La métallurgie est la science des matériaux qui étudie les métaux, leurs élaborations, leurs propriétés, leurs traitements. Par extension, on désigne ainsi, l’industrie de la fabrication des métaux et des alliages, qui repose sur la maîtrise de cette science.

Définition

La définition de la métallurgie a largement évolué au du XIX siècle. À partir des forgerons et leur accumulation de connaissances empiriques, la métallurgie est devenue au XIX siècle une science et dans le contexte de la révolution industrielle (et dans l'inconscient collectif) devenue synonyme d'acier, de hauts fourneaux, de laminoirs, de tréfileries, pour devenir ensuite une activité industrielle intense qui se préoccupe aussi de solutions de pointe, d'alliages spéciaux pour l'aéronautique, l'électronique, le bâtiment, l'automobile, le nucléaire et d'innombrables autres usages.

Ainsi, la métallurgie, en 1840, se définit comme « la science qui apprend à connaître la manière de traiter les minerais qui sont fournis par l'exploitation des mines. L'exploitation et la métallurgie font partie des sciences mécaniques, et peuvent être réunies sous le nom de science des Mines, qui se subdivise ensuite en exploitation des mines et en métallurgie. Le mineur extrait les minéraux par des procédés mécaniques; le métallurgiste les traite par une suite de procédés chimiques et mécaniques. Retirer par des procédés chimiques, exécutés en grand, de la manière la plus économique et avec le moins de perte possible, les parties utiles que renferment les minéraux fournis par le mineur, tel est le problème de la métallurgie rationnelle (...) L'affaire principale du métallurgiste est toujours la connaissance de l'art de traiter les minerais; mais s'il veut s'élever au-dessus de la simple routine, il ne doit pas rester étranger à plusieurs autres sciences accessoires, surtout quand il veut se former à devenir administrateur ou directeur d'usines. Les mathématiques, la physique, la chimie, la minéralogie, l'exploitation des mines, l'architecture, l'aménagement des forêts, le dessin, la jurisprudence et les finances, sont des sciences à étudier, les unes dans toute leur étendue, les autres dans quelques-unes de leurs parties seulement ».

Début XXI siècle, dans une définition qui le distingue d'un pur physicien ou d'un pur chimiste et qui corresponde à la réalité des laboratoires publics et industriels, « le métallurgiste, formé à la physique, à la chimie et à la mécanique, au minimum sait lire et utiliser un diagramme de phases (sans croire que celui-ci dit tout sur l'alliage), connaît l'existence et propriétés des défauts cristallins responsable de la plasticité et du transport de matière, ainsi que les fondements théoriques et pratiques de la rupture et de la corrosion : qui utilise ces compétences sur la face expérimentale ou sur la face théorique de la métallurgie,ou mieux, sur les deux; et qui possède une culture suffisamment large pour, connaissant la composition d'un alliage métallique, avoir déjà une assez intuition des principales de ses propriétés. »

Actuellement, le terme de « métallurgie » peut désigner :

l'industrie d'élaboration et de transformation des métaux : métallurgie primaire, ou extractive : transformation des matériaux naturels (minerai) en métal, métallurgie secondaire : élaboration de matériaux utilisables par l'industrie, comprenant la réalisation d'alliages, les traitements thermomécaniques (laminage, trempe, revenu), la mise en forme en semi-produits (tôles, profilés),

métallurgie primaire, ou extractive : transformation des matériaux naturels (minerai) en métal,

métallurgie secondaire : élaboration de matériaux utilisables par l'industrie, comprenant la réalisation d'alliages, les traitements thermomécaniques (laminage, trempe, revenu), la mise en forme en semi-produits (tôles, profilés),

la science étudiant les métaux (leurs propriétés, leur transformation) : métallurgie physique, métallurgie mécanique.

En raison de son passé plusieurs fois millénaire et de l'ampleur de ses applications, la métallurgie est parfois considérée comme une activité plus proche des arts et métiers que d'une activité scientifique rigoureuse. Empruntant à la physique, à la mécanique, à la chimie, et aux mathématiques, elle a contribué à créer la science des matériaux et elle continue à la nourrir d'exemples, de concepts, et de méthodes expérimentales et théoriques. Le succès de la métallurgie tient en cinq mots : « l'abondance des métaux dans la croute terrestre, leur grande malléabilité, la capacité qu'ils offrent de modifier leurs propriétés mécaniques par des traitements thermomécaniques, l'extraordinaire maîtrise des technologies associées; enfin la conduction — électrique et thermique — caractéristique des métaux et alliages et le magnétisme de certains d'entre eux ».

