Définition et règles générales I définition








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titreDéfinition et règles générales I définition
date de publication02.05.2017
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Diagrammes d’équilibres binaires des alliages

Introduction :

  • Dans l’industrie, les matériaux utilisés sont rarement des corps purs ou des mélanges homogènes.

  • L’étude des mélanges hétérogènes (alliages) permet de prédire :

  • Leur structure

  • Leur composition

  • Leur répartition de phases en équilibre

  • Cette étude permet se fait en utilisant des RÈGLES qui régissent les équilibres formés.

  • L’application sur les alliages les plus utilisés dans l’industrie permet d’en déduire leurs propriétés.



  1. Définition et règles générales

I.1. Définition


Composant : c’est un corps pur chimiquement qui peut être simple (Fe, Ni, Cu, …) ou un corps composé de deux ou plusieurs éléments dans des proportions fixes (SiO2, Fe3C,…). Un composant est caractérisé par une température de fusion fixe.
Une phase : c’est une partie homogène d’un corps caractérisée par une structure (cubique, hexagonale, …) et par un arrangement atomique identique

  • Une phase peut être LIQUIDE si ces composants A et B sont parfaitement MISCIBLES.

  • Dans le cas contraire, A et B ne sont pas miscibles et forment 2 phases distinctes.


Constituant : c’est un composant d’un système biphasé

I.2. Règles des phases


Dans un système donné, il existe un nombre limité de variables que l’on peut choisir arbitrairement.

Ce nombre est donné par la REGLE DE GIBBS qui définit la variance








I.2.1. Variance réduite


Dans les équilibres (liquides-solides et solides-solides), l’influence de la pression est négligeable. Dans ce cas, l’expression de la variance change en donnant une variance réduite :







I.3. Les alliages

I.3.1. Définition


Un alliage est un mélange entre 1 METAL et un ou plusieurs autres métaux ou non métaux.

  • Selon le nombre de composants on peut avoir des alliages BINAIRES (2), TERNAIRES (3), QUATERNAIRES (4), …

  • Selon les éléments du tableau périodiques, on peut obtenir un maximum de près de 80 possibilités d’Alliages.

  • 3 000 alliages binaires possibles

  • 80 000 alliages ternaires possibles


I.3.2. Les propriétés des alliages


Elles dépendent de 4 facteurs qui sont :

  1. Leur composition chimique établie par analyse chimique

  2. La constitution physico-chimique qui se défini par la nature et la proportion des constituants

  3. La structure cristallographique des constituants

  4. L’état mécanique caractérisé par l’existence des contraintes propre aux matériaux



  1. Les corps et métaux purs


  • 1 corps  1 seule phase :

  • Peut avoir 3 phases possibles :

    • La phase solide ou cristalline

    • La phase liquide

    • La phase gazeuse

  • L’existence d’un corps pur dans l’une des 3 phases dépend de la température (T) et de la pression (p)

II.1. Étude du diagramme d’équilibre

II.1.1. Diagramme





http://www.mestice.net/cours_de_physique/doc/coursmathml/22_thermodynamique_changement_etat/images/22_thermodynamique_changement_etat_fig03.jpg


Le diagramme est caractérisé par :

  • Un point triple (T) de coexistence des 3 phases (solide, liquide, gaz)

  • 3 courbes p=f(t) d’équilibre ou de transformation

    • Courbe de passage solidegaz

    • Courbe de passage solideliquide

    • Courbe de passage liquidegaz

  • Trois zone de stabilité de phase 2(solide, liquide, gaz)

II.1.2. Enthalpie libre molaire (G)


C’est un paramètre thermodynamique très important dans l’étude des diagrammes de phases.

Il se définit tel que :




II.1.3. Règles d’application


  1. La phase la plus stable possède toujours l’enthalpie libre (G) la plus petite.

  2. À pression constante, deux phases en équilibre possèdent la même valeur d’enthalpie libre.

  3. En égalisant les enthalpies libres de deux phases différentes, à pression constante, on détermine leur température d’équilibre.


Remarque :

  • L’entropie S est une mesure de l’état d’ordre d’une phase

  • Les pentes des courbes P=f(T) permettent de retourner les chaleurs latentes de changement de phase en utilisant les formes de CLAYPERON

  • De nombreuses substances pures existent sous plusieurs formes cristallines (phases). C’est le phénomène d’ALLOTROPIE ou POLYMORPHIE



II.2. Solidification d’un corps pur

II.2.1. Loi du refroidissement


Si on considère un corps pur ne subissant aucune transformation.

