Diagramme équilibre

Chapitre IIDiagramme de phases

Chapitre IIDiagramme de phases

Mtallurgie ENSAM Casablanca

Introduction


Introduction & dfinitions

Un diagramme de phases (diagramme dquilibre) permet dersumer les constitutions dquilibre dun systme dalliage.Un diagramme de phases permet de prdire, pour un mlangedonn, la constitution des phases en prsence, en quilibre les unesavec les autres.

Deux facteurs physiques ont une influence sur la nature et la

Introduction


Deux facteurs physiques ont une influence sur la nature et lacomposition des phases prsentes :- La temprature qui joue un rle particulirement important lorsde la coule et dans les modifications des proprits mcaniques desalliages dentaires,- La pression qui est habituellement nglige car elle na dinfluencequa des niveaux extrmement lves.


Deux types de transformations peuvent tre retrouves dans lesdiagrammes de phases.

Transformations liquide-solide donne les diagrammes desolidification.

Transformations solide-solide permet de prdire les proprits dun

Introduction


Transformations solide-solide permet de prdire les proprits dunalliage aprs traitement thermique.


Dfinitions

Une phase est un domaine du matriau dont les propritsphysiques et chimiques sont uniformes. Cette rgion ou cet ensemblede rgions sont caractriss par une structure et par un arrangementatomique identiques. Un composant est un corps pur. Il peut tre simple (exemples : Ti,Ag, Cu) ou tre un compos chimique (H2O, Al2O3, SiO2).


Ag, Cu) ou tre un compos chimique (H2O, Al2O3, SiO2).

Un composant peut tre prsent dans diffrentes phases, parexemple un glaon dans de leau liquide.Deux composants mlangs peuvent ne former quune seule phase,comme leau est lalcool.Sils peuvent se mlanger quel que soit le dosage, on dit quils sonttotalement miscibles.Sils ne peuvent se mlanger, comme leau et lhuile, ils forment alorsdeux phases, distinctes et sont dits non miscibles.

Construction dun diagramme de phases

Les diagrammes de phases binaires sont les diagrammes les plussimples a tablir. Les courbes du diagramme de phases dterminent- Les limites de domaines dans lesquels peuvent exister des phases,- La composition- Les proportions de ces diffrentes phases.

Solidification


A lexception du mercure, lorsquon refroidit un mtal ou un alliageen fusion temprature ambiante entraine une solidification. Lepassage de la phase liquide la phase solide sappelle unchangement de phase.

Lorsquun mtal pur en fusion est refroidi, sous pression constante(pression atmosphrique par exemple), le changement de phaseseffectue toujours une temprature fixe : le point de fusion.Au point de fusion, les deux phases liquide et solide co-existent.


La dtermination de ce point seffectue en enregistrant la courbe derefroidissement (temprature en fonction du temps).Ce palier isotherme est dautant plus marqu que le refroidissementest lent et que la masse dalliage est plus grande

Solidification



Pour raliser un alliage, des proportions dfinies de constituantsdiffrents sont fondues et mlanges, puis lensemble est refroidi.

Lorsquon tudie des alliages, les courbes de solidificationdeviennent beaucoup plus complexes. Elles comportent alorsplusieurs sections de courbes raccordes par des points dinflexion.

Solidification


plusieurs sections de courbes raccordes par des points dinflexion.Parfois, elles comportent galement des paliers de solidificationisotherme.

Chacun des points dinflexion correspond a une variation dunombre de phases. Ainsi, entre deux points dinflexion successifs,lalliage comporte le mme nombre de phases.


Le point dinflexion le plus lev correspond lapparition dunpremier cristal dans lalliage en fusion,Le point dinflexion le plus bas correspond la solidification desdernires traces dalliage en fusion.

Solidification



Pour construire le diagramme de phase dun alliage binaire A-B, ilsuffit denregistrer les courbes de refroidissement pour chaqueconcentration de B dans A en partant de A, mtal pur jusqua B,metal pur

Chaque point du diagramme correspond un alliage dont la

Solidification


Chaque point du diagramme correspond un alliage dont lacomposition est donne par la projection orthogonale du point surlaxe des abscisses.

Miscibilit totale ltat solide

Pour construire le diagramme de phase dun alliage binaire A-B, ilsuffit denregistrer les courbes de refroidissement pour chaqueconcentration de B dans A en partant de A, mtal pur jusqua B,metal pur

Chaque point du diagramme correspond un alliage dont la

Solidification


Chaque point du diagramme correspond un alliage dont lacomposition est donne par la projection orthogonale du point surlaxe des abscisses.


