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1 Plan du cours Objectif général Acquérir les notions de base associées à l’évo

1 Plan du cours Objectif général Acquérir les notions de base associées à l’évolution des phases, de leurs compositions chimique et fractions massiques lors d’une transformation métallurgique et présenter l’évolution des microstructures au cours du refroidissement Objectifs spécifiques • Définir les concepts fondamentaux liés aux diagrammes d’équilibre • Définir le terme miscibilité́ (solubilité totale et partielle) • Présenter quelques types de diagrammes de phase binaire. • Déterminer les fractions massiques et les compositions des différentes phases présentes dans un domaine donné. • Présenter la formation des microstructures lors du refroidissement à l’équilibre et hors équilibre Déroulement Le chapitre sera abordé́ en 5 séances de 1h:30 min réparties comme suit : • Première séance : Concepts fondamentaux et diagrammes à miscibilité totale (systèmes isomorphes binaires) • Deuxième séance : Les diagrammes à miscibilité́ partielle (systèmes eutectiques binaires) • Troisième séance : Les diagrammes à miscibilité partielle (composés intermédiaire, réactions eutectoïdes et péritectiques) • Quatrième séance : Diagramme d’équilibre fer-carbone • Cinquième séance : Exercices de synthèses I-Définitions et concepts fondamentaux 1) Alliage : on appelle alliage, une combinaison de deux ou plusieurs métaux, ou d’un métal et d'un autre élément (comme le carbone dans l’acier par exemple). Exemples d’alliages les plus connus : la fonte (fer et carbone), l’acier (fer et carbone), le bronze (cuivre et étain) ou encore le laiton (cuivre et zinc). Pourquoi faire des alliages? Les alliages sont produits dans le but d'améliorer ou de modifier les propriétés d’un métal de base (renforcement des propriétés mécaniques et de corrosion...) ou même de lui conférer des propriétés inédites. 2) Solution solide Une solution solide se forme lorsque l’addition des éléments d’alliages ou d’impuretés ne modifie pas la structure cristalline de l’élément hôte. Une solution solide est constituée par un mélange homogène de deux éléments différents. L’élément de base A, appelé́ solvant, forme un réseau de structure α. L’élément B, appelé́ soluté́, passe dans le réseau. Il y occupe les sites interstitiels ou substitutionnels (cf. figure 1). Chapitre 1 Diagramme de phase à l’équilibre 2 Il existe deux types de solution solide : -en substitution: l'atome étranger remplace un des atomes du cristal (atome hôte). Ce sont les caractéristiques des atomes du soluté (atome étranger) et du solvant (atome hôte) qui déterminent jusqu’à quel point les atomes du soluté peuvent se dissoudre. Pour qu’une quantité appréciable de soluté puisse entrer en solution de substitution les conditions suivantes doivent être réalisées. Règles de Hume-Rhothery 1-Taille des atomes : la différence entre les rayons des atomes du soluté et du solvant doit être inférieur à 15% environ. Au-delà les atomes du soluté créent une distorsion et une nouvelle phase se forme. 2-Structure cristalline : la structure cristalline doit être la même 3-Électronégativité : l’électronégativité du solvant et celle du soluté doivent être semblables. Si la différence d’électronégativité est trop grande cela peut entraîner la formation de composés intermétalliques. 4-Valence : Un métal dissout plus facilement un autre métal de valence plus grande que de valence plus petite Exemple Alliage de Cuivre-Nickel Rayons atomique (Cu (0,128 nm et Ni (0,125 nm)); Structure CFC; Électronégativité Cu (1,9) et Ni (1,8); valence Cu (+I ou +II) et Ni (+II). Fig. 1 : Solution solide en substitution -en insertion: l'atome étranger se glisse dans les espaces vides, et occupe les positions interstitielles, des atomes du cristal. En général la concentration des atomes étrangers est très faible » (Exemple Fe (0,124 nm) et C (0,071 nm); concentration du carbone environ 2%) Fig. 2 : Solution solide en insertion 3-Composants : Les composants sont les métaux purs ou les composés à partir desquels un alliage est constitué. Exemple : dans un laiton (alliage cuivre-zinc) les composants sont le cuivre (Cu) et le Zinc (Zn) 4-Limites de solubilité Dans de nombreux systèmes d’alliages il existe à une température précise une concentration maximale d’atomes de soluté qui peuvent se dissoudre dans le solvant pour former une solution solide : Cette concentration maximale est appelé limite de solubilité. L’ajout d’une quantité 3 excédant cette limite entraîne la formation d’une autre solution solide ou d’un autre composé solide de composition distincte. La limite de solubilité du soluté dépend de la température. II-Diagrammes à miscibilité totale (systèmes