Les mélanges: Diagrammes de phase

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1 Les mélanges: Diagrammes de phase Chapitre 5 des Matériaux (surtout p ) 8-1 Motivations Comprendre la ormation des microstructures des matériaux car les propriétés des matériaux (dureté, résistances) sont onction de leur microstructure. Comprendre les diagrammes d équilibre ain de comprendre l eet des traitements thermiques

2 Au 3 ème milénaire 8-3 Objectis Interpréter les diagrammes d équilibre simples. Déterminer les phases présentes (composition et raction) à une température donnée. Sur un digramme d équilibre binaire, localiser la température et la composition des transormations de phase: eutectique eutectoïde péritectique 8-4 2

3 Contenu Concepts ondamentaux Phase; équilibre des phases Solubilité Diagrammes d équilibre. Interprétation Système eutectique binaire Formation de la microstructure dans les alliages eutectiques Système er-carbone Diagramme d équilibre Fe-Fe 3 C Formation des microstructures: alliages Fer-carbone 8-5 Déinitions Composant: Élément (métaux purs): er, cuivre, soure Composé 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 ensemble des régions d un corps ayant une même structure et un même arrangement atomique. Ex : mélange eau+ alcool : 2 composants / 1 phase Diagramme de phase Représentation des domaines de stabilités des phases d un mélange de 2 composants 8-6 3

4 Solidiication Solidiication d un corps pur 1- T > => 100% de liquide 2- T = => solidiication à température constante 3- T < => 100% de solide Solidiication d un mélange de plusieurs composants 1- T > => 100% de liquide 2- T = l => début de la solidiication (1 er germe de solide) 3- T = => in de la solidiication (dernier germe de liquide) 3- T < => 100% de solide 8-7 Solubilité du sucre dans l eau Température ( C) Concentration en eau (% masse) 80 Solution liquide sirop : eau + sucre Concentration en sucre (% masse) sucre 40 Limite de solubilité eau sirop sirop sirop sirop sirop 20 0 Solution liquide (sirop ) + sucre solide 8-8 4

5 Variance d un système (relation de Gibbs) = n +1 - Nombre de phases en présence Nombre d éléments en présence éléments complètement missibles Le système Cu-Ni Monex TM Intervalle de solidiication Liquidus Missibilité paraite si: Diérence de rayon atomique < 15% Structures cristallines identiques Valences égales Électro-négativités semblables Solidus

6 Diagramme d équilibre Cu-Ni L S % S R Liquide 55% Cu Solide 35% Cu S R S R % S R Formation de microstructure Cu-Ni Reroidissement à l équilibre : Reroidissement lent L 40% Cu L (40% Cu) L (55% Cu) S R L 55% Cu (23%Cu) (35%Cu) L (60% Cu) (40%Cu) (40%Cu)

7 2 éléments partiellement missibles Solubilité partielle = apparition d une deuxième phase à partir d une concentration critique en onction de la température. Solvus : ligne permettant de délimiter la solubilité partielle à l état solide C α et C β concentration maximale pour ormer une solution solide Solvus Solvus éléments partiellement missibles Point Eutectique : Point invariant pour lequel une phase liquide est en équilibre avec 2 phases solides Réaction eutectique : L E α + β

8 Eutectique Le système Sn-Pb Eutectique de composition C E = 62% Sn 3 phases en équilibre (L, et ) L E (62%Sn) SnSn 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 diérentes α = CFC β = CC 3 domaines biphasés α + L β + L α + β 8-15 Diagramme d équilibre Pb-Sn liquidus solidus Solvus α α β

9 Pb-Sn : Solidiication de l eutectique Eutectique de composition C E = 62% Sn 3 phases en équilibre (L, et ) L E (62%Sn) SnSn R S S % S R R % S R Micrographie de l eutectique Pb-Sn Riche en étain (97.5%Sn) Riche en plomb (18%Sn) ou (82% Pb)

