M2104- Mise en œuvre et comportement des matériaux L.HATTALI 8 heures A.SEGUIN 7 heures 1
1- La structure des métaux 2- Diagrammes d'équilibre: Microstructure 3- Diagrammes d'équilibre: Alliages fer-carbone 4- Transformations isothermes et anisothermes 5-Traitements thermiques, thermo-mécaniques et chimiques des alliages 6- Diffusion et durcissement structurale des alliages 7- Corrosion: Mécanismes et préventions 8- Rupture: Notions et généralités 2
La structure des métaux Lamine HATTALI IUT Cachan 1 ère année Sciences des Matériaux lamine.hattali@u-psud.fr 3
Connaissance et compréhension Compétences et aptitudes Résultats d'apprentissage prévus 1. Définir la constitution, la forme et la taille de la microstructure 2. Interpréter un diagramme de phase 1. Interaction entre la taille et la géométrie des grains et le procédé de mise en forme 2. Détermination de la composition des phases 3. Détermination des quantités de phase Bibliographie - M.F. Ashby, D.R.H. Jones., Microstructure et procédés de mise en oeuvre, Paris, Dunod, 2014 - Physique de l état solide, Paris, Dunod, 2007 4
La structure des métaux (10 0 m) m (10-3 m) mm Cours: «Propriétés mécaniques» Cours: «Défaillance en service» Œil (10-6 m) µm Cours: «Diagramme de phases» microscopie optique (10-9 m) nm Cours: «Cristallographie» microscopie électronique (10-10 m) A (10-15 m) fm Cours: «Liaisons chimique» Cours: «physique subatomique» Diffraction/ Champ proche accélérateurs 5 de particules
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Structures cristallines et structures amorphes C.C C.F.C H.C 7
Structures cristallines et structures amorphes 1536 Fer liquide 1667 Titane liquide Température ( C) 1391 914 Fe d (C.C) Fe g (C.F.C) 882 Ti b (C.C) Fe a (C.C) Ti a (h.c) - Les atomes métalliques tendent à se comporter comme de minuscules billes qui s empileraient de manière aussi dense que possible; - Certains métaux ont plus d une structure cristalline (polymorphisme) 8
Structures cristallines et structures amorphes Faisceau d électron (20W 300 h)) DT= 22000 C/mm Micrographie de la section polie et attaquée chimiquement d un cube de titane. - Cavité V: vapeur de titane - Une couche sombre L qui était le titane liquide - Des grains recristallisés de la phase cristalline de Ti à haute température (b) - La phase de basse température (a) 9
M2104 Mise en œuvre et comportement des matériaux Structures des solutions et des composés - Très peu de métaux sont utilisés à l état pur; Pratiquement, tous ont des éléments d addition et sont utilisés sous forme d alliages - Les éléments de l alliage se dissoudront d abord dans le métal de base en formant des solutions solides (a) Lorsque le rayon atomique de l'élément B est suffisamment faible, cet élément peut occuper les sites interstitiels de la structure A. Seuls les atomes de faible diamètre pourront conduire à des solutions solides de ce type, par exemple C, N, O, H, B. (b) Les atomes du soluté B occupent des sites normalement occupés par des atomes du solvant A. Si même taille ou peu différente et même système cristallographique. (c) Dans les solutions désordonnées, les sites A occupés par des atomes de B sont répartis au hasard. (d) Les atomes B préfèrent être entourés d atomes A (e) Dans les solutions ordonnées, les atomes de soluté B sont répartis de façon régulière. A A B A A B B A B 10
Phases, joints de grains et joints de phases - La phase est une partie homogène d un système dont les caractéristiques physiques et chimiques sont uniformes. Cette partie est caractérisée par une structure et un arrangement atomique identique - Un métal monophasé est polycristallin: Il est fait de millions de petit cristaux ou grains attachés entre eux par des joints de grains 11
Forme des grains et des phases - Les grains existent avec toutes les formes et toutes les tailles; - Forme et taille peuvent avoir une grande influence sur les propriétés du polycristal (Ex. Acier doux; limite d élasticité est doublée en divisant par dix la taille de grain); - La forme des grains dépend fortement du procédé de mise en forme du métal; Laminage: donnent des grains allongés dans le sens de l effort mécanique Moulage: donnent des grains allongés dans le sens de l évacuation de la chaleur 12
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On se limite à l étude des diagrammes d équilibre binaires : deux constituants sont mélangés dans une phase deux phases peuvent coexister Microstructure d un acier au carbone (0,8% pds C) Microstructure d un acier au carbone (0,2 % pds C) vue au microscope optique La microstructure du matériau peut se déduire de l étude du diagramme Ces diagrammes d équilibre sont valables uniquement pour des variations de température lentes (microstructure toujours en équilibre) 14