isomorphes binaires) 1) Exemple du système Cu-Ni Fig. 3: Diagramme d’équilibre isomorphe Cu-Ni 2-Interprétations des diagrammes de phases Un système binaire de composition et de température connues qui est à l’équilibre fournit au moins trois types de données : -Les phases en présence -La composition chimique de ces phases -Le pourcentage ou la fraction massique ou volumique de ces phases a-Phases présentes Repérer le point d’intersection température-composition sur le diagramme d’équilibre et noter la ou les phases présentes. b-Détermination de la composition des phases Pour déterminer la composition des phases (concentration des composants de l’alliage) il faut : 1-Dans le cas d’un domaine monophasé la composition de la phase est identique à la composition globale de l’alliage. 2-Dans le cas d’un domaine biphasé on procède comme suit : -on trace une ligne horizontale correspondant à la température à laquelle on cherche la composition. Cette ligne est appelée ligne de conjugaison ou isotherme. Les lignes de conjugaison traversent le domaine biphasé et se terminent à l’interface des phases -On marque les points d’intersection de la ligne de conjugaison et l’interface de chaque phase. • -À partir des points d’intersection, on abaisse les perpendiculaires jusqu’à l’axe horizontal de la composition de chaque phase. Ce diagramme comporte 3 domaines : a, a + L et L. . a est une solution solide de substitution constituée d’atomes de Cu et de Ni dont la structure cristalline est CFC. . L solution liquide homogène de Cu et de Ni . a + L un mélange de Liquide et de solide En général, les solutions solides sont désignées par des lettres de l’alphabet grec ( a, b, g)… Le Liquidus est la ligne frontière entre L et L + a (phase liquide pour toute température et toute composition au- dessus de cette ligne) Le solidus est la ligne frontière entre les phases L + a et a, sous cette ligne seule la phase solide a existe pour toute température et toute composition 4 Fig. 4 : Composition et quantité des phases dans le système Cu-Ni c-Détermination des quantités de chaque phase 1-Dans le cas d’un domaine monophasé la fraction est de 1 ou 100% 2-Pour un domaine biphasé, on utilise la règle des bras de levier ou rège des segments inverses. -On trace la ligne de conjugaison à travers le domaine biphasé, à la température de l,alliage. -On calcule la fraction d’une phase en prenant la longueur de la ligne de conjugaison comprise entre le point de composition globale de l’alliage et l’interface de phase de l’autre phase et en la divisant par la longueur totale de la ligne de conjugaison. d-Étude d’un exemple Soit un alliage de composition nominale C0 porté à une température θ. Si on prend un point représentatif (C0, θ) dans le domaine monophasé́, l’alliage contient alors une seule phase liquide de proportion égale à 100%. Si on prend un point représentatif (C0, θ) dans le domaine biphasé́, figure 4, l’alliage contient deux phases liquide et solide de composition CL et Ca dont les proportions respectivement fa et fL sont déterminées par la règle des bras de leviers. En effet, la conservation de la masse permet d’écrire les deux relations suivantes: fa + fL=1 Ca.fa +CL.fL=C0 • Ces relations permettent de déterminer les proportions relatives soit en pourcentage : q 5 ! a = !!"!" !a"!! #100 ! # = !a"!" !a"!! #100 Exemple de calcul Considérons l’alliage de composition nominale C0=35% m de Nickel. A la température de 1250°C, l’alliage est dans le domaine biphasé́. La composition de la phase liquide est CL= 32% m de Ni, celle de la phase solide est de Ca=43% m de Ni. Calculer alors les proportions relatives fa et fL des deux phases. 3-Formation des microstructures des alliages isomorphes : refroidissement à l’équilibre Examinons le système Cu-Ni plus précisément un alliage de composition 35% m de Ni qui se refroidit à partir de 1300 °C (Figure 5). Fig. 5 : Évolution de la microstructure du système Cu-Ni à 35% m de Ni lors d’un refroidissement à l’équilibre À 1300 °C, au point a l’alliage est entièrement liquide et sa composition est de 35% m de Ni et de 65% m de Cu. Et le médaillon représente sa structure. Le refroidissement commence et la microstructure et la composition ne change pas jusqu’à ce que soit atteint le liquidus (point b, 1260 °C). Le premier soluté a commence alors à se former et la ligne de conjugaison tracé à cette température détermine sa composition (46% m de Ni et 54% m de Cu noté a(46 Ni), la composition du liquide est encore d’environ 35% m de Ni et 655 de Cu L(35 Ni) et diffère de celle du solide a. 6 À mesure que le refroidissement se poursuit les deux compositions et les deux quantités relatives des phases se modifient. La composition de uploads/s3/ s-6-9-diagrammme-de-phase.pdf