Histoire

Préhistoire et Antiquité

L'histoire de la métallurgie est étudiée par le métallurgiste, plus précisément par le cristallographe. Le premier métal travaillé fut le cuivre natif, minéral correspondant à l'élément chimique cuivre, bien connu bien avant la fin de la préhistoire.

Notons que le nom du cuivre dérive de terme grec adjectif kyprios, c'est-à-dire, relatif ou en rapport à l'île de Chypre, célèbre dans l'Antiquité gréco-romaine pour ses gisements de cuivre. L'adjectif pouvait s'appliquer à tous types productions de cuivre martelée ou de bronze, originaires de Chypre. Pour certains étymologistes, le mot « cuivre » signifierait d'abord un alliage, un « bronze de Chypre », île des mines de cuivre dans l'Antiquité, avant de s'appliquer à la matière métallique pure. Néanmoins les Romains, excellents métallurgistes, qui connaissaient les ressources anciennes en cuivre natif de l'île ont ainsi qualifié le pur métal rouge du nom de l'île, dédié à la déesse Vénus/Aphrodite.

Les hommes commencèrent probablement par travailler le cuivre natif (c'est-à-dire, présent naturellement sous forme métallique) par martelage, et ils s'aperçurent sans doute qu'il était plus facile de le travailler lorsqu'il était chauffé (phénomène de recuit : élimination des dislocations par la restructuration et éventuellement recristallisation). Puis, en chauffant de plus en plus, ils s'aperçurent qu'il fondait et que l'on pouvait donc le mouler. Ceci constitua l'Âge du cuivre, vers -4000.

Le premier alliage fut le bronze (alliage de cuivre et d'étain). L'âge du bronze s'étendit d'environ -2500 à -1000.

Le cuivre natif étant rare, ils travaillèrent alors des minerais de plus en plus pauvres en cuivre natif, et ils s'aperçurent probablement que le fait de faire chauffer des minerais permettait non seulement d'extraire le cuivre par fusion, mais aussi de « transformer » le minerai en métal (réduction) ; c'est sans doute ainsi que sont nés les bas fourneaux, vers -1200.

Vers -1000 commença l'âge du fer. Le fer fondant à beaucoup plus haute température que le cuivre (1 535 °C contre 1 084 °C), on superposa couches de bois et couches de minerai de fer afin d'atteindre sa température de fusion, et on le mélangea au charbon de bois de façon à le rendre plus résistant. La réduction du minerai dans les bas fourneaux était imparfaite et donnait naissance à un bloc d'aspect spongieux (le massive ou la loupe) que l'on martelait pour le débarrasser de ses impuretés. Pendant longtemps, les archéologues ont estimé que les premiers à utiliser le fer furent les Hittites. Puis on a estimé que la métallurgie du fer était née en Syrie du nord, sur les piémonts du Taurus dans une région susceptible de fournir du minerai et des forêts (pour le charbon nécessaire à la production du fer). Des découvertes récentes font remonter la toute première métallurgie du fer aux alentours de la fin du III millénaire av. J.-C., en Afrique.

En Amérique, avant l'arrivée des Européens, les amérindiens ont développé une métallurgie de divers métaux (or, cuivre, argent, étain, et même du platine, inconnu des Européens), mais n'ont jamais travaillé le fer à de rares exceptions près (les Inuits ont ainsi, travaillé le fer météorique).

Dans toute la suite de l'antiquité seuls quelques métaux furent utilisés et pour certains, seulement travaillés. N'étaient connus que sept métaux : l'or, le mercure, le plomb, l'argent, le fer, le cuivre et l'étain. Le prochain métal découvert sera le cobalt en 1735 puis le bismuth en 1750.

Moyen Âge

Travail du métal en 15**, Allemagne

L'utilisation de moulins à eau pour assurer le soufflage permit d'atteindre de plus hautes températures. C'est ainsi que vers 1450, on réalisa la première coulée de fonte avec un haut-fourneau.

Les temps modernes

La sidérurgie connaît son plus fort développement à la fin du XVIII siècle, ce qui permit la révolution industrielle. La production en masse d'acier permit la réalisation de machines à vapeur et donc, le pompage des eaux dans les mines.

De nos jours

De nombreuses recherches se font davantage sur les traitements appliqués aux métaux que sur la préparation de ceux-ci, notamment sans passer par des hauts-fourneaux. Par exemple, d'un point de vue biomédical, le titane est employé en biothérapie. Des traitements chimiques ou physiques comme le sablage permettent de le rendre histocompatible et font de lui le métal de référence pour les prothèses osseuses.

Organisation de l'industrie

Sculpture « L'industrie métallurgique »de Jean-Léon Gérôme.

