Alliages. Solutions. Composés intermétalliques. Quelques exemples type. Thermodynamique des solutions Propriétés des solutions

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Mauricette Baril
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1 Alliages Solutions Thermodynamique des solutions Propriétés des solutions Composés intermétalliques Thermodynamique Propriétés Quelques exemples type

2 Composés intermétalliques Réseaux cristallographiques propres Exemples Fe 3 C et Cu 2 Mg

3 Composés intermétalliques Liaisons entre A et B dans ces composés A x B y de nature principalement ionique ou covalente. Conservation d un caractère métallique : tous les électrons de valence ne sont pas engagés. Il reste des électrons libres. De là les formulations Fe 3 C, etc

4 Thermodynamique Stabilité de la combinaison dans un domaine de concentration. Il existe des zones du diagramme, où il y a mélange de cristaux d intermétalliques et de cristaux de solution.

5 Composés intermétalliques Il peut y avoir plusieurs combinaisons intermétalliques Elles existent dans un domaine de concentration, qui ne comprend pas nécessairement le minimum d énergie libre du A x B y

6 Fusion congruente des intermétalliques La fusion des intermétalliques peut être analogue à celle d un corps pur. Une telle fusion est dite congruente Elle s écrit I L Dans un tel cas le diagramme d équilibre est subdivisé par la ou les combinaisons intermétalliques en sous diagrammes analogues à ceux vus précédemment.

7 Diagramme d équilibre avec intermétalliques à fusion congruente Le plus souvent, c est une juxtaposition de diagrammes à solubilité partielle avec eutectique et/ou péritectique

8 Fusion incongruente des intermétalliques La fusion incongruente des intermétalliques S accompagne de la formation d un autre solide Elle s écrit I L+α Elle s apparente à une réaction péritectique Dans un tel cas le diagramme d équilibre, le péritectique, correspondant à la fusion incongruente de l intermétallique, s insère dans un diagramme analogue aux précédents.

9 Diagramme d équilibre avec intermétalliques à fusion incongruente L insertion peut se faire dans un diagramme à solubilté nulle à solubilité partielle avec eutectique ou péritectique

10 Exemple concret les laitons Le cuivre α et le zinc η forment 4 intermétalliques β γ δ ε à fusion incongruente La différence des points de fusion est grande entre le cuivre (1083) et le zinc (419)

11 Transformations à l état solide En plus des 3 transformations vues précédemment Passage d une lacune de solubilité Recristallisation Transformations allotropiques on peut observer à l état solide, au cours du refroidissement L apparition La disparition des composés intermétalliques

12 Disparition des intermétalliques Les lacunes de solubilité augmentent lorsque les températures baissent Il peut en résulter la disparition d un intermétallique On a par exemple β α+γ C est une réaction eutectoide

13 Exemple dans le cas des laitons Disparition du composé intermétallique δ vers 550 C δ γ+ε A noter dans ce diagramme un autre eutectoide à l occasion du changement d état allotropique β β On a β β +α

14 Apparition des intermétalliques Lors du refroidissement des composés intermétalliques peuvent apparaître, soit dans des zones de solubilité totale α σ soit dans des zones de lacune de solubilité α+β μ

15 Apparition des intermétalliques cas 1 Exemple de l apparition du composé FeV dans le diagramme d équilibre Fe-V Situation très fréquente dans les aciers alliés Les composés intermétalliques de ce type sont très fragiles. Il faut donc limiter la teneur en élément d alliages pour les éviter.

16 Apparition des intermétalliques cas 2 La réaction α+β μ d apparition du composé intermétallique est assez similaire à la réaction péritectique L+α β On l appelle de ce fait réaction péritectoide

17 Le cuivre et l étain ont une grande différence de leur points de fusion cuivre (1083) étain (224) Ils forment un diagramme à solubilité partielle avec eutectique. Exemple concret le bronze

18 Le cuivre α et l étain forment 3 intermétalliques à fusion incongruente β, γ et η 2 composés intermétalliques δ et ε, qui apparaissent au refroidissement dans une zone monophasée (γ) 1 composé intermétallique ς, qui apparaît au refroidissement dans une zone biphasée (γ+ε), ce qui donne le péritectoide γ+ε ς Le bronze intermétalliques

19 4 de ces composés intermétalliques (β, γ, δ et ς) disparaissent à l occasion de réactions eutectoides. Il n en reste que deux, à la température ambiante, ε et η. Le bronze intermétalliques

