimale de 10.5 % en chrome dans le métal de base pour permettre la formation d'une couche d'oxyde de chrome. L'acier doux au carbone cru, contaminé par des traces de l'élément qui confère à l'acier inoxydable son excellente résistance à la corrosion, se corrode rapidement en milieu humide et salin s'il n'est pas peint, galvanisé ou protégé d'une autre manière.

Quels types de métaux sont magnétiques ?

Les aimants attirent différents métaux de trois manières distinctes. Les matériaux ferromagnétiques sont extrêmement attirés par les aimants et sont les seuls métaux à pouvoir devenir eux-mêmes des aimants permanents. Ce sont les seuls métaux avec lesquels les mandrins magnétiques peuvent maintenir des pièces lors de l'usinage. Les matériaux diamagnétiques, comme l'or et le cuivre, sont pratiquement irrésistiblement attirés par un champ magnétique ; il faudrait utiliser un équipement de laboratoire pour le vérifier. Les matériaux paramagnétiques, tels que l'aluminium ou le titane, présenteraient une attraction magnétique très faible, pratiquement imperceptible à l'œil nu. Dans l'industrie, on considère généralement que si un métal est attiré par un aimant, il contient du fer, du nickel ou du cobalt.

« Tous les métaux sont le fruit de compromis. Il est rare de trouver un alliage qui réunisse à la fois une résistance élevée, un poids léger, une résistance à la corrosion et un prix bas. Le problème de l'ingénieur mécanicien est de déterminer les deux ou trois propriétés les plus importantes pour le client et de faire des concessions sur le reste. »
— Principe d'ingénierie des matériaux, paraphrasé des directives de l'ASM International

Métaux ferreux : acier, fonte et alliages à base de fer

Plus de 90 % des métaux mondiaux sont ferreux, c'est-à-dire à base de fer. Plus de 632 millions de tonnes d'acier brut ont été produites en 2024, une quantité colossale qui surpasse celle de tous les autres métaux réunis. Il y a une explication simple à cela : le fer est abondant, les infrastructures nécessaires à la transformation du minerai en métal existent, et les propriétés physiques de l'acier peuvent être modifiées de façon exponentielle, voire imperceptible, grâce à l'ajout d'éléments tels que le carbone et des éléments d'alliage.

Acier au carbone

L'acier au carbone est classé selon son pourcentage de carbone :

• Acier doux à faible teneur en carbone (< 0.25 % C) – Soudable, formable et usinable. L'AISI 1018 est la nuance standard pour usage général, utilisée notamment pour les supports, les fixations et les éléments de structure. Résistance à la traction : environ 440 MPa.
• Acier à teneur moyenne en carbone (0.25 à 0.60 % C) : plus résistant et plus dur, il est utilisé pour les essieux automobiles, les engrenages et les rails de chemin de fer. L’AISI 1045 présente une résistance à la traction typique d’environ 585 MPa.
• Acier à haute teneur en carbone (0.60-2.0 % C) : très dur, utilisé pour les outils de coupe, les ressorts et le fil métallique. Il peut être traité thermiquement pour atteindre une dureté extrêmement élevée, mais sa microstructure est très fragile et sa soudabilité est très mauvaise.

Acier Inoxydable

Pour être qualifiés d'inox, les aciers inoxydables doivent contenir au moins 10.5 % de chrome. Ce dernier forme une couche d'oxyde invisible en surface, conférant une résistance exceptionnelle à la corrosion. Trois nuances d'acier sont largement utilisées dans l'industrie :

• L'acier inoxydable 304 (18 % Cr / 8 % Ni) est le plus utilisé au monde. Il sert dans l'industrie agroalimentaire, pour les éviers de cuisine, les éléments architecturaux et les cuves de traitement chimique. Il est amagnétique à l'état recuit.
• L'acier inoxydable 316 (16 % Cr / 10 % Ni / 2 % Mo) – L'ajout de molybdène lui confère une excellente résistance à la corrosion par piqûres due aux chlorures. Il est spécifié pour les équipements marins, pharmaceutiques et l'architecture côtière. Son coût est environ 20 à 30 % supérieur à celui de l'acier inoxydable 304.
• 430 (17 % Cr, sans nickel) – Une nuance ferritique magnétique, moins chère que le 304, adaptée aux panneaux décoratifs, aux garnitures d'appareils électroménagers et aux systèmes d'échappement automobiles.

Pour les projets impliquant la découpe laser de l'acier inoxydable , les aciers 317 et 316 présentent tous deux un profil de coupe net lors de la découpe laser avec un laser à fibre à la puissance et au réglage de gaz appropriés – mais l'acier 316 nécessite une puissance légèrement supérieure en raison de sa teneur accrue en Mo.