Solidification à l équilibre 1- Corps pur (élément ou composé défini) La solidification se produit à température constante f f Solidification à l équilibre Diagrammes d équilibre 2- Mélange de deux composants La solidification se produit dans l intervalle de solidification D = ( L - S ) La valeur de D dépend de la composition nominale C 0 du mélange. L S 15
Principe de construction des diagrammes 1- Alliage A-B Soit l ensemble des alliages formés de deux métaux A et B et dont la composition varie de façon continue de 0% de A et 100% de B à 100% de A et 0% de B. Solidification à l équilibre Diagrammes d équilibre L L ensemble des points L joints donne naissance à une courbe appelée LIQUIDUS. Celle donnée par les points S s appelle le SOLIDUS. L ensemble des liquidus et des solidus forme le DIAGRAMME DE SOLIDIFICATION des alliages A et B. 16
a: solution solide Solidification à l équilibre Diagrammes d équilibre Axe des ordonnées : température Axe des abscisses : composition en pourcentage massique Phases : une phase liquide : L une phase solide : α Il existe trois domaines : liquide (L) liquide (L) + solide (α) solide (α) 17
a: solution solide Solidification à l équilibre Diagrammes d équilibre Liquidus: la ligne séparant les domaines de phase L et α+l est appelée liquidus. Au dessus de cette ligne, la phase est liquide pour toute température et toute composition. Solidus: la ligne séparant les domaines α et α +L se trouve le solidus. Au dessous de cette ligne, la(les) phase(s) est(sont) solide(s) pour toute température et toute composition. 18
1. Détermination de la composition des phases (règle de l horizontale) Alliage Cu-Ni (65% Cu et 35Ni) Solidification à l équilibre Diagrammes d équilibre Domaine monophasé refroidissement sans réaction a) Lorsque la température est supérieure au liquidus, il n existe qu une seule phase, une phase liquide. Dans tous les cas, le matériau est totalement homogène avec en tout point une composition de 35% de nickel et 65% de cuivre notée C 0. 19
1. Détermination de la composition des phases (règle de l horizontale) Alliage Cu-Ni (65% Cu et 35Ni) Solidification à l équilibre Diagrammes d équilibre Domaine biphasé refroidissement avec réaction b) À l instant où, au cours du refroidissement, la température franchit le liquidus, les premiers éléments solides α primaires apparaissent dans le liquide. Globalement, la phase liquide conserve la composition C 0 =C L = 35% Ni alors que la phase α solide est de composition C α (46% Ni) beaucoup plus riche en nickel. 20
1. Détermination de la composition des phases (règle de l horizontale) Alliage Cu-Ni (65% Cu et 35Ni) Solidification à l équilibre Diagrammes d équilibre Domaine biphasé refroidissement avec réaction c) La température continuant à s abaisser, la phase liquide va progressivement s appauvrir en nickel et s enrichir en cuivre C L = 32%m Ni. La phase α va également s appauvrir en nickel et s enrichir en cuivre C α (43%m Ni) pour se rapprocher de la composition C 0 de l alliage. 21
1. Détermination de la composition des phases (règle de l horizontale) Alliage Cu-Ni (65% Cu et 35Ni) Solidification à l équilibre Diagrammes d équilibre Domaine biphasé refroidissement avec réaction d) Lorsque la température atteint le solidus, les dernières traces de phase liquide ont la composition finale de (C L = 24%m Ni)alors que la phase solide α rejoint la composition initiale C 0 = C α (35%m Ni). 22
1. Détermination de la composition des phases (règle de l horizontale) Alliage Cu-Ni (65% Cu et 35Ni) Solidification à l équilibre Diagrammes d équilibre Domaine monophasé refroidissement sans réaction e) Lorsque la température de AB est inférieure au solidus, il n existe qu une seule phase, une phase solide α, homogène sur l ensemble de l alliage et de composition C 0 = C α (35%m Ni) de 35% de nickel et 65% de cuivre. 23
Solidification à l équilibre Diagrammes d équilibre 2. Détermination des quantités de phase (règle des segments inverses) À une température déterminée, on note f s la proportion d alliage solide et f l la proportion d alliage liquide, C s la composition de la phase solide et C l la composition de la phase liquide. D après le principe de la conservation de la masse, nous pouvons écrire les deux relations suivantes : f s + f l = 1 et f s C s + f l C l = C o De ces deux équations, nous pouvons déterminer la proportion de chacune des deux phases : f s = C l C o / C l C s et f l = C o C s / C l C s Cette relation s appelle la règle des bras de levier ou règle des segments inverses. Elle permet de la même façon de déterminer les compositions et les proportions des différentes phases dans tous les diagrammes de phase binaires. 24