Dtermination de la composition des phases

Le diagramme de phase permet de connaitre chaque instant de lasolidification ou de la fusion, la composition de chacune des phasesen prsence.

Ltude du diagramme cuivre nickel va permettre de comprendrelutilisation des diagrammes de phases.lutilisation des diagrammes de phases.



Dans le cas de lalliage Cu-Ni, nous obtenons:

* la courbe de refroidissement du cuivre avec un palier 1084Cla courbe de refroidissement du nickel avec un palier 1453C.

* Entre ces deux extrmes, les alliages diffrentes concentrationsprsentent un intervalle de solidification non isotherme.



prsentent un intervalle de solidification non isotherme.

De 0% de nickel 100% de nickel:

*les points dinflexion suprieurs qui correspondent au dbut de lasolidification forment une courbe appele liquidus,

*les points dinflexion infrieurs qui correspondent la solidificationtotale forment une courbe appele solidus.


La composition massique globale de lalliage AB est de 65% decuivre et de 35% de nickel.

Lorsque la temprature est suprieure au liquidus, il nexiste quuneseule phase, une phase liquide. Dans tous les cas, le matriau esttotalement homogne avec en tout point une composition de 35% denickel et 65% de cuivre note C .



nickel et 65% de cuivre note C0.

A linstant ou, au cours du refroidissement, la temprature franchitle liquidus, les premiers lments solides primaires apparaissentdans le liquide.

Globalement, la phase liquide conserve la composition C0 alors quela phase solide est de composition Csi beaucoup plus riche ennickel. Lintersection de la barre isotherme avec le liquidus permetde dterminer cette composition.


La temprature continuant sabaisser, la phase liquide vaprogressivement sappauvrir en nickel et senrichir en cuivre.La phase va galement sappauvrir en nickel et senrichir encuivre pour se rapprocher de la composition C0 de lalliage AB.

A 1250C, la phase liquide et la phase solide sont respectivementde composition C et C .



de composition Cl1 et Cs1.

A 1230C, la composition des deux phases devient Cl2 et Cs2.

Lorsque la temprature atteint le solidus, les dernires traces dephase liquide ont la composition finale de Clf alors que la phasesolide rejoint la composition initiale C0.

Lorsque la temprature de AB est inferieure au solidus, il nexistequune seule phase, une phase solide , homogne sur lensemble delalliage et de composition C0 de 35% de nickel et 65% de cuivre.


Proportion de chacune des phases

A linstant o la temprature franchit le liquidus, la phase solide est en quantit infime. La proportion de cette phase va augmenterrapidement avec la baisse de la temprature jusqu reprsenter latotalit de lalliage lorsque le solidus est franchi.Il est possible de calculer les proportions de ces phases.

A une temprature dtermine, on note f la proportion dalliage


A une temprature dtermine, on note fs la proportion dalliagesolide et fl la proportion dalliage liquide, Cs la composition de laphase solide et Cl la composition de la phase liquide.

Daprs le principe de la conservation de la masse, nous pouvonscrire les deux relations suivantes :


Proportion de chacune des phases

Daprs le principe de la conservation de la masse, nous pouvonscrire les deux relations suivantes:

fs + fl = 1fs Cs + fl Cl = Co


De ces deux quations, nous pouvons dterminer la proportion dechacune des deux phases:

f s = Cl Co / Cl Cs et f l = Co Cs / Cl Cs

Cette relation sappelle la rgle des bras de levier ou rgle dessegments inverses.

Miscibilit partielle ltat solide

Elle permet de la mme faon de dterminer les compositions et lesproportions des diffrentes phases dans tous les diagrammes dephase binaires.

Cest videmment le cas le plus frquent dans les alliages binaires.Deux types de transformations peuvent se rencontrer :


- les diagrammes avec point eutectique.

- les diagrammes avec point pritectique.

Diagrammes de phases (miscibilit partielle)

Diagrammes avec point eutectique

Dans ce type de diagramme existe un point invariant dont latemprature est inferieure la temprature de fusion des deuxconstituants.

Exemple

Les tempratures de fusion de largent et du cuivre purs sont


Les tempratures de fusion de largent et du cuivre purs sontrespectivement de 962C et de 1083C.

779C, la solubilit du cuivre dans largent est de 8,8% massique etla solubilit de largent dans le cuivre est de 8% massique.

