Les mélanges : Diagrammes de phases

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1 Les mélanges : Diagrammes de phases Chapitre 5 des Matériaux 1. Qu a-t-on vu jusqu à maintenant? 2. Les métaux purs sont généralement mous. C est pour cela que nous devons faire des alliages. 3. Peut-on modifier les propriétés d un matériau d une composition donnée? 4. Il faut donc comprendre : a. La microstructure en fonction de la composition. b. Comment changer la microstructure? 5. Les diagrammes de phase sont utiles pour cela. 9-2

2 Diagramme de Phases 3 Source: Science et Génie des Matériaux W.D. Callister 9-3 Contenu Introduction Définitions : Composant, phase, constituant, limite de solubilité. Diagrammes binaires d équilibre : Interprétation, Règle des bras de levier, des segments inverses, Transformations eutectiques, peritectiques, eutectoides, Formation de la microstructure dans les alliages. Système fer-carbone : Diagramme d équilibre Fe-Fe 3 C, Formation des microstructures : alliages Fer-carbone. Diffusion Diagrammes hors équilibre 9-4

3 Contenu Introduction Définitions : Composant, phase, constituant, limite de solubilité. Diagrammes binaires d équilibre : Interprétation, Règle des bras de levier, des segments inverses, Transformations eutectiques, peritectiques, eutectoides, Formation de la microstructure dans les alliages. Système fer-carbone : Diagramme d équilibre Fe-Fe 3 C, Formation des microstructures : alliages Fer-carbone. Diffusion Diagrammes hors équilibre 9-5 Motivations Comprendre la formation des structures des matériaux. Certaines propriétés des matériaux (dureté, résistances) sont fonction de leur microstructure. Comprendre les diagrammes d équilibre afin de mettre sur pieds des traitements thermiques. 9-6

4 Objectifs Interpréter les diagrammes d équilibre simples. Déterminer les phases présentes (composition et fraction) à une température donnée. Sur un diagramme d équilibre binaire, localiser la température et la composition des transformations de phase. Connaître la microstructure d équilibre d un alliage. 9-7 Contenu Introduction Définitions : Composant, phase, constituant, limite de solubilité. Diagrammes binaires d équilibre : Interprétation, Règle des bras de levier, des segments inverses, Transformations eutectiques, peritectiques, eutectoides, Formation de la microstructure dans les alliages. Système fer-carbone : Diagramme d équilibre Fe-Fe 3 C, Formation des microstructures : alliages Fer-carbone. Diffusion Diagrammes hors équilibre 9-8

5 Définitions Composant : Élément (métaux purs) : fer, cuivre, soufre. Composé de composition fixe à partir duquel un alliage est constitué : Na 2 O, SiO 2, Fe 3 C, Cu et Zn dans le laiton (alliage Cu-Zn). Phase Région ou ensemble des régions d un corps ayant une même structure et un même arrangement atomique (partie homogène d un corps). Ex. : mélange eau + alcool : 2 composants /1 phase Source: Science et Génie des Matériaux W.D. Callister 9-9 Solubilité du sucre dans l eau Température ( C) Concentration en eau (% masse) 80 Solution liquide sirop : eau + sucre Limite de solubilité 20 Concentration en sucre (% masse) eau sirop sirop sirop sirop sirop Solution liquide (sirop ) + sucre solide 0 sucre 9-10

6 Solution solide 11 SUBSTITUCIONEL INTERSTITIEL Source: Science et Génie des Matériaux W.D. Callister 9-11 Composition d un alliage 12 CONCENTRATION EN MASSE C A = m A m A + m B "100% ou m i est la masse du composant i. CONCENTRATION ATOMIQUE C A at = ou N i est le nombre de i. N A N A + N B "100% 9-12

7 Solidification Solidification d un corps pur 1 - T >! f => 100 % de liquide 2 - T =! f => solidification à température constante 3 - T <! f => 100 % de solide Solidification d un mélange de plusieurs composants 1 - T >! f => 100 % de liquide 2 - T =! l => début de la solidification (1 er germe de solide) 3 - T =! f => fin de la solidification (dernier germe de liquide) 3 - T <! f => 100 % de solide 9-13 Solidification 14 Liquide Liquide Solide Intervalle de solidifitation Solide Liquide Solution Solide 9-14

8 Contenu Introduction Définitions : Composant, phase, constituant, limite de solubilité. Diagrammes binaires d équilibre Interprétation, Règle des bras de levier, des segments inverses, Transformations eutectiques, peritectiques, eutectoides, Formation de la microstructure dans les alliages. Système fer-carbone : Diagramme d équilibre Fe-Fe 3 C. Formation des microstructures : alliages Fer-carbone. Diffusion Diagrammes hors équilibre éléments complètement miscibles Le système Cu-Ni Intervalle de solidification Liquidus Ligne de conjugaison Séparation des domaines Limite (L/L+S) = liquidus Limites (S/L+S) = solidus Solidus 9-16

