Types de structures cristallines : FCC, BCC et HCP expliqués

Introduction

Les structures cristallines définissent la manière dont les atomes s'agglutinent dans les métaux et autres matériaux solides. La disposition des atomes influe sur la résistance, la ductilité et de nombreuses autres propriétés essentielles.

Tableau des structures cristallines

Voici un tableau simple des trois principales structures cristallines:
- Cubique à faces centrées - Les atomes sont placés à chaque coin du cube et au centre de chaque face. Cette structure permet d'obtenir un facteur de tassement élevé.
- Cubique centré sur le corps - Les atomes sont placés aux huit coins et au centre du cube. Cette structure présente un facteur d'empaquetage plus faible que la structure cubique centrée sur la face.
- Hexagonal fermé - Les atomes forment des couches en forme d'hexagone. Une couche intermédiaire se trouve entre deux couches similaires. Cette structure est très compacte et solide.

Chaque structure présente ses propres avantages. Leurs différences sont importantes pour la résistance, la ductilité et la conductivité des matériaux. Dans l'utilisation quotidienne, un petit changement dans l'arrangement atomique peut modifier les performances d'un métal dans des applications réelles.

FCC, BCC et HCP

Les structures cubiques à faces centrées sont courantes dans les métaux comme le cuivre, l'aluminium et l'or. Leurs atomes se touchent le long des diagonales des faces. Cela leur confère une excellente ductilité et une déformation aisée sous contrainte. Les métaux qui utilisent cet arrangement présentent souvent une bonne résistance à la fatigue et à l'usure.

Les structures cubiques centrées sur le corps apparaissent dans des métaux tels que le fer (à température ambiante), le chrome et le tungstène. Dans ces structures, les atomes sont moins denses. Les atomes sont en contact les uns avec les autres le long des lignes centrales du cube. Par conséquent, ces matériaux présentent souvent une résistance élevée mais une ductilité plus faible que le type cubique à faces centrées. Ils peuvent être plus fragiles à froid.

Les structures hexagonales rapprochées se trouvent dans des métaux comme le magnésium, le titane et le zinc. Dans ce cas, les atomes s'arrangent pour former une couche en forme d'hexagone, puis se répètent sous une forme compacte. Ces arrangements confèrent aux métaux une grande résistance. Leurs systèmes de glissement peuvent être moins nombreux. Cela peut avoir une incidence sur la manière dont le métal se déforme sous l'effet d'une contrainte.

Chaque structure cristalline a son propre nombre de coordination et son propre facteur de tassement. Dans un cristal cubique à faces centrées, le nombre de coordination typique est de 12 avec un facteur de tassement d'environ 0,74. La structure cubique à corps centré présente un nombre de coordination de 8 avec un facteur d'empaquetage proche de 0,68. Le nombre de coordination de l'hexagone fermé est de 12 et le facteur d'empaquetage est similaire à celui de l'hexagone cubique centré. Ces nombres nous aident à comprendre les différences de propriétés physiques et de comportement mécanique.

De nombreux cas pratiques montrent chacun de ces arrangements en action. Par exemple, dans l'industrie automobile, les pièces en aluminium utilisent généralement l'arrangement cubique à faces centrées en raison de sa capacité à absorber les chocs. Dans la construction et la machinerie lourde, les métaux cubiques centrés sur le corps sont choisis pour les pièces qui nécessitent une grande résistance. Dans l'aérospatiale, le titane, avec sa structure hexagonale rapprochée, est utilisé dans les domaines nécessitant un métal à la fois léger et résistant.

Types de treillis Matériaux

Les matériaux dotés de différents types de treillis présentent des propriétés variées dans leur utilisation quotidienne. Le cuivre, métal cubique centré sur la face, est suffisamment souple pour être plié, mais suffisamment solide pour les câbles et les systèmes d'échange de chaleur. Le fer cubique centré sur le corps est utilisé dans la construction parce qu'il résiste à la déformation même sous de lourdes charges. Le magnésium, avec sa structure hexagonale compacte, est utilisé dans l'industrie aéronautique en raison de sa légèreté et de son meilleur rapport résistance/poids.

Lorsque l'on choisit un matériau pour un travail, il faut également tenir compte de la structure du treillis. La structure cubique centrée sur la face permet de fabriquer des composants qui doivent supporter des flexions répétées sans se fissurer. La structure cubique centrée sur le corps est privilégiée lorsque les pièces doivent être très résistantes aux chocs. La structure hexagonale serrée est choisie lorsqu'un matériau léger mais dur est nécessaire.

Les ingénieurs et les scientifiques utilisent ces observations pour adapter les propriétés des matériaux. Ils contrôlent la structure cristalline par le biais d'alliages et de traitements thermiques afin d'obtenir les résultats souhaités en matière de résistance, de ténacité ou de conduction électrique. Cette application pratique de la science des matériaux a guidé la conception de ponts, de bâtiments, de moteurs et même d'ustensiles de cuisine de tous les jours.

Conclusion

Comprendre les différences entre les arrangements cubiques à faces centrées, cubiques à corps centré, et hexagonaux à structure serrée aide à choisir le bon matériau pour une tâche spécifique. L'emplacement des atomes n'est pas un simple sujet de discussion. Il a une incidence sur la façon dont les métaux se plient, s'étirent ou résistent aux forces. J'espère que ce guide simple et convivial vous a donné une vision claire de ces types de réseaux importants. Gardez à l'esprit que même une petite modification de l'arrangement atomique peut entraîner des changements importants dans la façon dont les métaux se comportent. Ce bref aperçu devrait constituer un point de référence utile, que vous étudiiez les matériaux ou que vous travailliez avec eux sur le terrain.

Questions fréquemment posées

F : Quel est le principal avantage d'une structure cubique à faces centrées ?
Q : Elle offre une grande ductilité et une facilité de déformation sous contrainte.

F : Pourquoi une structure cubique centrée sur le corps présente-t-elle une ductilité plus faible ?
Q : Les atomes sont moins densément emballés, ce qui réduit la flexibilité sous l'impact.

F : Quels types d'applications utilisent les métaux hexagonaux à structure dense ?
Q : Ils sont courants dans l'aérospatiale et dans les applications légères à haute résistance.

Référence :

[1] Kumar Saxena, Sachin & Gaur, Vidit. (2022). Advances in Fatigue Prediction Techniques (Avancées dans les techniques de prédiction de la fatigue). 10.5772/intechopen.99361.