CHAPITRE IV

Des Métaux.

Le euivre étant d'une nature moins réfractaire, d’une fusion plus facile et d’une manipulation moins pénible que le fer, a été employé avant ce dernier; les armes les plus anciennes sont en cuivre. Cependant , comme les entrailles de la terre renferment une bien plus grande quantité de fer que de cuivre, on a fini par donner la préférence au premier pour les ouvrages les plus usuels , d’autant plus qu’il présente plus de dureté et de force. Le cuivre , augmentant de pris au fur et à mesure que son usage devenait moins fréquent, fut réservé, dans les constructions, pour les objets de luxe.

La force et la dureté du fér, jointes à sa flexibilité et à son élasticité , le rendent trèsutile et quelquefois indispensable : mais un défaut capital contre-balance scs excellentes qualités ; c’est la grande facilité avec laquelle il a'oxide, c’est-à-dire qu’il se rouille, et se décompose à l’air et à l’humidité. L’oxidation du fer a été la cause de la dégradation et tpème de la ruine de plusieurs édifices ; car souvent elle a eu assez de vigueur pour faire éclater et pour décomposer les pierres. Le plâtre et le soufre favorisent singulièrement l’oxidation du fer; voilà pourquoi il faut éviter autant que l’on peut d’employer ces substances [mur sceller les pièces de fer qui entrent dans les constructions.

Muschenbroeck a fait l’observation remarquable qu’un morceau de fer, placé dans un vase rempli d’eau pure et bien bouché, ne contracte pas de rouille. On a remarqué que le mortier s'oppose à l’oxidation du fer qu'il enveloppe entièrement , et que les surfaces du fer qui ont éprouvé l’action de la lime se rouillent moins aisément que celles qui ne sont que forgées. ,

11 faut , en général , éviter, dans tous les édifices auxquels on veut donner une longue durée , d’employer le fer partout où il ne peut être parfaitement mis à l’abri des atteintes de l'air et de l’humidité.

Le constructeur emploie le fer dans l’état de fonte et dans celui de fer forgé. Le caractère distinctif de la fonte est d’étre dure et fragile, de n’obéir ni au marteau, ni à la filière , ni à la lime, ni au burin, et d'avoir une contexture grenue. Le fer forgé, au contraire, est flexible, malléable, ductile, et sa contexture est fibreuse.

On distingue dans les arts quatre espèces de fontes;

l°La fonte blanche. Elle contient peu de carbone, elle a beaucoup de dureté et de fragilité: sa cassure est d'un blane argenté; elle a plus d'aptitude que les autres espèces à devenir fer forgé.

2° La fonte grise. Elle a une plus grande dose de carbone; sa cassure présente une teinte plombée; elle est moins dure et moins fragile, et n’est point dépourvue d'un certain degré de ténacité et de ductilité ; mais elle est moius propre à l'affinage que la foute blanche.

5* La fonte mêlée , ayant des qualités intermédiaires entre les deux autres, est ordinairement préférée dans les constructions ; elle est propre à être convertie en fer forgé.

. La fonte noire, contenant une forte dose de carbone, présente une cassure noirâtre et d'un grain fin; elle est douce, mais dépourvue de force.

.•On distingue le fer forgé en trois espèces :

là DES MÉTAUX.

1* Le fer flous: ;i une grande ténacité, qui le rend préférable aux mitres espèces, et il est ductile à chaud et à froid. Sa cassure a une teinte plombée et présente (en fort échantillon) peu de nerf et beaucoup de grain; cassé en petit échantillon, il parait au contraire tout nerf.

2“ Le fer cassant ci fro'uf n'est ductile qu’à chaud ; il a plus de dureté, mais moins de ténacité que le fer doux; il se soude aisément; la cassure est d'un blanc argentin, à petites facettes, cl ne montre point de filets nerveux.

3" Le fer cassant à chaud, que l'on nomme aussi fer cuivreux et fer rouvram, a le défaut de ne pouvoir être soudé ; il a d'ailleurs beaucoup d'analogie avec le fer doux.

Le fer peut être défectueux soit par la qualité de la mine, ainsi que le sont les deux dernières espèces que nous venons de citer, soit par sa fabrication; parmi les débuts qu’elle produit, on distingue :

La doublure. C'est le manque de prise, ou une lacune dans une soudure d'un fer qui a été mal corroyé.