9 Règle des segments inverses Règle des bras de levier Utilisée pour conaître la composition des phases 17 Bilan de masse! Soit W L et W " les fractions massiques des phases liquides et solides ".! Chaque composant du système peut être dans chacune des phases, en concentration C L (dans le liquide) et C a (dans le solide). W L + W! L "! = 1 # W = 1 W ( eq. I) W L C L + W! C! = C0 ( eq. II) ( 1 W ) CL + W C = C! " " " CL! W" CL + W" C" = W! 0 C 0 " ( C"! CL ) = C0 C L W " C = C 0 "! C! C L L 9-17 Diagramme d équilibre Cu-Ni f L = S S + R 40! 35 = = 25% 55! 35 Liquide 55% Cu Solide 35% Cu S R f S = R S + R 55! 40 = = 75% 55!

10 Formation de microstructure Cu-Ni Refroidissement à l équilibre : Refroidissement lent L L (40% Cu) 40% Cu S L (55% Cu) R L 55% Cu " (23%Cu) L (60% Cu) " (35%Cu) " (40%Cu) " (40 % Cu) éléments partiellement miscibles Solubilité partielle Solubilité partielle= apparition = apparition d une deuxième phase à partir d une concentration critique critiqueenen fonction fonction de la température. Solvus : ligne permettant de délimiter la solubilité partielle à l état solide. C! et C" concentration maximale pour former une solution solide. 9-20

11 2 éléments partiellement missibles Point Eutectique : Point invariant pour lequel une phase liquide est en équilibre avec 2 phases solides Réaction eutectique : L E!! + " 9-21 Eutectique Le système Sn-Pb Eutectique de composition C E = 62 % Sn 3 phases en équilibre (L, " et # ) L E (62 % Sn) $ " (18 % Sn) + # (97.5 % Sn)% Soudure à l étain (+ 40 % de plomb) 1 ère phase solide " (18% Sn) Sn soluble dans Pb 2 ème phase solide # (97.5% Sn) riche en Sn 2 phases solides de structures différentes! = CFC " = CC 3 domaines biphasés! + L " + L! + " 9-22

12 Pb-Sn : Solidification de l eutectique 23 Temperature C E T E T E Liquide Solidification Deux solides (" + #) Début Fin Temps 9-23 Pb-Sn : Solidification de l eutectique Eutectique de composition C E = 62 % Sn 3 phases en équilibre (L, " et # ) L E (62 % Sn) $ " (18 % Sn) + # (97.5 % Sn)% R S f " S 97.5! 62 = = = 45% S + R 97.5! 18 f " = R S + R 62! 18 = = 55% 97.5!

13 Formation et croissance de l eutectique Naissance de " Naissance de #% Croissance de " Croissance du front de solidification 9-25 Micrographie de l eutectique Pb-Sn #% Riche en étain (97.5 % Sn) "% Riche en plomb (18 % Sn) ou (82 % Pb) 9-26

14 Micrographie des divers eutectiques Lamelaire Al-Al 2 Cu Aciculaire Al-Si T f basse Globulaire Al-Si + Na Source: Des Matériaux, JP Bailon, JM Dorlot Technologie des matériaux 9-27 Diagramme d équilibre Pb-Sn 28 Source: Science et Génie des Matériaux W.D. Callister 9-28

15 Diagramme d équilibre Pb-Sn liquidus solidus! Solvus "! 9-29 Diagramme d équilibre Pb-Sn 30 T L Temperature T E C E C liga Solidification Liquide " " + # (hypoeutectique) Solide Début Fin Temps 9-30

16 Pb-30 % Sn Alliage hypoeutectique! ÀT= 225 C Phase liquide ( 45 % Sn) 30 " 15 f L = = 50% 45 " 15 Phase! primaire % Sn 45 " 30 f! = = 50% 45 " 15 ( 15 ) 262! ÀT= 183 C+ d" Phase liquide ( 62 % Sn) 30 # 18 f L = = 27% 62 # 18 Phase! ( 18 % Sn) 62 # 30 f! = = 73% 62 # À T =183! C! d! ( ) Constituant eutectique 62% Sn 30!18 f E = 62!18 = 27% Constituant proeutectique! ( 18% Sn) 62! 30 f! = 62!18 = 73%! # # # " # # # $ # ( ) ( ) % f = 85% 18% Sn! f! =15% 97.5% Sn 9-31 Solidification de l alliage Pb-30 % Sn Source: Des Matériaux, JP Bailon, JM Dorlot Technologie des matériaux 9-32

