4.1.4.Diagramme Phase

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    4.1.4 Proprits chimiques

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    Les propritschimiquesdes matriaux

    Plan 4.1 Proprits des matriaux

    A - Miscibilit totaleB - Miscibilit partielleC - Diagrammes complexes

    Des Matriaux Sections 5.1.15.2 sauf 5.2.6

    5.3 sauf formules

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    Dfinitions

    * Les matriaux utiliss sont rarement des corps purs- ex.: alliages, acier, etc.

    * Composant - corps chimiquement pur (T f dfinie)- ex.: lment simple (Fe, Cu, Al, C, etc.) composs deproportions fixes (NaCl. Al 2O 3, etc.)

    * Phase - rgions homognes dun corps caractrise par unestructure et un arrangement atomique identique

    - ex.: H 2O 0C; H 2O + huile

    * Constituant - phases mlanges mais non confondues- ex.: leutectique

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    * Diagramme dquilibre - sert reprsenter les domaines destabilit des phases en fonction de plusieurs variables :

    >>> la temprature>>> la composition (% massique)>>> la pression obtenue par des changements lents

    Diagramme de phase typique pour un seul composant

    Permet de reprsenter les domaines de stabi litdes phases et les condi tionsdquilibre entre plusieurs phases

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    Pour ce qui est des phases liquides et solides, la pression na que peu dinfluence et peut tre nglige, ce qui permet dtudiersous un diagramme 2D leffet de la temprature et de lacomposition.

    Diagramme dun systme binaire

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    A. Miscibilit totale

    Systme binaireMiscibilit = formation dun mlange parfaitement homogne. Doncune miscibilit totale ltat solide signifie que, lorsque le systme estsolidifi, il ne reste quune seule phase en prsence.

    une temprature donne, la composition des phases en quilibrdonne par les intersections de lisotherme avec le liquidus et lesolidus. Donc i, pour un alliage ayant une composition C0, la phasesolide a une composition CS tandis que la phase liquide a unecomposition CL

    Lintervalle de solidification est donn

    par

    L - S

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    T e m p

    r a

    t u r e

    Composition

    ?

    C0 CLCS

    Liquide

    Solide

    L + S

    f S f L (proportionde liquide)

    f tot = f L + f S = 1

    l Ll ST

    Suivant la loi de la conservation de la masse et la rgle des brde levier (valide pour les domaines biphass des diagrammes binaires), il est possible de calculer les proportions relatives dchacune des phases.

    - analogie avec une balance

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    Pour garder lquilibre,

    F = 0 f L + f S = 1

    M = 0 f L l L = f S l S

    ou, l S = C O - C S l L = C L - C O

    f C C C C S

    L O

    L S

    f C C C C L

    O S

    L S

    Fraction solide

    Fraction liquide

    Nous obtenons donc par substitution:

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    Exemple - alliage 40% Cu - 60% Ni 1300C

    CS CLCO

    f C C C C

    f f

    S L O

    L S

    L S

    53 40

    53 350 72

    1 0 28

    ,

    ,

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    Donc, en rsum, le diagramme dquilibre donne unereprsentation graphique du domaine de stabilit des phases.

    Dans un domaine biphas, il donne...(a) les phases en prsence (L, S)

    (b) la composition de chacune des phases en quilibre unetemprature donne(c) la proportion des phases en prsence dans le cas dun alliage decomposition C 0

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    Rgle gnrale, pour que deux composants soiententirement miscibles ltat solide, quatre conditionsdoivent tre remplies:

    (a) diffrences de diamtres atomiques infrieures 15%

    (b) mmes structures cristallines

    (c) valences gales

    (d) lectrongativits semblables

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    B. Miscibilit partielleSi les rgles de miscibilit ne sont pas entirement satisfaites, on auune miscibilit partielle ou encore la formation de compossintermdiaires. Transformations eutectiques Diagramme plomb - tain

    - ltat liquide miscibilit complte- ltat solide, solubilit maximale 183 C

    Sn dans Pb : 18% Sn Pb dans Sn : 2,5% Pb

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    Point eutectique (E)

    ce point, trois phases sont en quilibre 183C; degr de libert nul1 phase liquide (62% Sn)

    2 phases solides : a (18% Sn) b (97,5% Sn)

    Point eutectique

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    Eutectique (CE = 62 % Sn) Hypoeutectique (18 % Sn < C < 62 % Sn)Hypereutectique (62 % Sn < C < 97,5)

    Solidification dalliages de diffrentes compositions (a) compositioneutectique C = C E = 62% Sn

    C E = 62% Snconstituant eutectique : solide biphas,

    agrgat des phases a et b de composition moyenne C E

    a : noir b : blanc

    L a b 183C

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    (b) composition hors eutectique

    si C < C E : hypoeutectiquesi C > C E : hypereutectique

    ex.: alliage hypoeutectique 30% Sn

    a

    microstructure225C

    184C

    L

    20C

    a

    a 1

    a E : noir b E : blanc

    a 1

    C = 30% Sn

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    (b) composition hors eutectique (suite)

    Rsum et microstructure

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    (c) composition dun alliage monophas

    ex.: Sn < 18%

    C = 10% Sn

    la temprature ambiante : solide biphas, phase a (phase principale) phase b prcipite

    a

    limite de solubilit de Sn dans Pb

    entre 130C et 400C, miscibilit complte

    microstructure

    b

    300C

    200C

    L

    a

    20C

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    Exemple: alliage Ag-Cu

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    C. Diagrammes complexes Phases intermdiaires

    Diagramme plomb bismuth- phase intermdiaire b - point pritectique : transformation

    dune phase solide et dune phase liquide en une nouvelle phasesolide unique (L+ )

    Point pritectique

    Point eutectique

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    Diagramme cuivre - magnsium- phases intermdiaires b et g - 3 diagrammes distincts, chacun prsentantune transformation eutectique

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    Diagramme fer-carbone

    Aciers et fontes %C < 2% aciers%C > 2% fontes

    Phases : ferrite (c.c.)

    g : austnite (c.f.c.) a : ferrite (c.c.)

    Fe 3C : cmentite

    eutectique

    eutectode

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    Ferrite (phase a) - solution solide de C (max 0,02%)dans le fer de structure cubique centre

    Austnite (phase g) - solution solide de C (max 2,1%)dans le fer de structure cubique faces centre

    Cmentite - carbure de fer Fe 3C (max 6,68% C)

    Perlite - mlange eutectode de lamelles de ferrite etde cmentite cr par la dcomposition de laustnite(0,8% C)

    Transformations allotropiques g a

    Transformations eutectiques L g + Fe3C

    Transformations pritectique L + g

    Transformations eutectode g a + Fe3C

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    Diagramme ternaire Exemple : ciment hydraulique

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    Diffusion (section 5.3)Les changements de composition entre les diffrentesphases au cours du refroidissement (ou du chauffage)des matriaux ne peut tre expliqus que par desmouvements datomes.

    Cest la DIFFUSION

    - phnomne activ thermiquement

    Les atomes en substitution ont besoin de lacunes pourse dplacer.

    Les atomes en insertion nont pas besoin de lacunes.

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    Application de la diffusion

    -Homognisation

    -Traitements thermiques

    -Soudage et brasage

    - Dopage des semi-conducteurs

    - Modification chimique des verres

    - Frittage

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