Les activités

La métallurgie recouvre un éventail d'activités industrielles :

l'extraction du minerai et sa première transformation (minéralurgie),

le recyclage des métaux ;

la fonderie (hauts-fourneaux et affinage) ;

la fabrication de produit brut par les laminoirs ;

la transformation des produits bruts en produits semis-finis ;

la fabrication de matériel et de produits finis pour l'industrie, le bâtiment et le transport.

Trois spécialités

Les fondeurs d'art.

L'industrie de la métallurgie s'est organisée en trois spécialités principales. Chacune demande une spécialisation différente des deux autres. Il y a, d'une part, la métallurgie du fer et, d'autre part, celle des métaux non ferreux, lesquels se divisent en métaux précieux, comme l'or, et non-précieux, comme l'aluminium :

la production d'acier et des alliages ferreux (sidérurgie) ;

la production des métaux non ferreux et non précieux ;

la production des métaux précieux.

L'avenir de la métallurgie

De nombreux centres de décision (recherche et fabrication) de la métallurgie sont devenus internationaux au fil du temps. L'éloignement géographique et intellectuel entre les centres de décision, de fabrication et de recherche qui en résulte, fait que bien souvent la compétence de la métallurgie se perd en Europe, tant en recherche qu'en activité industrielle : un effort universitaire qui s'émiette, un enseignement qui s'affaisse, des jeunes chercheurs et ingénieurs qui font défaut.

Techniques

Fonte pleine à la cire perdue

La fonte pleine à la cire perdue est une technique issue du Proche-Orient antique.

Tout d'abord, on réalise en cire la forme exacte de ce qu'on veut obtenir par la suite. On réalise cette forme sans noyau interne, tout en prévoyant des conduits d'évents. Sur cette forme, on applique un lait d'argile, pour en prendre très précisément l'empreinte. Les couches successives d'argile sont de plus en plus chargées en dégraissant végétal afin de résister à de fortes températures. Une fois l'argile sèche, on pratique ensuite, un décirage en faisant chauffer doucement l'ensemble pour évacuer toute la cire. Si cette opération n'est pas bien pratiquée, les résidus de cire pouvant entrer en contact avec le métal en fusion risquent de faire exploser le moule. Une fois le moule refroidi et vide, on verse le métal en fusion par l'attaque du moule. Il suffira ensuite de casser le moule en terre cuite pour récupérer la forme. Cette pièce devra être retravaillée (enlèvement des évents, polissage, reprise à froid, etc.) pour obtenir la forme finale.

Fonte en creux à la cire perdue

La fonte en creux à la cire perdue est une technique issue du Proche-Orient antique.

La technique est la même que la fonte pleine à la cire perdue, mais la forme en cire est, cette fois-ci, formée autour d'un noyau. De plus, lors de la formation de la chape d'argile, il faut prévoir des clous distanciateurs pour maintenir le noyau lorsque la cire est évacuée.

Fonte à la cire perdue sur négatif

Pour cette technique, on fabrique d'abord un modèle en argile de l’œuvre qu'on veut obtenir en métal. On forme ensuite, un moule par dessus avant de récupérer le modèle en ouvrant ce moule. On en nappe l'intérieur de cire liquide (par application au pinceau par exemple.) ou de cire appliquée aux doigts. On place alors le noyau (maintenu par des clous distanciateurs) dans le moule avant de le refermer. Le moule est chauffé pour évacuer la cire, puis, le métal y est coulé. Une fois l'ensemble refroidi, on récupère l'objet fini avant de le retravailler, si nécessaire.

On peut découper le modèle originale en plusieurs morceaux qui seront ensuite, fondus à part si l’œuvre est trop grande pour être travaillée d'un seul coup.

Emboutissage

Cette technique se pratique, dans l'Antiquité proche-orientale, à l'aide d'un marteau couvert d'une pièce de cuir. Le lingot de métal plat est travaillé par percussion jusqu'à obtention de la forme désirée.

Granulation

On coupe d'abord un fil de métal en petits éléments, qu'on dépose sur un support très chaud. Ils vont alors se rétracter et former des petites billes. On fixe ces petites billes par un adhésif (sel cuivre, colle de farine, peau de poisson, etc.) et auto-adhésion.

Fonte en moule segmenté

Cette technique est une technique propre aux bronziers chinois. On la retrouve importée au Japon.