Les cendrures. Ce sont des matières étrangères interposées dans le fer: ce vice ne nuit pas à sa solidité , mais il dépare l'ouvrage.

Les criques sont des fentes transversales provenant de l'effet du martinet.

Les pailles sont de petites doublures qui occupent peu d’espace et qui se trouvent à la superficie de fer.

Le travers. C'est une solution de continuité dans sa contexture, qui sc trouve dans le sens de la largeur de la barre.

En comparant les expériences faites sur le fer forgé par Muschettbroeck , Polcni, ltennie, nantis , Te/fort, Broun, Sikingen, Buffnn , Perronet et Texier de Norbec, et prenant la moyenne entre tous les résultats qu'ils ont obtenus , l'on trouve :

1° Qu’un fer carré, tiré dans le sens de sa longueur, peut supporter, avant de se rompre, le poids de 4b kilogrammes par millimètre carré, ou 360 livres par ligne carrée;

2* Qu’un fer rond, tiré également dans le sens de sa longueur, peut supporter, avant de se rompre , le poids de 4(i kilogrammes par millimètre carié, ou 368 livres par ligne carrée.

Il est évident que la qualité du fer, sa contexture, les modifications que l'affinage lui bit éprouver, doivent produire de grandes variations dans la force de ce métal. Des expériences faites par M. Rondelet lui ont indiqué: 1” que les fers qui ne sont pas forgés ont plus de force en raison de ce que leur grain est plus fin; 2* que celui à paillette ou à gros grain n'a que la moitié de la force de celui qui a le grain fin ; 3* que ces fers acquièrent plus de force en les forgeant; 4” que les fers résistent par leur fermeté à l'effort du marteau en raison de leur épaisseur; 5" que leur force va en diminuant depuis la surface jusqu’au centre, d'oii il résulte que, dans les fers forgés , leur force comparative doit augmenter en raison directe de leur surface et en raison inverse de leur épaisseur; 6* la force du fer que l’opération de la forge a réduit tout en nerf, est quatre fois plus grande que celle du fer à paillette ou à gros grain , trois fois plus grande que celle du fer dont le grain est moyen , et deux fois plus grande que celle du fer dont le grain est fin.

Rondelet a remarqué que l'effort du marteau , pour réduire le fer en nerf, ne pénètre pas dans les gros fers carrés plus d'une demi-ligne, et dans les petits ouïes fers mi-plats, à plus de 2 lignes; de sorte que les fers tout nerf les mieux forgés ne passent pas 3 ou 4 lignes d’épaisseur. «Les Italiens, qui ont reconnu cette propriété des fers minces, dit ce savant constructeur, s’en servent avec succès pour réunir et fortifier les bois ertrè-

mcmcnt légers, don! ils forment des échafauds , qui étonnent par leur hardiesse et leur solidité.» Par celte même raison, les fers mi-plats sont plus forts (pic les fers carrés.

M. Texier de Norbcc a fait cunnaltrc les résultats des expériences faites aux forges de Saint-Gervais, qui nous apprennent que le fer de fonte n'a pas à beaucoup près la même ténacité que le fer forgé, lin barreau de fonte de 4 lignes de côté n'a porté que 1,650 livres, tandis qu'un barreau de fer forgé de même dimension a porté 11,567.

Les tables de M. Texier de Norbcc font aussi connaître la grande différence qui existe entre les résultats de résistance des fers forgés entre eux; différences qui établissent combien l'opération de l'affinage a d'influence sur la force des fers.

Rondelet a reconnu que la force de la fonte douce est double de celle de la fonte grise , et que la force du bois de ebéne est à peu près la moitié de celle de la fonte grise, et le quart de celle de la fonte douce, lorsque ces fontes sont bien pleines et sans soufflures ; mais quand il y en a , elles se trouvent souvent moins fortes que les barres de bois de chêne à dimension et à positions égales.

Nous avons déjà indiqué le résultat des expériences de Robertson-Buchanan , qui établissent que le rapport moyen entre la résistance horizontale du ebéne à la rupture cl celle de la fonte est et ,4; celui entre le sapin et la fonte.

L'ouvrage de M. Duleau , intitulé Estai théorique et pratique sur la résistance du , fer forgé , renferme une suite d’expériences aussi importantes et aussi utiles qu'elles sont nombreuses. Cet habile ingénieur a pensé, avec raison , que, pour rendre les résultats de ces expériences applicables à la pratique , il convenait d'évaluer la résistance du fer forgé, par des poids qui ne produisent que de légères inflexions, parce qu’un changement de forme trop considérable compromettrait la solidité des constructions, dont le fèr est destiné à réunir les diverses parties.