17 Micrographie Pb-30 % Sn hypoeutectique " primaire (73%) (18% Sn) Eutectique (27%) (62 % Sn) 9-33 Pb-70 % Sn : alliage hyper eutectique f! R 70 " 62 = = = 22.5% S+ R 97.5 " 62 f = f = 1! f = 77.5% L E! R S C 0 = 70% Sn > 62 % Sn (E) Alliage hypereutectique Source: Des Matériaux, JP Bailon, JM Dorlot Technologie des matériaux 9-34

18 Pb-70 % Sn : alliage hyper eutectique À T = 183!C + d" Phase liquide ( 62% Sn ) 97.5 $ 70 = 77.5% 97.5 $ 62 Phase # (97.5% Sn ) fl = f! = 70 $ 62 = 22.5% 97.5 $ 62 " À T = 183! C! d!! # # 97.5! ! 70 # fe = = 77.5% f! = = 34.6% 18% Sn # 97.5! !18 "% 70!18 Composant proeutectique! 97.5% Sn # f! = = 65.4% 97.5% Sn # 97.5!18 70! 62 # f! = = 22.5% #$ 97.5! 62 ( Composant eutectique 62% Sn ) ( ( ) ( ) ) 9-35 Micrographie de Pb-70 % Sn hypereutectique 77.5 % Eutectique 62 % Sn (concentration) 22.5 % #% 97.5 %Sn 9-36

19 Micrographie Pb-Sn " primaire eutectique Pb - 30 % Sn eutectique Pb - 62 % Sn # primaire Pb - 70 % Sn 9-37 Transformation péritectique Diagramme Pb-Bi Transformation d une phase " et d un liquide en une nouvelle phase # L " (23.8 %Bi) d! L (35.8%Bi)!c! + LCL -----> "c" d! Nouvelle phase # (30 % Bi) #% Source: Des Matériaux, JP Bailon, JM Dorlot Technologie des matériaux 9-38

20 Exercices 9-39 Exercices 9-40

21 Exercices 9-41 Contenu Introduction Définitions : Composant, phase, constituant, limite de solubilité. Diagrammes binaires d équilibre Interprétation, Règle des bras de levier, des segments inverses, Transformations eutectiques, peritectiques, eutectoides, Formation de la microstructure dans les alliages. Système fer-carbone Diagramme d équilibre Fe-Fe 3 C, Formation des microstructures : alliages Fer-carbone. Diffusion Diagrammes hors équilibre 9-42

22 43 Le diagramme de phase Fer-Carbone 1. Pourquoi C % n est-il reporté que jusqu à 6.7 %? 2. A 6.7 % Cémentite. 3. Revenons y après % de C Diagramme Fe-C Fontes Cémentite Fe 3 C Source: Des Matériaux, JP Bailon, JM Dorlot Technologie des matériaux 9-44

23 Diagramme Fe-C 0 % de Carbone TRANSFORMATION ALOTROPIQUE Jusqu à 912 C fer est CCC Ferrite Fe-" : CCC Entre 1394 C e 1538 C ferro é CCC Ferrita Fe-& : CCC Entre 912 C e 1394 C ferro é CFC Austenita Fe-' : CFC O ferro CCC (ferro ") é atraído por imã (ferromagnética) só até 770 C 9-45 Diagramme Fe-C 0 % de Carbone TRANSFORMATION ALOTROPIQUE Jusqu à 912 C fer est CCC Ferrite Fe-" : CCC Entre 912 C et 1394 C fer est CFC Austenite Fe-' : CFC 9-46

24 Diagramme Fe-C 0 % de Carbone TRANSFORMATION ALOTROPIQUE Jusqu à 912 C fer est CCC Ferrite Fe-" : CCC Entre 912 C et 1394 C fer est CFC Austenite Fe-' : CFC Entre 1394 C et 1538 C fer est CCC Ferrite Fe-& : CCC Le fer CCC (fer ") est atiré par les aimants (ferromagnétique)(jusqu 770C) 9-47 Diagramme Fe-C C dans le fer Entre 912 C et 1394 C fer est CFC Fe-' : CFC Solubilité maximale de C de 2.14 % Jusqu à 912 C fer est CCC Fe-" : CCC Solubilité maximale de C de % 9-48

25 La ferrite ferrite granulaire Solution solide de carbone dans le fer ( cc) % de carbone à température ambiante et environ % de carbone à 720 C. Ductile et malléable : 80 à 100 HV, Rm = ~300Mpa et un A % = ~35 %. La ferrite est magnétique jusqu'à 770 C ( point de curie ) AUSTÉNITE Solution solide de carbone dans le fer gamma ( ' ). Elle est très ductile entre 22 et 31 HR C. Microstructure de l'austénite La quantité de carbone atteint 1.7 % à 1145 C, ce constituant n'existe pas à la température ordinaire, il est stable qu'à haute température. Il ne peut exister à la température ambiante que par un maintien hors équilibre à la faveur d'éléments d'alliages dit gammagènes (ex. Ni et Mn). C est le cas des aciers austénitiques. 9-50