On réalise l'exacte réplique du vase que l'on veut réaliser en bronze, mais en argile, forme et détails compris. On laisse sécher ou on cuit le vase d'argile, sur lequel on dépose des bandes d'argile fraîche pour prendre la forme globale et les motifs. Une fois sèches, on enlève ces bandes, obtenant ainsi, des sections indépendantes de vase, qu'on cuit ensuite. On ponce le vase-modèle en argile pour obtenir un noyau de forme plus petite et vierge de décor lisse. Sur ce noyau, on place les sections d'argile cuites avec un système d’espacement, de canaux de coulée et de canaux d'évents. Une fois le bronze coulé et refroidi, on casse les parties en argile avec un maillet. On reprend les détails à froid et on ajoute des éléments coulés séparément si nécessaire.

Avec cette technique, on peut choisir d'incruster des éléments métalliques en plaçant des feuilles de métal, de cuivre rouge par exemple, dans les rainures des segments de moule. Au contact du bronze en fusion, le métal va fondre et s'unir à lui.

格奥尔格·阿格里科拉，《论矿冶》（De re metallica）一书的作者，此著作被誉为西方冶金学的开山之作

冶金学（Metallurgy）属于材料科学，是研究从矿石中提取金属，并用各种加工方法制成具有一定性能的金属材料的学科。冶金学也研究金属、金属互化物或其混合物（称为合金）的物理及化学特性。冶金学也是一门金属的技术，有关金属制造的科学，也和金属零件的工程特性有关。金属的制造包括从矿石中提炼金属，以及金属混合物（或金属和其他元素的混合物）以制造合金。冶金学和金属加工的工艺不同，不过金属加工和冶金学有关，正如随着技术的发展，医学和医学科学有关一样。

冶金学可以分为钢铁冶金学（有时也称为黑色冶金学）及非铁金属冶金学（有时也称为有色金属冶金学）。钢铁冶金学是有关铁的合金及其制造，而非铁金属冶金学是以不含铁的合金及其制造为主，世界上的金属生产中，铁、钴、镍及其有关合金的黑色金属占了95%

英文本根及发音

冶金学的英文Metallurgy原来是自炼金术中的词语，是指由矿石中提取金属，后缀的-urgy表示是过程或制程。此词语曾在1797年的《大英百科全书》提到过，在19世纪末变为有关金属、合金及相关制程的科学研究。英文的字根来自古希腊的μεταλλουργός, metallourgós, "金属工人"，变成μέταλλον, métallon, "金属" + ἔργον, érgon, "加工"。在英文中，/meˈtælədʒi/的发音在英国及大英国协较普遍，/ˈmetələrdʒi/在美国比较普遍。

发展史

底比斯的金头饰，约在西元前750至700年 史前时代已能冶炼并使用青铜、铜、金、银、铁、铅、锡等金属。最早冶炼的金属应该是在自然界以元素态存在的金，一个旧石器时代末期的西班牙洞穴时有发现少量的元素态金，时间约在西元前40,000年。而银、铜、锡及陨铁也会以自然金属存在，配合早期文化中的金属加工即可使用。西元前三千年埃及的武器即以陨铁制成，当时誉为「天上来的匕首」 。 像锡、铅及铜等金属，只要将矿石加热即可得到其金属（铜需要的温度可能要再高一些），这种冶炼方式称为熔炼。最早用熔炼方式冶炼金属的证据是西元前五千年至六千年之间，在塞尔维亚马伊丹佩克、Pločnik及Yarmovac的考古遗址中找到。到目前为止，最早的铜熔炼是在巴尔干半岛的Belovode，发现一个西元前5500年温查文明的铜斧。其他早期熔炼金属的文明约在西元前三千年，在葡萄牙的Palmela、西班牙的Los Millares、英国的巨石阵。不过如同其他史前的研究一様，因为仍可能有新的发现，可能还会有更早期的证据出现。 古中东的采矿区域，颜色：砷用棕色表示，锡用灰色表示，铜用红色表示，铁用红棕色表示，金用黄色表示，银用白色表示，铅用黑色表示，黄色区域表示砷青铜，灰色区域表示正常含锡的青铜。 上述发现的金属都不是合金，约在西元前3500年发现铜和锡混合后会产生性能更好的青铜合金，这也是重大的技术提升，开始了青铜时代。 铁的冶炼要比铜或锡要困难很多，冶炼方式可能是赫梯人在西元前1200年发明的，开始了铁器时代，铁的冶炼及加工的秘密是非利士人成功的秘诀之一。 许多不同的文化及文明也有炼铁的技术，像是古代及中古时中东及近东的王国、古伊朗、古埃及、古努比亚、安那托利亚（今土耳其）、古诺克、迦太基、古欧洲的希腊及罗马、中古时期的欧洲、中国、印度、日本等地。许多冶金学的应用、实务及工具都是古中国发明的，例如高炉、铸铁、水力杵锤以及双作用活塞风箱。 欧洲约西元前一千年开始制铁。最早使用的炼铁炉为空气式炉或用土石堆砌的熔铁炉（Low Shaft Furnace）、锻铁炉。将洗净的矿石与木炭一起放入炉中点火熔炼，利用自然气流或人力风箱供应氧气，炉里产生一氧化碳将铁矿还原成铁，所得之产品再以人力捶打除去残渣。后来利用水车带动风箱，氧气供给量增加，所以炉身与炉的截面积也可以加高，可装入更多矿石及木炭，得到更大的铁碇，由于超过人力捶打加工的限度，也以水力取代人力。由此锻铁炉慢慢发展成高炉（Blast Furnace）。 随着高炉的增加，木炭便发生短缺的现象，即开始尝试以煤取代木炭，至十八世纪中，英国人成功将煤炭炼成焦炭，此后炉温增加而使产量增加。蒸气机出现后，被用来驱动鼓风机，使鼓风量增大而使炉温上升，产量也大幅增加。 十六世纪时格奥尔格·阿格里科拉的《论矿冶》（De re metallica）描述了当时高度发展的采矿、金属提取及冶金学等知识，被誉为「冶金学之父」。