Il est caractérisé par :

  • Sa température ambiante : T0

  • Sa capacité calorifique : C

Si on baisse T d’une valeur => (énergie calorifique)



  • En thermodynamique, on démontre que est proportionnelle à et en fonction du temps (t)



On a donc :





C’est une équation différentielle de 1er ordre ayant pour solution générale :



la température initiale du corps pur

temps initial de refroidissement

Cette équation à la forme de

II.2.2. La courbe de refroidissement



Schéma
T1 : température de début de transformations

T2 : température de fin de transformation

: la phase avant la transformation

: la phase après la transformation


  • Si le corps subit une transformation (changement de phase), elle s’effectue avec un dégagement de chaleur qui se manifeste par une modification de la loi de refroidissement

  • Lorsqu’un corps pur se solidifie (ou dans le cas de la fusion), il restitue de la chaleur latente (L) telle que



Formule de RICHARDS

 : en calorie/gramme

M : masse molaire du corps (g/mole)

 : température de fusion

 : peut être calculée en utilisant la formule de CLAYPERON

II.2.3. Cas d’un métal pur





  • Quand le métal est pur, on a un palier parfaithttp://www.techno-science.net/illustration/definition/inconnu/c/courbe-solidification.png

  • Quand le métal a des impuretés, la température Tf est dépassé au cours du refroidissement T’ et ensuite remonte pour rattraper le palier



Cette formule traduit le retard de cristallisation.

donne la mesure d’impuretés dans le métal.

II.3. Transformation allotropique

II.3.1. Diagramme de phase


Ce diagramme va mettre en évidence l’existence des phases solides allotropes.

On aura dans ce cas P=f(t) supplémentaire

AB : courbe d’équilibre ou de transformation

de la β  α

  1. Diagramme d’équilibres binaires


Pour un système binaire N=2 (nombre de constituants)

Diagramme d’équilibre permet de représenter :

  1. Les domaines de stabilité de phases

  2. Les conditions d’équilibre en plusieurs phases en fonction de 2 variables qui sont :

    • La température (T)

    • La composition chimique ou la teneur ou la concentration des composants en pourcentage


Remarque :

Le diagramme d’équilibre binaire est étudié à pression constante (pression atmosphérique


  1. Le diagramme comporte plusieurs zones de stabilité séparées par 2 types de courbes essentielles 

    • Les LIQUIDUS : courbe qui représentent les températures de solidification commençante

    • Les SOLIDUS : courbes qui représentent les températures de solidification finissante.

III.1. Miscibilité de phases


Soient 2 composants A et B

Les mélange (A+B) est défini par les conditions de température et de concentration (à pression constante). Plusieurs cas de figures se distinguent par la miscibilité (capacité d’obtenir un mélange homogène)


  1. (A+B) forment 1 mélange homogène solide ou liquide quelque soit la température et la concentration. On a dans ce cas 1 MISCIBILITE TOTALE

  2. (A+B) forment un mélange homogène uniquement en phase liquide ou en phase solide. On a dans ce cas 1 MISCIBILITE PARTIELLE


La MISCIBILITE détermine le type de diagramme binaire en jeu

  • Existence de plusieurs types de diagramme

III.2. Règles de lecture des diagrammes


1 diagramme binaire permet de déterminer :

  • La limité de solubilité de deux éléments A et B en fonction de la température et la concentration

  • Les domaines de coexistence de 2 phases (liquide-solide) ou (solide-solide)

  • Les quantités relatives des phases en équilibre ISOTHERME




  1. Règles des segments inverses

Il sert à préciser la quantité en pourcentage (%) massique de chaque phase dans une zone biphasée ( )

    • Le pourcentage en masse de la phase liquide correspond au segment isotherme touchant le solidus

    • Le pourcentage en masse de la phase solide correspond au segment isotherme touchant le liquidus

  1. Règle de l’horizontale

Elle sert à préciser la concentration en A ou B dans chacune des 2 phases en présence

  • Le pourcentage ou la concentration A ou B dans la phase liquide correspond à l’intersection du segment isotherme avec le liquidus

  • Le pourcentage ou la concentration de A ou B dans la phase solide correspond à l’intersection du segment isotherme avec le solidus

Remarque :

Les 2 règles énoncées ne sont applicables que dans les zones du diagramme T=f (concentration) où il y a coexistence des phases liquides et solide

III.3. Classification des alliages binaires


Les divers types d’alliages sont classés selon la miscibilité de A et B à l’état liquide et à l’état solide.

