L’emploi du terme « fer » est très répandu de nos jours. Les métallurgistes et autres chimistes le nomment souvent en ces termes-là. Pourtant, il s’agit bien d’acier. Le « fer pur » en l’état n’existe, pour ainsi dire, pas.
Mais sa réputation n’est plus à faire, on le côtoie en permanence et ses avantages ne sont plus à prouver. On parle aussi de « santé de fer », de croire « dur comme fer », de « bras de fer », etc. Son utilité va bien au-delà du banal ustensile de cuisine : la voiture, le vélo ou même les monuments, comme « la dame de fer », notre fabuleuse Tour Eiffel, dont la clarté éblouit encore le monde.
Alors, allez battre l’acier tant qu’il est encore chaud en découvrant les caractéristiques du fer.
Les caractéristiques et la classification chimique du fer
Sur le tableau périodique, le symbole chimique du fer est « Fe ». Voyons quels sont les autres éléments de sa classification :
- Numéro atomique : 26 avec les isotopes : 54 – 56 – 57 – 58.
- Masse atomique : 55 845 u.
- Masse volumique : 7 874 kg.m³.
- Température de fusion : 1 536 ° C.
- Point d’ébullition : 2 861 ° C.
- Résistivité : 9,7. 10-8 . m.
- Dureté : 4.
Les propriétés du métal fer
Le fer est de couleur gris acier. Il est relativement robuste : sa charge de rupture est de 30 kg pour un fil d’une section de 1 mm². Sa malléabilité lui permet certaines applications comme la fabrication de plaques de métal. Il est également conducteur et utilisé pour confectionner des fils électriques.
Quel type d’acier ?
Le fer pur est très peu utilisé. Le type de produit que nous connaissons est en général un alliage au carbone appelé acier. Ses propriétés sont donc modifiées. Bien que moins ductile, l’acier a des caractéristiques techniques qui le rendent plus résistant et plus dur que le fer pur en l’état.
Suivant le choix et le type de matériau, la chimie du métal sera affectée et changera ses caractéristiques techniques. Il sera plus ou moins résistant à la pression, à la corrosion. Plus l’alliage aura du carbone, moins on pourra le souder. Il existe plusieurs aciers différents suivant l’utilisation qui doit en être faite.
La rouille et la corrosion : les points faibles du fer
Son point faible majeur est la rouille (hydroxyde de fer). Plus il entre en contact avec un liquide alcalin, plus la réaction chimique oxyde le métal dans toute son épaisseur, limitant ainsi sa durée de vie.
Toutefois, un alliage de zinc (Zn) ou de manganèse (Mn) réduit la réaction dans les ions de fer, permettant ainsi de protéger le métal de la corrosion.
Un alliage de fer (Fe) et de chrome (Cr) donne l’inox qui devient un excellent acier contre la rouille et la corrosion.
Les différentes propriétés des métaux ferreux
Voici quels sont les divers minerais qui peuvent entrer dans la composition de différents aciers, leur symbole du tableau périodique et leurs caractéristiques chimiques :
- Carbone (C) de 0,025 à 2,1 %. Le carbone est un élément graphitisant.
- Chrome (Cr) de 2 à 30 %. Avec 2 %, la fonte devient blanche et avec 30 %, on obtient les caractéristiques d’un acier inoxydable. Il est durcissant et carburigène.
- Cuivre (Cu) jusqu’à 1,5 %. Il stabilise le graphite.
- Étain (Sn). L’étain modifie la matrice.
- Manganèse (Mn) de 0,5 à 0,8 %. Sa propriété est de neutraliser le soufre.
- Molybdène (Mo) de 0,3 à 1 %. Il est carburigène et est résistant aux chocs.
- Nickel (Ni). Il affine la structure de l’acier.
- Phosphore (P) de 0,05 à 1,5 %. Le phosphore améliore la fluidité et la coulabilité.
- Silicium (Si) de 1 à 3 %. Graphitisant puissant, il augmente également la température eutectique.