Acier allié

Les aciers alliés utilisent des combinaisons de chrome, de molybdène, de vanadium, de nickel, etc. pour produire des propriétés fonctionnelles :

• L'acier de qualité 4140 (Cr-Mo) offre une excellente ténacité et une excellente résistance à la fatigue, ce qui le rend courant dans les colliers de forage pétroliers et gaziers, les arbres d'essieu et les fixations à haute contrainte.
• L'alliage 4340 (Ni-Cr-Mo) est un alliage de qualité aérospatiale avec une très haute résistance en profondeur, utilisé dans les trains d'atterrissage, les engrenages de transmission de puissance et l'outillage lourd.

Fonte

• La fonte grise (3-4 % de carbone) est extrêmement fragile mais absorbe et amortit très bien les vibrations. C'est ce qui en fait le matériau de base idéal pour les machines-outils et les blocs-moteurs. Les particules de graphite présentes dans sa microstructure convertissent l'énergie vibratoire en chaleur.
• La fonte ductile (ou nodulaire) contient du graphite sous forme de nodules sphériques plutôt que de paillettes, ce qui améliore considérablement sa résistance aux chocs et sa ductilité. Elle est utilisée pour les raccords de tuyauterie, les vilebrequins et les engrenages robustes.
• La fonte blanche est très dure et résistante à l'usure. Elle était utilisée pour fabriquer des revêtements résistants à l'abrasion pour les broyeurs à boulets et les pompes à boues.

Le fer forgé incandescent – ​​matériau historiquement important pour les portails, les balustrades et les chaînes – a cédé la place aux aciers doux, moins chers et plus faciles à usiner. Les produits modernes en « fer forgé » sont généralement en acier doux façonné pour imiter le fer forgé.

Quels types de rouille se forment sur les métaux ?

La rouille est une réaction chimique particulière : elle se produit lorsque le fer interagit avec l’oxygène et l’humidité pour former une couche d’oxyde ferreux (FeO) qui fragilise et friable l’acier ancien. Tous les métaux ferreux sont vulnérables, car leur structure contient du fer. L’acier doux au carbone rouille le plus rapidement sous l’effet des embruns salés ou d’une forte humidité. Les aciers alliés, comme le 4140, y sont également sensibles s’ils ne sont pas lubrifiés, peints ou protégés d’une autre manière.

Dans le cas de l'acier inoxydable, la barrière contre la rouille est l'oxyde de chrome, et l'alliage est qualifié de « résistant » plutôt que d'« inoxydable ». En particulier, l'acier inoxydable 304 peut subir une corrosion par piqûres dans les environnements chlorés (eau de mer, sels de déneigement, solutions salines) à des températures supérieures à environ 50 °C. C'est pourquoi les spécifications pour les installations marines et chimiques préconisent l'utilisation de l'acier inoxydable 316, dont la teneur en molybdène (2 %) empêche ce type de corrosion.

La plupart des métaux non ferreux sont amagnétiques et ne rouillent pas car ils ne contiennent pas de fer. Ils subissent cependant leur propre forme de corrosion : l’aluminium produit une poudre blanche d’oxyde d’aluminium et le cuivre donne ce joli aspect vert-de-gris sur les vieux toits et les statues. Ces couches d’oxyde sont en réalité résistantes à la corrosion – contrairement à l’oxyde de fer qui s’écaille et devient d’autant plus gênant qu’on essaie de le contrôler.

Métaux non ferreux : aluminium, cuivre, titane et autres

Les métaux non ferreux ne contiennent pas de fer, ce qui signifie qu'ils ne s'oxydent pas de la même manière, puisque ce processus nécessite la présence de fer. Ils sont souvent non magnétiques et plus résistants à la corrosion que les matériaux ferreux, plus conducteurs, plus légers – mais aussi plus chers et nécessitent parfois des méthodes de fabrication différentes.

Aluminium

L'aluminium est l'élément natif le plus abondant, représentant 8.2 % de la croûte terrestre, soit la deuxième concentration la plus élevée après l'oxygène. Malgré cela, il était plus cher que l'or jusqu'à la découverte du procédé Hall-Héroult en 1886. Il est le deuxième métal le plus utilisé après l'acier : sa faible densité (2.70 g/cm³), sa résistance à la corrosion et sa facilité d'usinage en font un métal précieux.

L'alliage d'aluminium 7075, à la fois très résistant et léger, présente une résistance à la traction de 570 MPa, comparable à celle des aciers à moyenne teneur en carbone. Malheureusement, il est très difficile à souder et plus cher que le 6061.

L'aluminium réfléchissant près de 90 % de la longueur d'onde d'un laser CO2, le soudage laser des alliages d'aluminium nécessite un contrôle précis de la réflexion et de la conduction de la chaleur.