2. Détermination des quantités de phase Solidification à l équilibre Diagrammes d équilibre Alliage Cu-Ni (65% Cu et 35Ni) Exemple: Calculer les quantités de phase dans un alliage Cu-Ni (65% Cu et 35Ni) au point c (T=1250 C) Solution: La phase α contient 43%m de Ni (C α =43%m Ni) La phase liquide contient 32%m de Ni (C L =32%m Ni). La composition initiale est C 0 =35%m de Ni f l = C o C α / C l C α = (35-43)/(32-43) = 0,72 f l = distance / distance De même pour la phase α: f α = C l C o / C l C α = (32-35)/(32-43)= 0,28 f α = distance / distance 25
étude des phases 26
étude des phases Miscibilité totale à l état solide Points eutectiques et Eutectoïdes Miscibilité totale à l état solide 1. Diagrammes de phases avec miscibilité totale à l état solide Ce type de diagramme est appelé diagramme à un fuseau. On obtient un diagramme à un fuseau avec d autres alliages binaires à miscibilité totale à l état solide :Cu-Pd, Ag-Au, Ir-Pt, Ag-Pd Points peritectiques et Péritectoïdes Composé défini Contrairement aux alliages totalement miscibles, ces alliages particuliers ont tendance à présenter des transformations à l état solide avec, soit une zone de démixtion, soit un ordonnancement comme dans le cas de l alliage or-cuivre avec formations de composés AuCu,AuCu3. Exemples d alliages binaires à miscibilité totale à l état solide présentant un diagramme de phase à deux fuseaux :Fe-Cr, Cu- Mg et surtout Au-Cu 27
étude des phases Miscibilité totale à l état solide Points eutectiques et Eutectoïdes Points peritectiques et Péritectoïdes Composé défini Miscibilité partielle à l état solide 2. Diagrammes de phases avec miscibilité partielle à l état solide (Points eutectiques et eutectoïdes) Dans ce type de diagramme existe un point invariant dont la température est inférieure à la température de fusion des deux constituants. Un des intérêts de ces alliages eutectiques et de pouvoir être utilisé en brasure. L exemple présenté ici est l alliage binaire argentcuivre. Au niveau du point E ou point eutectique, l équilibre s établit entre trois phases : une phase liquide d une part, et deux phases solides d autre part. À ce point, un liquide se transforme simultanément en deux phases solides : L E α + ß Le mécanisme de la transformation eutectoïde est très ressemblant à la transformation eutectique, mais au cours de cette transformation, c est une phase solide qui se transforme simultanément en deux nouvelles phases solides g α + ß 28
étude des phases Miscibilité totale à l état solide Points eutectiques et Eutectoïdes Points peritectiques et Péritectoïdes Miscibilité partielle à l état solide 2. Diagrammes de phases avec miscibilité partielle à l état solide (Points péritectique et péritectoîde) Dans une transformation péritectique, une phase liquide et une phase solide se transforment en une seule phase solide de composition définie. Le point péritectique est invariant, à température fixe avec un équilibre entre les trois phases. ß + L α Composé défini Le mécanisme de la transformation péritectoïde est très ressemblant à la transformation péritectique, mais au cours de cette transformation solide, ce sont deux phases solides qui se transforment simultanément en une nouvelle phase solide. α + ß y 29
étude des phases Miscibilité totale à l état solide Points eutectiques et Eutectoïdes Points peritectiques et Péritectoïdes Composé défini Miscibilité partielle à l état solide 3. Diagrammes de phases avec miscibilité partielle à l état solide (Composés définis) Ces composés ne sont généralement stables que sur des domaines de concentration beaucoup plus étroits que les solutions solides intermédiaires Propriétés thermiques : Les températures de fusion de nombreux nitrures et carbures voisinent ou dépassent 3000 C. Propriétés magnétiques : Fe 3 Al et les composés analogues Ni 3 Mn, MnCu 2 Al sont ferromagnétiques. Propriétés électroniques : les semi conducteurs tels que les composés covalents III-V comme InSb, GaAs ou II-VI comme CdTe et les supraconducteurs à haute température critique tels que Nb 3 Sn, V 3 Si ou Nb 3 AlGe. Propriétés mécaniques : Par ailleurs, la grande dureté et le caractère réfractaire des carbures conduit à leur utilisation sous forme de pièces frittées pour certaines applications (outils de coupe par exemple). 30
étude des phases Après avoir étudié ce cours, vous pourrez Établir la différence entre les phases et leur constituants Préciser la notion de solubilité par l étude des diagrammes de phase Caractériser les équilibres de phases à température donnée Déterminer la composition et les quantités relatives des phases en équilibre Indiquer les divers régions de phases des diagrammes Ecrire les réactions des transformations eutectiques, eutectoïdes, péritéctiques et péritéctoïdes 31