金属提取

中国元朝用水车带动的鼓风炉 斯洛伐克中部，赫龙河畔日亚尔的铝工厂 提取冶金学是由矿石中提出有价值的金属，且处理成纯度较高的金属。为了要从金属的氧化物或硫化物中提取金属，可能会用还原、电解或其他化学方式处理矿石。 提取冶金学主要关注的是冶金给料、浓缩物（有价值的金属氧化物或硫化物）及尾矿。在开采后，大颗的矿石会粉碎为小的颗粒，每个颗粒可能是浓缩物或是废弃的尾矿。后续再利用其他方式将颗粒中的浓缩物及尾矿分开。 若矿石及自然环境许可，可以用沥滤法取代矿石开采。沥滤法会将矿石中的矿物质溶解在溶液中，再收集溶液，萃取要有价值的金属。 有时矿石中会包含一种以上的有价值金属。因此尾矿可以再用来提出其他金属。有时取得的浓缩物中含有多种金属，因此需再将不同金属成份再作分离。

合金

青铜的铸造 工程常用的金属包括铝、铬、铜、铁、镁、镍、钛及锌等，这些金属也常常用来制作合金。合金的相关研究主要是在铁碳的合金系统，其中包括钢及铸铁。一般的碳钢适用于低成本、高强度，且不需考虑重量及腐蚀问题的应用。延性铸铁也是铁碳合金系统的一部份。 若是需要抗腐蚀的应用，一般会使用不锈钢或是热浸镀锌处理的钢。若要求高比强度时，会使用铝合金或镁合金。 若是高腐蚀性环境，且不需要有磁性的场合，会使用铜镍合金，例如蒙乃尔合金。镍基的高温合金（如镍铬铁合金）会用在像涡轮增压器、压力容器及换热器等需耐高温应用中。非常高温的应用为了使潜变减到最低，会使用单晶材料合金。

制造

金属铸造：将熔融的金属倒入特定形状的模具中再冷却。

锻造：利用压力使钢坯成形。

剪切成形

轧制：将钢坯送进一连串间距逐渐变小的轧轮，加工为金属片的进程。

雷射熔覆：用可移动的雷射束（如装在工具机的轴上）加热金属粉末，熔化的金属粉末碰到基座，形成金属池，当雷射头移除后，可以堆叠工件，组成三维的工件。

挤制：热的可塑性金属借由压力挤入模具中，在其冷却前成形。

烧结：金属粉末先注入模具中，再在非氧化的环境下加热，使其成形的过程。

机械加工：利用车床、铣床及电钻对固体金属件的加工。

微观结构

金相学可观察金属的微观结构 金相学是研究金属的微观结构及巨观结构的学科，是由英国冶金学家亨利·克利夫顿·索尔比开创。在金相学中，待测的试様平放并且抛光至镜面的程度，再加入蚀刻液蚀刻，以显露其结构。试様一般会用光学显微镜或电子显微镜观察，图像的对比度可以提供其成份、机械性质及所作过的处理。 现在的冶金学也常利用晶体学的X射线衍射或电子衍射来识别未知的材料，并了解试様的晶体结构。量化晶体学可计算试様中存在不同相的个数，也可以计算其应变的程度。

分支学科

提取冶金学

物理冶金学

冶金工程

考古冶金学

羰基冶金学

实验考古冶金学