Cuivre et alliages de cuivre

Le cuivre (C11000) définit 100 % IACS comme mesure de sa conductivité. Il est utilisé comme référence pour les câblages électriques, les barres omnibus et les échangeurs de chaleur. Son principal inconvénient réside dans sa fragilité : avec une résistance à la traction de seulement 220 MPa, il ne peut supporter les charges structurelles.

• Le laiton, premier alliage de cuivre utilisé commercialement, est, lorsqu'il est allié à un autre élément métallique (le zinc), nettement plus dur que le cuivre, naturellement résistant à la corrosion et facile à usiner – utilisé pour les ferrures, les instruments à vent, la quincaillerie décorative et les douilles de munitions.
• Alliage de cuivre et d'étain, le bronze offre une résistance et une protection contre la corrosion supérieures à celles du laiton en milieu marin ; ses utilisations traditionnelles incluent les hélices de navires, les paliers et l'accastillage marin.

Le traitement du cuivre au laser est complexe en raison de sa réflectivité élevée. Les sources laser à fibre, avec une longueur d'onde proche de 1,070 2 nm, sont bien plus adaptées que les sources CO₂. Pour en savoir plus sur la découpe du cuivre au laser , consultez notre article.

Titane

Le Ti-6AL-4V, alliage de titane de référence, offre une résistance à la traction de 950 MPa pour une masse volumique de 4.43 g/cm³. Il représente l'exemple le plus représentatif des aciers à résistance moyenne, avec un poids réduit de 44 %. Le monde entier compte sur le titane pour cet avantage dans les secteurs de l'aéronautique, du médical et des sports mécaniques de haute performance.

Un facteur de coût souvent négligé par le marketing : avec un prix au kilogramme 25 à 100 fois supérieur à celui de l’acier inoxydable (selon la forme et la qualité), et un taux de fabrication de seulement 22 %, la fabrication de composants en titane s’avère onéreuse. Si le gain de poids ou la facilité de production du corps ou du produit justifient l’utilisation du titane, ce matériau reste un choix judicieux ; dans le reste des cas, l’acier inoxydable ou l’aluminium constituent des options plus économiques et performantes.

Autres métaux non ferreux

• Le zinc est utilisé dans quelques domaines d'application ; le plus courant est la galvanisation, qui consiste à appliquer un revêtement de zinc sur l'acier ou le fer afin de les protéger de la corrosion. Le deuxième domaine d'application le plus fréquent est le moulage sous pression pour les poignées de porte et les garnitures automobiles.
• Le nickel entre dans la composition de superalliages (Inconel, Hastelloy) qui équipent les turbines à gaz et les moteurs à réaction fonctionnant à des températures supérieures à 700 °C ; il peut également être utilisé comme revêtement en électroplacage et dans les batteries.
• L'étain entre dans la composition des alliages de soudure pour l'électronique, le plaquage à l'étain étant courant dans les boîtes de conserve et la construction en bronze.
• Le plomb est présent dans environ 80 % de la production mondiale de batteries, ainsi que dans des applications de blindage contre les radiations et de lestage ; mais la demande pour ces produits souffre des restrictions réglementaires liées à la toxicité.
• Les métaux précieux (or, argent, platine) ont trouvé leur place dans la joaillerie, les circuits (liaison par fil d'or), les convertisseurs catalytiques (palladium et platine) et l'investissement ;

Alliages métalliques : comment la combinaison d’éléments améliore les performances

Un alliage est un mélange d'un élément métallique avec un ou plusieurs autres éléments, métalliques ou non. L'objectif est d'obtenir un ensemble de propriétés impossibles à atteindre avec les deux ou plusieurs constituants pris individuellement. L'acier est un alliage de fer et de carbone. Le bronze est un alliage de cuivre et d'étain. Toute la civilisation commerciale moderne repose sur la production et la transformation d'alliages plutôt que sur l'utilisation d'éléments métalliques purs, car ces derniers ne répondent généralement pas aux exigences de résistance, de dureté, de résistance à la corrosion ou de module d'Young des environnements d'utilisation réels.

L'alliage se produit par « perturbation à l'échelle atomique ». Des poches d'atomes étrangers déforment l'agencement régulier du réseau cristallin, entravant la diffusion des dislocations – ces imperfections qui permettent aux métaux de se déformer. Sans cela, les dislocations mobiles sont libérées et les métaux flexibles deviennent rigides et plus durs.