Alliage binaire : (A-B) avec A et B les éléments de l’alliage binaire.

La classification se fait selon la MISCIBILITE de A dans B.

  1. Conditions de MISCIBILITE (règle générales)

    • A et B doivent être cristallisés dans le même système

    • Les atomes A et B doivent être de tailles rapprochées

    • A et B doivent être de même valence

    • A et B ne doivent pas conduire à un composé intermétallique


Remarque :

Ces règles générales ne sont pas systématiques car d’autres paramètres comme les phases en jeu peuvent intervenir


  1. Différents types de miscibilités

  1. MISCIBILITE TOTAL

Ou encore miscibilité en toute proportion. Dans ce cas la miscibilité se fait en phase liquide et en phase solide.

  • Diagramme de phases : (diagramme à 1 fuseau)




  • (A+B) totalement misciblehttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/62/diagramme_binaire_solution_solide_unique.png

  •  : température critique de A

  •  : température critique de B

  • 1 liquidus (L) régulier

  • 1 solidus (S) régulier

  • Pour toute T> liquidus (L) => liquide de (A+B)

  • Pour toute T< solidus (S) => solide de (A+B)

  • Entre (L) et (S) => zone biphasée (liquide + solide) de (A+B)



  • La composition de B dans A dans la zone biphasée va dépendre de la température et de la concentration initiale de l’alliage.

  • Application de la règle de l’horizontale

  • Le % de phase liquide et de phase solide dépend aussi de la température et de la concentration de

  • Application de la règle de segment inverse



  1. MISCIBILITE PARTIELLE (uniquement en phase solide)

(A+B) : miscibles totalement en phase solide

(A+B) : non miscible en phase liquide

  • Diagramme de phase (diagramme à deux fuseaux)




  • Existence d’un point minimum (Tm et xm) point de conjonction entre les 2 parties du liquidus (L)

  • (Tm , xm) point minimum du solidus (S)

  •  : température critique de A

  •  : température critique de B

  • T > aux liquidus (L) => 1 phase liquide homogène

  • T < solidus (S) => 1 phase solide homogène

Dans les deux fuseaux => zone biphasées

  • 1er fuseau (liquide 1 + solide) : liquide ayant faible (xB %)

  • 2ème fuseau (liquide + solide) : liquide ayant forte (xB %)

Avec liquide 1 liquide 2

  • Règles de l’horizontale et de segments inverses ne s’appliquent pas dans les deux zones biphasées (fuseaux)




  1. MISCIBILITE PARTIELLE (non miscible en phase solide)

(A+B) totalement miscible en phase liquide

(A+B) non miscible en phase solide

  • Dans ce cas le diagramme de phase dépend de la structure cristallographique des phases solides non miscibles

  • Dans les 2 cas, on a les diagrammes à Eutectique (E)

  1. Cas d’identité de structure cristallographique

Les deux phases solides ( ont le même réseau de maille

Le diagramme est caractérisé par :http://nte.mines-albi.fr/thermointro/fr/res/ti_11_1.png

  • température critique de A

  • : température critique de B

Du point E : eutectique [TE,xB(E)]

Le solidus (S) horizontal passe par le point E

Le liquide (L) en 2 parties qui convergent en E

Dans l’ensemble on a :

  • 1 zone liquide homogène (

  • 3 zones biphasées (


Remarque :

On notera que les parties verticales du diagramme comprises entre Tf (A ou B) et l’horizontal de l’EUTECTIQUE font partie du solidus


  1. Cas de non identité de structure cristallographique

Les phases solides ( ont des structures différentes

fichier:diagramme phase eutectique.svg


Le diagramme est caractérisé par :

  • température critique de A

  • : température critique de B

Du point E eutectique [TE,xB(E)]

Le solidus (S) horizontal passant par E et ne touchant pas les axes de température

Le liquidus (L) en 2 branches convergentes vers E

Dans l’ensemble on a :

  • 3 zones monophasés (

    • Zone liquide (liq)

    • Zone solide (

    • Zone solide ()

  • 3 zones biphasés (


Remarque :

  • Les courbes T=f(xB) joignant Tf (A ou B) au solidus (S) font partie du solidus

  • Les courbes T=f(xB) en dessous du solidus sont des courbes d’équilibre séparant des zones solides

  • Courbes d’équilibre séparant des zones totalement solides du diagramme. Ces courbes ne répondent pas à la définition d’un solidus.

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