Nous continuons à passer en revue certains des matériaux les plus importants dans le traitement thermique et la métallurgie.
Cuivre (symbole chimique : Cu)
Le cuivre est un métal mou, malléable et ductile avec une conductivité thermique et électrique très élevée. Le cuivre pur a une couleur rouge-orange (Fig. 1) et devient vert-bleu vif lorsqu’il est oxydé (Fig. 2).
Le cuivre est l’un des éléments les plus importants de l’histoire de la métallurgie. Il a été le premier métal à être utilisé par les humains. Le cuivre a été fondu à partir du minerai vers 5000 avant J.-C., coulé en formes vers 4000 avant J.-C. et a été le premier métal à être allié à l’étain pour créer le bronze en 3500 avant J.-C., marquant le début de l’âge du bronze.
Les Égyptiens l’ont utilisé pour fabriquer des outils agricoles tels que des houes et des faucilles, ainsi que des ustensiles de cuisine, des plats et des outils d’artisans tels que des scies, des ciseaux et des couteaux. Les Égyptiens fabriquaient également des miroirs et des rasoirs en cuivre et produisaient du maquillage vert et bleu à partir de la malachite et de l’azurite, deux composés du cuivre aux couleurs vertes et bleues brillantes.
Les Romains l’utilisaient abondamment pour la monnaie et l’ornementation architecturale. À un moment donné, les Romains produisaient près de 17 000 tonnes de cuivre par an, plus que ce qui serait produit à nouveau jusqu’à la révolution industrielle en Europe.
Dans la métallurgie moderne, le cuivre, en tant qu’agent d’alliage, améliore la résistance à la corrosion de certains acides et favorise une microstructure austénitique. Il peut également être ajouté pour diminuer l’écrouissage de l’acier inoxydable afin d’améliorer l’usinabilité et la formabilité. La haute conductivité électrique et thermique du cuivre résulte de sa structure atomique. Dans le réseau des atomes de cuivre, un nuage d’électrons libres est disponible pour le transfert du courant électrique. Ce même nuage d’électrons favorise également le transfert efficace de l’énergie thermique. L’atome de cuivre est assez semblable à un atome d’or ou d’argent qui, avec le cuivre, constituent un groupe dans le tableau périodique des éléments.
Le cuivre est essentiel à tous les organismes vivants en tant qu’oligo-élément. Chez l’homme, le cuivre se trouve principalement dans le foie, les muscles et les os, et le corps adulte contient entre 1,4 et 2,1 mg de cuivre par kilogramme de poids corporel. Un humain en bonne santé pesant 60 kg contient environ 0,1 g de cuivre. Chez les mollusques et les crustacés, le cuivre est un constituant du pigment sanguin, l’hémocyanine, remplacé par l’hémoglobine complexée par du fer chez les poissons et autres vertébrés. Cependant, cette petite quantité est essentielle au bien-être général de l’homme.
La maison moyenne contient 400 livres de cuivre qui est utilisé pour le câblage électrique, les tuyaux et les appareils. La voiture moyenne contient 50 livres de cuivre, et la Statue de la Liberté (Fig. 3) contient plus de 89 tonnes de cuivre. L’U.S. Geological Survey (USGS) estime que chaque Américain né en 2008 utilisera 1 309 livres de cuivre au cours de sa vie pour ses besoins, son mode de vie et sa santé.
Voici quelques faits importants sur le cuivre.
- Numéro atomique : 29
- Point de fusion : 1084,62°C
- Point d’ébullition : 2562°C
- Densité près de RT : 8,96 g/cm3
- Chaleur de fusion : 13,26 kJ/mole
- Chaleur de vaporisation : 300,4 kJ/mole
- Capacité thermique molaire : 24,440 J/mole-K
- Dilatation thermique à la température ambiante : 16.5 µm/(m-K)
- Conductivité thermique : 401 W/(m-K)
- Résistivité électrique à RT : 16,78 nΩ-m
- Module de Young : 110-128 GPa
- Module de cisaillement : 48 GPa
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