Les expériences ont été faites :

1“ Sur des barres de fer forgé , chargées horizontalement de poids trop faibles pour altérer leur élasticité, comme le sont les poutres dans les planchers en charpente.

2* Sur les mêmes barres chargées verticalement , et résistant comme colonnes ou supports verticaux.

3* Sur des systèmes de pièces en fèr, liées entre elles de différentes manières, afin d'augmenter par là leur résistance.

4“ Sur une pièce cintrée naturellement et posée entre deux appuis Axes, line arche en fer forgé pourrait , si la liaison de ses diverses parties était parfaite , être considérée comme d'une seide pièce, et résisterait à la manière de l'arc soumis aux expériences.

5* Sur les barres soumises à une force de torsion trop faible pour altérer leur élasticité, emploi qq'elles sont destinées à remplir dans quelques machines.

Voici les principaux résultats que M. Duleau a déduits de ses belles expériences :

1* Une barre en fer forgé , tirée ou pressée, ne perd pas son élasticité, tant que le poids qui agit sur elle n'excède pas 6 kilogrammes par millimètre carré de section , ou 48 livres par ligne carrée.

2° Lorsqu’une barre est placée horizontalement, par scs extrémités, sur deux appuis!, les flèches, produites par des poids mis au milieu de la barre, sont proportionnelles à ces poids , tant qu’ils sont peu considérables.

3" Pour deux barres rectangulaires, de dimensions différentes , les flèches, sous un même poids, sont en raison directe des cubes des longueurs, et inverse des largeurs et des cubes des épaisseurs ( en nommant épaisseur la dimension placée verticalement ). Pour une barre de 2 mètres de longueur, 0”,10 de largueur et 0",01 d’épaisseur, la flèche sous 10 kilogrammes est 0",01 . Cet énoncé équivaut à la formule qui suit :

f , L, l et Sj sont la flèche , la longueur , la largeur et l'épaisseur de la barre exprimées en millimètres, et C le poids mis au milieu exprimé en kilogrammes.

4’ La flèche la plus grande qu’on puisse faire prendre à une barre de fer sans altérer son élasticité, est en raison directe du carré de sa longueur, et inverse de l’épaisseur. Lorsque la longueur est 2 mètres et l'épaisseur 0",GI , cette flèche est O 1 ", 02. Cet énoncé est remplacé par la formule

Cette loi s'applique également aux barres rondes , aux systèmes composés de plusieurs pièces écartées et liées entre elles, et aux tuyaux creux, ronds et carrés, en remplaçant e par la dimension verticale la plus forte.

5“ La résistance d’une barre ronde est en raison inverse du cube de sa longueur et directe de la quatrième puissance du diamètre. Pour une barre ayant une longueur de 2 mètres et un diamètre de 0",02, la flèche , sons 10 kilogrammes , est 0,01061 . Cet énoncé équivaut à la formule

G» La flèche duc au poids seul d’une barre, ou à un poids réparti uniformément sur sa longueur , n’est que les \ de celle que produirait le même poids mis au milieu.

7“ Lorsqu’une barre, placée horizontalement, est encastrée par un bout et porte à l’autre un poids , l’abaissement de l’extrémité chargée est égal à la flèche que produirait un poids double, mis au milieu d’une barre de même largeur et épaisseur, et de longueur double, posée par ses deux extrémités sur des appuis.

8° La flèche duc au seul poids d'une barre horizontale encastrée par un bout ou à un poids réparti uniformément sur sa longueur , est égale aux j de celle que produirait le même poids mis à l’extrémité libre.

9° Une barre carrée, dont les arêtes seraient vives, résiste autant dans le plan des deux arêtes opposées que dans celui d’une des faces.

10“ Lorsqu'une barre, placée horizontalement sur deux appuis, a ses extrémités encastrées, ou ayant une direction invariable, mais de manière à ce que les extrémités puissent se rapprocher librement l’une de l’autre , l’abaissement produit par un poids mis au milieu de la barre , est égal à ’ de celui qui aurait lieu si les extrémités de la barre étaient libres.