Scénario : Un atelier de fabrication, passant de l’acier doux à l’acier inoxydable 316L pour la transformation des aliments, doit changer son fil de soudage (métal d’apport 316L), remplacer le gaz de protection par un mélange argon + 2 % de monoxyde de carbone et réduire la vitesse de coupe d’environ 30 %. Le choix de l’alliage minéral détermine toutes les étapes de fabrication ultérieures : outillage, montage, paramètres de soudage et opérations de rectification ou de polissage. Le choix du matériau n’est jamais une démarche isolée.

Outre la classification ferreuse/non ferreuse, il est utile de regrouper les métaux en métaux de base (facilement oxydables : zinc, fer, étain, aluminium), nobles (résistants à l’oxydation : or, platine, palladium) ou selon leur groupe du tableau périodique. Des informations sur ces groupes – métaux de transition (bloc d), alcalino-terreux, lanthanides – sont disponibles en catégories distinctes.

Comment choisir le bon métal pour votre projet

Les erreurs de choix du métal sont la cause la plus fréquente d'erreurs de fabrication et sont généralement irrémédiables : une fois soudée, la jointure ne peut être défaite. Le tableau ci-dessous compare dix métaux courants selon six paramètres, sur une échelle de 1 (médiocre) à 5 (excellent).

Sélections spécifiques à l'application

• En matière d'usinage CNC, l'aluminium 6061 se distingue comme le meilleur alliage non ferreux, tandis que l'acier doux 1018 semble être le choix idéal parmi les alliages ferreux. Côté usinabilité, ces deux matériaux obtiennent une note supérieure à 4.
• La découpe laser est optimale pour l'acier doux : c'est le métal le plus facile à découper et le plus compatible avec le laser. Dépourvu d'oxydes et résistant à la combustion, il est moins adapté à d'autres métaux comme l'acier inoxydable (qui nécessite toutefois un laser plus puissant), l'aluminium (idéalement découpé au laser à fibre grâce à la réflexion) et le titane (réservé aux pièces coûteuses et de grande valeur). Consultez la liste des matériaux qu'un laser à fibre peut découper pour plus de choix.
• Pour les environnements corrosifs, on utilise l'acier inoxydable 316L ou le titane, avec une limite de corrosion par piqûres de 5 pour une protection optimale contre la corrosion et l'oxydation. Le titane est à privilégier uniquement si le gain de poids justifie un surcoût de 25 à 100 fois supérieur.
• Dans le cas des applications structurelles et architecturales, résidentielles ou commerciales, l'acier au carbone (1018 ou A36) offre respectivement 3 et 5 niveaux de résistance et de coût.
• Les applications électroniques et informatiques utilisent le cuivre pour une conductivité électrique IACS à 100 % et l'aluminium (à densité plus élevée) pour les boîtiers légers et les dissipateurs thermiques.

Quel type de métal peut être utilisé pour la découpe laser ?

Presque tous les métaux peuvent être découpés au laser avec l'équipement adéquat, mais différentes machines seront nécessaires. Pour découper des métaux très réfléchissants comme l'aluminium, le laiton ou le cuivre, on peut utiliser des lasers à fibre de 1070 nm. Ces derniers ne rencontrent aucun problème de rétro-réflexion, contrairement aux lasers CO2 (10 600 nm) qui projettent des ions vers l'arrière du résonateur et risquent de l'endommager.

L'acier doux est le métal le plus facile à découper au laser au monde ; il permet d'obtenir une découpe de bonne qualité plus rapidement et à moindre coût que tout autre métal. Les aciers inoxydables nécessitent 20 à 30 % de puissance laser en plus qu'un acier doux d'épaisseur équivalente pour être découpés, et un scellement sous gaz inerte (généralement de l'argon) est nécessaire.

Pour une comparaison détaillée des technologies laser à fibre et laser CO2, consultez la section dédiée . Vous pourriez également être intéressé par la liste des matériaux compatibles avec le marquage laser à fibre et leur compatibilité avec différents types de métaux, ou encore par notre gamme de machines de marquage laser pour le traitement de l'acier, de l'aluminium, du cuivre et du titane.

Note sur le recyclage : Presque tous les éléments métalliques peuvent être recyclés indéfiniment, leurs propriétés fondamentales étant très peu altérées. Le recyclage de l’aluminium ne consomme que 5 % de l’énergie nécessaire à sa production à partir de bauxite et figure parmi les procédés les plus économes en énergie. L’acier est le matériau le plus recyclé au monde, en proportion de sa masse.

Questions fréquemment posées

Quels sont les 10 types de métaux ?

Combien de types de métaux existe-t-il ?

En quoi les alliages diffèrent-ils des métaux purs ?

Quel type de métal ne rouille pas ?

Quels types de métaux peuvent être recyclés ?

Quel type de métal peut être utilisé en impression 3D ?

Les métaux sont-ils généralement malléables et ductiles ?