10 Pb-30%Sn Alliage hypoeutectique ÀT225 C Phase liquide 45 % Sn L 50% Phase primaire 15 % Sn % ÀT183 Cd Phase liquide L 27% Phase 18 % Sn % % Sn 183 ÀT183 Cd Phase eutectique 62 % Sn E 27% % 18 % Sn Phase 18 % Sn 15% % Sn % Micrographie Pb-30%Sn hypoeutectique primaire (73%) (18% Sn) Eutectique (27%) (62 % Sn)

11 Pb-70%Sn : alliage hyper eutectique ÀT183 Cd Phase liquide 62 % Sn L 77.% Phase % Sn % β ÀT183 Cd Phase eutectique 62 % Sn E. %. % % Sn Phase % Sn % % Sn % Micrographie de Pb-70%Sn hypereutectique 77.5% Eutectique 62% Sn (concentration) 22.5% 97.5%Sn

12 Micrographie Pb-Sn primaire eutectique eutectique primaire Pb- 30% Sn Pb- 62% Sn Pb- 70% Sn 8-23 Micrographie des divers eutectiques Lamelaire Al-Al 2 Cu Aciculaire Al-Si T basse Globulaire Al-Si + Na

13 Transormation péritectique Transormation d une phase et d un liquide en une nouvelle phase c + L CL -----> c 8-25 Le diagramme de phase Fer-Carbone Deux ormes: Diagramme STABLE (avec graphite) : Fe C Diagramme METASTABLE (avec cémentite): Fe Fe 3 C Caractéristiques: Points particuliers : Eutectique (métastable) : 1147 C, 4.3% de C Péritectique (métastable) : 1493 C, 0.16% de C Eutectoïde (métastable) : 723 C, 0.8% de C 4 phases solides possibles : (0 à 0.07% de C à1493 C) (0 à 2.06% de C à1147 C) (0 à 0.02% de C à723 C) Fe 3 C = cémentite (6.69% de C)

14 Diagramme d équilibre Fe-C Austénite Le deburite eutectique Ferrite eutectoide Cémentite Fe 3 C 8-27 Diagramme d équilibre Fe-C Acier = errite + cémentite errite granulaire Ferrite (α) Molle, ductile, tenace, élevé, magnétique Non magnétique Cémentite (Fe 3 C) Céramique, dure, ragile, T élevée, bas, augmente la résistance des aciers

15 Microstructures d alliages Fe-C a pro-eutectoide Perlite ( + Fe3C) R S S errite S R R perlite S R % C ; 23 % perlite; 77% errite pro-eutectoïde 8-29 Microstructures d alliages Fe-C R S 0.8 % C ; 100% perlite; lamelles alternées de errite et de cémentite

16 Microstructures d alliages Fe-C pro-eutectoide R S S errite S R R perlite S R % C ; 75 % perlite; 25 % de errite pro-eutectoïde 8-31 Microstructures d alliages Fe-C Fe 3 C pro-eutectoide R S Perlite + Fe3C S S R R S R % C ; 97 % perlite; 3 % de cémentite le long des joints de grains

17 Formation de la perlite 8-33 Solution solide de substitution ou d insertion La diusion est possible grâce à la présence de lacunes (déauts ponctuels), le nombre de lacunes est déinies par : Q n N exp kt Le nombre de lacunes est dépendant de la température Pour qu un atome diuse : 1- Présence de lacunes 2- Acquiert l énergie nécessaire pour déormer locale le réseau et ainsi se déplacer vers la lacune (3) (1) (2) (3)

18 Loi de la diusion La diusion est possible grâce à la présence de lacunes (déauts ponctuels) Au cours du temps, le proil de concentration des éléments se modiie Le lux d atomes A diusant dans B peut être déini par : dca ère JA DA 1 loi de Fick dx D : A 2 Coeicient de diusion (m /s) de A dans B dc A : dx Gradient de concentration de A à l'interace P (1) (2) (3) (4) 8-35 Application de la diusion Traitements thermiques Soudage et brasage Dopages des semi-conducteurs Frittage : Établissement de liaisons entre des particules de poudres portées à haute température par diusion en volume et en surace (1) (2) (3) (4)

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