11" Une barre rectangulaire , pressée debout, résiste jusqu’à ce que le poids qui la lIMSO I

comprime ait atteint la valeur P = : — L’~ ’ I K> ' < * S ** détermine la pièce à prendre

une courbure sur la dimension la plus mince, et sur le champ la pièce se plie en deux. Ce poids est , comme on le voit, proportionnel à la largeur et au cube de l’épaisseur, et en raison inverse du carré de la longueur. Pour une barre carrée d’un mètre de longueur , et de 0“.01 de côté, ce poids est 1G1 kilogrammes et demi.

12" Le poids qui fait plier une barre ronde en la pressant debout, est P = — ‘

Ce poids est, comme on le voit, en raison directe de la quatrième puissance du diamètre, et inverse du carré de sa longueur. Pour une barre d’un mètre de longueur et de 0”, 01 de diamètre, ce poids est 9G kilogrammes 805 millièmes.

13° Une pièce carrée, pressée debout, plie indifféremment, de manière à ce que le plan de la courbe passe par deux arêtes , ou soit parallèle à l'une des faces.

14" Lorsqu'une pièce, pressée debout, a l'une de ses extrémités encastrée, et que l'autre ne peut se mouvoir que suivant la droite qui joint les deux bouts, le poids qui la fait plier est égal aux £ de celui qui serait nécessaire, si la pièce n'était pas encastrée.

15" Lorsque les deux extrémités sont encastrées, le poids qui fait plier la pièce, en la pressant debout, est quatre fois plus fort que lorsqu'elles ne le sont pas.

16" Lorsqu’une pièce, pressée debout, est soutenue dans son milieu, elle se courbe en forme de S, et le poids qui la fait plier est quatre fois plus fort que si la pièce était tout à fait libre.

17" Lorsque deux pièces rectangulaires, de dimensions égales, sont liées entre elles do manière a être séparées par un intervalle, et que la liaison est parfaite, c’est-à-dire que les pièces ne peuvent ni s'écarter, ni glisser l'une par rapport à l'autre, la résistance du système dans le plan qui coupe les deux pièces est à celle du même système supposé plein comme E 1 — e' est à E 5 , E étant l'épaisseur totale, et e celle du vide, pourvu cependant que le système ne puisse plier que dans le plan qui coupe les deux pièces.

18" La résistance d'un tuyau creux, rond ou carré, est à celle du même tuyau plein comme D‘ — d‘ est à B 4 , I) et d étant les diamètres ou les cotés extérieur et intérieur du tuyau.

19“ Lorsqu’on met une charge au milieu d'un arc uniformément épais et large, de peu de courbure, et dunt les extrémités sont posées contre des appuis invariables, le tiers du milieu s'aplatit, elles deux autres deviennent plus convexes; l'abaissement du point chargé est environ égal ( lorsque les poids sont peu considérables ) à la flèche duc aux poids comprimants pour le tiers de l'arc.

20° Lorsque le tiers milieu de l'arc devient droit, ce qui a lieu sous trois fois le poids correspondant b la flèche primitive de l’arc entier, celui-ci fléchit en sens contraire.

21° Lorsqu'on met un poids de chaque côté de l'arc, au milieu des tiers extrêmes, ces portions s'aplatissent, et le tiers milieu devient convexe. L'arc entier fléchit eufin lorsque chacun des tiers extrêmes devient droit, ce qui a beu sous trois fois le poids corrcspon. daut à b flèche primitive de l'arc entier.

22" Le point le plus défavorable où puisse être chargé un arc, est au quart de sa longueur, à partir d’une de scs extrémités: la flèche de la moitié non chargée augmente, et celle de l’autre diminue d'une quantité à peu près égale, pour des poids peu considérables, à la flèche due au poids comprimant pour la moitié de l'arc total ; enfin, la moitié chargée s'aplatit tout à fait, et détermine l'inflexion de l'arc total en sens contraire, sous deux fois 1e poids correspondant à la flèche primitive.

23" Lorsqu'un poids leud à faire tordre une barre ronde, l'arc de torsion est donné par la formule 11,33. Grf‘ = LES; G étant cet arc exprimé en degrés, d et L le diamètre et la longueur de la pièce, S le bras de levier du poids mis à l'extrémité, exprimés en mètres, et K. ce poids exprimé en kilogrammes.

24' Pour un tuyau creux cylindrique, il faut, dans celte formule, remplacer d‘ par D‘ — d 1 , U et d étant les diamètres extérieur et intérieur.

25" Pour une pièce carrée, la formule est 16 Gc‘=LKS, c étant le côté du carré exprimé en millimètres.