26 Diagramme Fe-C 51 L # + Fe 3 C Fe 3 C : Cementite Céramique dure, fragile Tf elevée Structure non stable Si maintenue longtemps à haute température C précipite Eutectique Com Si precipita C Source: Science et Génie des Matériaux W.D. Callister 9-51 Diagramme Fe-C 52 #! + Fe 3 C Source: Science et Génie des Matériaux W.D. Callister 9-52

27 Diagramme Fe-C Austenite % 325x% 53 TRANSFORMATION EUTETÓIDE : Microestruture PERLITE Ferrite % 500x% 90x% Source: Science et Génie des Matériaux W.D. Callister # : 0.76 % C! : % C Fe3C : 6.7 % C% Source: Science et Génie des Matériaux W.D. Callister 9-54

28 Formation de la perlite 9-55 Microstructures d alliages Fe-C 0.8 % C ; 100 % perlite; lamelles alternées de ferrite et de cémentite 9-56

29 Microstructures d alliages Fe-C 57 Point c : Polycristal d Austenite (') CFC Point d : Nucleation et croissance de ferrite (" CCC) aux contours de grains de l austenite (' CFC). Point e: Croissance de la ferrite. Point f: Croissance de la perlite À partir de l austénite Source: Science et Génie des Matériaux W.D. Callister 9-57 Microstructures d alliages Fe-C a pro-eutectoide Perlite (" + Fe3C) R S S 0.8! 0.2 f1 = = = 0.77 S + R R 0.2! f2 = = = 0.23 S + R ( ferrite) ( perlite) 0.2 % C ; 23 % perlite; 77 % ferrite pro-eutectoïde 9-58

30 Microstructures d alliages Fe-C " pro-eutectoide R S S 0.8! 0.6 f1 = = = 0.25 S + R R 0.6! f2 = = = 0.75 S + R ( ferrite) ( perlite) 0.6 % C ; 75 % perlite; 25 % de ferrite pro-eutectoïde 9-59 Microstructures d alliages Fe-C Fe 3 C pro-eutectoide R S Perlite " + Fe3C S 6.68! 1 f1 = = = 0.97 S + R 6.68! 0.8 R 1! 0.8 f2 = = = 0.03 S + R 6.68! % C ; 97 % perlite; 3 % de cémentite le long des joints de grains # 9-60

31 Exercices 9-61 Diagramme d équilibre Effets du temps 9-62

32 Contenu Introduction Définitions : Composant, phase, constituant, limite de solubilité. Diagrammes binaires d équilibre : Interprétation, Règle des bras de levier, des segments inverses, Transformations eutectiques, peritectiques, eutectoides, Formation de la microstructure dans les alliages. Système fer-carbone : Diagramme d équilibre Fe-Fe3C, Formation des microstructures: alliages Fer-carbone. Diffusion Diagrammes hors équilibre 9-63 Loi de la diffusion La diffusion est possible grâce à la présence de lacunes (défauts ponctuels). Au cours du temps, le profil de concentration des éléments se modifie. Le flux d atomes A diffusant dans B peut être défini par : dc J A =! DA A 1ère loi de Fick dx DA : Coefficient de diffusion (m 2 /s) de A dans B ( ) dc A : Gradient de concentration de A à l'interface P dx (1) (2) (3) (4) 9-64

33 65 65 Concentration Distance "C = D "2C "t "x2 Source: Science et Génie des Matériaux W.D. Callister 9-65 Applications de la diffusion Traitements thermiques Soudage et brasage Frittage : Établissement de liaisons entre des particules de poudres portées à haute température par diffusion en volume et en surface. (1) (2) (3) (4) 9-66

34 Contenu Introduction Définitions : Composant, phase, constituant, limite de solubilité. Diagrammes binaires d équilibre Interprétation, Règle des bras de levier, des segments inverses, Transformations eutectiques, peritectiques, eutectoides, Formation de la microstructure dans les alliages. Système fer-carbone Diagramme d équilibre Fe-Fe 3 C, Formation des microstructures : alliages Fer-carbone. Diffusion Diagrammes hors équilibre 9-67 Sistème Cu-Ni 68 Solidification en conditions hors équilibre (METASTABLES) Source: Science et Génie des Matériaux W.D. Callister 9-68

35 69 CONSEQUENCE : " Segregation. " Reduction de T solidus. " Degradation des propriétés. " Nécessité d homogéneisation. Source: Science et Génie des Matériaux W.D. Callister Alliage de Zn et Zr (400X) 9-69 Que faut-il retenir? Phases, compositions Règle du bras de levier Formation de microstructure Morphologies eutectiques, pertitectiques, eutectoides Diagramme Fe-C Effet du temps Diffusion 9-70