20 Propriétés physiques Effet sur les propriétés Les intermétalliques ayant leur réseau propre ont une densité propre. Propriétés de conduction. Les intermétalliques sont de mauvais conducteurs. Leur présence dans les applications de conduction n est donc pas souhaitée. Il faut toutefois signaler qu il vaut mieux qu une impureté présente dans un conducteur soit combinée dans un intermétallique, plutôt qu en solution. Dans le premier cas une partie du conducteur conduit mal le courant : c est celle où l intermétallique est présent. Dans le deuxième cas, tout le conducteur conduit mal le courant.

Il n y a dès lors pas de possibilité de déformation plastique Ces composés sont donc durs, mais

21 Effet sur les propriétés mécaniques Les liaisons des composés intermétalliques sont principallement de nature ionique ou covalente. Il n y a dès lors pas de possibilité de déformation plastique Ces composés sont donc durs, mais cassants En général, ils sont peu souhaités, car ils fragilisent les métaux. Ils sont, par contre, très bénéfiques lorsqu ils sont disséminés dans une phase métal pur ou solution

22 Effet de combinaisons intermétalliques disséminées dans une matrice métallique. Lorsque les composés intermétalliques sont disséminés dans une phase métallique pure ou solution, ils freinent le mouvement des dislocations, mais ne l entravent pas complètement.

23 Mesure du freinage Par analogie au surcroît de tension nécessaire pour faire fonctionner une source de Franck Read Δσ = Gb l on peut écrire, que le surcroît de tension nécessaire pour contourner les intermétalliques incisaillables vaut Δσ = Gb D D

24 Répartition des intermétalliques D Pour calculer D, il faut savoir comment les intermétalliques sont répartis dans les cristaux métalliques. Le plus simple est la répartition homogène (a) En appelant f la fraction volumique d intermétalliques et d le diamètre, on a πd 6 ³ f = D³

25 On en tire πd 6 ³ f = D³ Relation de Hornboggen 1 = 6 3 D π En substituant, on obtient la relation de Hornboggen 1 Gb f 3 Δσ = 6 3 π d f d qui se généralise pour une répartition quelconque 1 3 Δσ = c Gb f d 1 3

26 Δσ = Illustration de la relation de Hornboggen c Gb f d 1 3

27 Durcissement de précipitation Le durcissement des métaux par des intermétalliques disséminés dans une matrice métallique est appelé durcissement de précipitation. On l obtient en effet généralement en refroidissant une solution et en franchissant rapidement une lacune de solubilité. Il y a alors précipitation d une phase β dans la phase métallique α. Lorsque cette phase β est un intermétallique on a Δσ = qui se généralise en cas de précipités multiples c Δσ = Gb Gb f d n 1 c j * j 3 f dj

28 Durcissement de précipitation C est une méthode de durcissement très efficace des métaux, qui vient en complément De l augmentation du nombre de dislocations De l augmentation du nombre de joints de grains De l ajout d éléments en solution A noter que le durcissement de précipitations fragilise, le métal. On constate, en effet qu à chaque passage de dislocations, des boucles restent accrochées autour des intermétalliques ce qui crée, à la longue, une amorce de fissures (endommagement du métal).

29 Réalisation de la précipitation La réalisation de la précipitation des intermétalliques nécessite L existence d intermétalliques L existence d une lacune de solubilité qui s élargit lorsque la température baisse De bien ajuster la composition de l alliage

30 MMC- Metallic Matrix Composites La métallurgie des poudres permet d atteindre les mêmes objectifs en frittant une poudre métallique autour de Particules Fibres longues ou courtes On obtient alors des composites à matrice métallique ou MMC

31 MMC- renforcement des matrices métalliques Le renforcement par particules dépend surtout de la distance entre les particules D ou de la taille des particules d. Δσ = 1 Gb cgb f 3 = D d

32 MMC- renforcement des matrices métalliques Le renforcement par fibres dépend surtout du rapport entre la longueur et le diamètre des fibres L/d. π dl τ π d² 4 σ σ d L 4τ

33 Renforcement par fibres La métallurgie des poudres permet de disposer les fibres de renfort dans la position souhaitée.

34 Renforcement par fibres Selon le «tissage» les propriétés obtenues sont plus ou moins isotropes.

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