26° Pour uu tuyau creux de forme carrée, il faut, dans cette formule, remplacer c‘ par C* — c*, C et c élaul les côtés des carrés extérieur et intérieur.

Le poids spécifique moyen du fer est de 547 livres le pied cube; mais cette pesanteur varie eu raison du plus ou moins de pureté, cl de son étal uu de fonte ou de fer forgé.

Ce métal exige, pour se fondre, un degré de chaleur très-élevé, qui correspond au 166" degré du pyromètre de Weedgwood, ou au 9280 du thermomètre de Réaumur.

La fonte de fer est employée, dans les constructions, pour former des bornes, des tuyaux, des plaques de cheminées et quelques ornements volumineux, qui exigent plus de solidité que de finesse. Depuis quelques années, les Russes ont mis en usage la fonte de fer pour former des colonnes et des entablements. On voit à Pétersbourg et à Moscou quelques monuments décorés d'ordres d’architecture de grandes dimensions en fonte. Les arches de plusieurs ponts en Angleterre et en France sont formées par des voussoirs en fonte, qui ont la forme de châssis à jour, assemblés par des boulons en fer forgé, et entre lesquels on a inséré des lames de cuivre susceptibles de céder à la pression et de remplir les inégalités de la fonte. Telles sont les arches du pont du Jardin du Roi à Paris.

La ténacité et la force du fer forgé en rendent l'emploi très-fréquent dans les constructions, pour relier et soutenir les parties faibles, surtout quand elles ont à éprouver de fortes poussées.

Les grosses barres de fer nommées ancre s et tirant s, dont on affermit les murailles et les supports (si elles ne sont inutiles), sont un indice certain que ces murailles ou ces supports manquent de solidité, soit parce que leur construction est vicieuse , soit parce que leurs dimensions sont insuffisantes. Ainsi , un architecte qui en fait usage dans uu édifice nouveau, confesse publiquement que son plan est ou mal combiné , ou mal proportionné, ou mal exécuté.

Vignole, courroucé contre les constructeurs de son temps, qui , comme on le pratique encore, faisaient un emploi abusif des ancre s et des tirants en fer, s’écriait souvent qu e le fabbricht non si hanno da reggcrc colle stringhe. 11 voulait dire qu’un édifice solide doit se soutenir par lui-méme, sans le secours des barres de fer, lesquelles devraient être réservées pour les vieux édifices qui donnent des signes de caducité.

On ne voit point dans les édifices antiques qu'aucune de leurs parties ait été reliée originairement par de barres de fer. Les anciens , sachant combien ce métal est exposé h l'oxidation, ont même évité d’en faire usage, pour former les crampons et les goujons qui unissaient les pierres de taille des murs et des voûtes. Ils se sont servis, à cet effet , du bronze, quoique plus coûteux, ou bien de bois dur, ou même d'ossements d'animaux. Le bronze était aussi employé lorsqu'ils voulaient former des charpentes métalliques pour les combles ou pour les planchers. Le toit du portique du Panthéon romain était autrefois soutenu par des poutres en bronze, qui avaient la forme d’un canal recreusé. La voûte plane d’une des grandes salles des thermes de Caracalla, à Rome, était supportée par des barres de bronze, ainsi que Spartien le dit dans la vie d'Antonin Caracalla : Reliquit Thermos nominis nui eximias, quorum cellam sotearem architecti negant poste ulla 'imitations qua facta est fieri. iï'am et ex ære vel cupro cancel/i superpositi esse dicuntur ,quibu$ cameratio Iota concredita est;et tantum est spath ut idipsum fieri negent /mtuisse docti mechanici.

Les constructeurs français ont souvent adopté le fer pour former les voûtes et les planchers ; on voit à Paris de très-beaux ouvrages de ce genre, parmi lesquels on distingue la voûte sphérique de la Halle -aux-Blés , le comble du Théâtre-Français et du grand salon au Musée ; la charpente du comble de la Bourse sera également en fer. Ce mode de construction, qui jouit de l'avantage précieux de l'incombustibilité, exige des précautions, soit pour s'opposer à l’oxidation du fer, soit pour éviter les mauvais effets de la dilatation et de la contraction que ce métal éprouve nécessairement par l'effet de la chaleur et du froid.

Lavoisier et Laplace ont trouvé qu’une verge de fer fondu s'allonge , depuis la tempe-