- Soufre (S). Cet élément est nuisible. Il diminue la coulabilité et rend l’acier dur, fragile et poreux.
Tous ses matériaux donnent de nombreux types de métaux, répondant chacun à une solution spécifique.
Focus sur l’histoire du fer et de son utilisation
Sidérurgie vient de sideros « astres » et ergon « travail ». Pourquoi astre ? Parce que c’était le fer météoritique qui était alors employé. Et notre verbe « sidérer » (frapper de stupeur) vient de siderari qui signifiait « influence des astres ».
Le fer est le sixième élément le plus abondant dans l’univers. Il compose environ 5 % du corps de la croûte terrestre.
Les premières traces de l’utilisation de ce produit remontent au cours du XVIII avant J.-C., à la frontière turco-syrienne. Des détails sur des tablettes cunéiformes révèlent la fabrication d’armes de fer.
Puis c’est au tour de la Grèce, la Thrace, la Turquie, le Moyen-Orient et la péninsule arabique, qui utilisèrent le fer vers 1 000 avant J.-C. C’est dans cette période que commence ce qu’on appelle « l’âge de fer ».
L’extension de son utilisation s’accélère et couvre pratiquement toute l’Europe vers 550 av. J.-C. C’est alors la transition de l’âge de bronze vers l’âge de fer, soutenue par l’élargissement des échanges de produits.
Entre – 58 et – 52, César envahit la Gaule. C’est au prix de cette invasion qu’arrivent les techniques plus avancées du travail de ce matériau, le fer.
C’est au cours du XV où l’on va couler la fonte avec les premiers vrais hauts fourneaux. C’est le début de l’industrie du fer au sens moderne du terme.
Mais il faudra attendre le milieu du XIX pour voir apparaître les hauts fourneaux comme nous les connaissons aujourd’hui, avec de vraies fontes et les premiers métaux contemporains.
Les applications de ce type de matériau : tous les chemins mènent au fer
Aujourd’hui, nous sommes entourés par le fer ou l’acier. Chaque situation peut trouver une solution grâce au fer.
Le fer dans tous ses états au quotidien
Il peut prendre la forme de la rambarde de votre balcon ou dans des endroits dont on ne se doute pas comme des éléments de l’électronique.
Étant ductile, l’utilisation du fer transmet l’énergie calorique pour augmenter la température grâce à votre système de chauffage à eau chaude ou vos convecteurs en acier.
Des produits finis comme les pieds en métal de votre table à vos piquets inoxydables pour les tomates de votre jardin en passant par les poids de musculation, l’utilisation du fer est partout.
Le fer dans l’industrie, état des lieux
Les premières grandes applications de l’acier furent les chemins de fer, la construction de ponts et de bateaux et les moyens de transport en général.
Longtemps présent dans l’art comme la ferronnerie, le fer a été dépassé par l’arrivée de l’aluminium, surtout par son gain de poids.
On retrouve aujourd’hui le fer dans toutes les industries, métallurgique ou non. Comme dans celui de l’automobile ou de l’électroménager.
Les caractéristiques et propriétés du travail des métaux
Le fer peut se plier à notre volonté, se souder, se marteler, se percer, résister à la pression. Certains métaux durcis peuvent être usinés pour réaliser des pièces mécaniques.
Grâce à un traitement au zinc, le fer peut être galvanisé par électrolyse, le protégeant ainsi de la corrosion. On retrouve beaucoup d’applications avec du métal galvanisé, notamment dans l’industrie de l’automobile ou celle de l’électroménager. Le fer galvanisé s’oxyde donc très peu et a une durée de vie augmentée.
Sur les coques des bateaux en acier ou en aluminium, afin d’éviter la corrosion, surtout due à la réaction de l’eau salée (la catalyse), on applique une peinture à base de zinc. De même, pour éviter l’usure due à l’effet de la catalyse (dans les eaux salines surtout), on fixe sur la coque des navires des anodes de zinc qui vont s’oxyder plus rapidement que la coque en métal.