Au niveau du point E (ou point eutectique), lquilibre stablit entretrois phases :

Une phase liquide dune part, et deux phases solides dautre part.

A ce point, un liquide se transforme simultanment en deux phasessolides :


Diagrammes avec point eutectique


solides :

LE +

Les alliages situe gauche du point eutectique sappelle des alliageshypo-eutectiques et ceux situes la droite des alliages hyper-eutectiques.

Cette appellation est purement conventionnelle et dpendvidemment de lorientation du diagramme de phase.

Aspect micrographique de lalliage eutectique

Si la composition est rigoureusement celle de lalliage eutectique, ici 29% atomique de cuivre dans lalliage argent-cuivre, nousobtenons un agrgat de grains semblables mais tous daspecthtrogne.



En fonction des composants, laspect dun eutectique peut prsenterdiffrentes morphologies, en lamelles, en btonnets, en globules ouaciculaire.

Le mcanisme de formation peut tre expliquer de la faon suivante:Les deux composants, le solvant et le solut ne sont pas miscibles




Les deux composants, le solvant et le solut ne sont pas misciblesdans les proportions eutectiques.

Un premier germe de cristallisation va se former linterface duliquide. Ce germe peut tre par exemple du type soit trs riche enargent. Pour atteindre cette concentration, il va rejeter le cuivre enexcs dans son voisinage immdiat. Ce cuivre va son tour sesolidifier en phase et rejeter alors largent en excs.

Cet argent forme une nouvelle couche Cette succession alternede solidification de deux types cristallins diffrents donne cet aspectcaractristique des alliages eutectiques




Alliage hypoeutectique / Alliage hypereutectique

Dans le cas dun alliage hypo-eutectique, lorsque la tempraturedescend sous le niveau du liquidus, il y a apparition de grains destructure riche en argent dans un liquide plus riche en cuivre.Lorsque la temprature passe sous la temprature eutectique,lensemble se solidifie avec un mlange de grains de nature et degrains semblables lalliage eutectique.



grains semblables lalliage eutectique.

Les grains sont appels primaire ou pro-eutectique car ils sesont forms avant lapparition de leutectique. Le phnomneidentique se produit pour les alliages hypereutectiques, avecapparition des grains primaire puis de leutectique.


Alliage hypoeutectique / Alliage hypereutectique


Cas particuliers: Les dendrites

Au cours du refroidissement, les parois du moule sont les zones lesplus froides, o habituellement dbute la solidification. Cettesolidification avance normalement selon un front unique et rejette etenrichit le liquide en contact avec du solut.Parfois, une croissance localise du front solide permet de percercette couche enrichie de solut pour se retrouver en contact



cette couche enrichie de solut pour se retrouver en contact nouveau avec un liquide riche en solvant.Il y a alors cristallisation rapide et ce relief va croitre rapidementsous forme arborescente pour former des dendrites

Pour quun alliage soit homogne, il est ncessaire que lerefroidissement se produise lentement pour que la diffusion entre lesdiffrentes phases puisse se produire.

Ainsi lors du refroidissement dans une transformation eutectique,lorsquune phase primaire se forme dans le liquide, la taille de cesolide fait quau cours de la solidification totale, lextrieur peut

Cas particuliers: La sgrgation


solide fait quau cours de la solidification totale, lextrieur peutdiffuser mais le cur de cet primaire conserve un gradient deconcentration lev en solvant.


Le mcanisme de la transformation eutectode est trs ressemblant la transformation eutectique, mais au cours de cette transformation,cest une phase solide qui se transforme simultanment en deuxnouvelles phases solides.

+

Diagrammes avec point eutectode


+




1: transformation pritectique 2: transformation eutectique 3: transformation eutectode

Dans une transformation pritectique, une phase liquide et unephase solide se transforment en une seule phase solide decomposition dfinie.

Le point peritectique (point P) est invariant, temprature fixe avecun quilibre entre les trois phases.

Diagrammes avec point pritectique


+ L




Le liquidus (en rouge) et le solidus (en bleu) nont que deux points de rencontre 0% et 100% de platine. Le point P est appel point peritectique du diagramme.

La partie suprieure du diagramme de phases de lalliage argentplatine illustre laspect typique dune transformation du typeperitectique.

Le point peritectique se situe 1185C pour une composition de55%m de platine et 45%m dargent

Diagrammes avec point pritectique


A cette composition, juste au-dessus de 1185C coexistent deuxphases, une phase solide de composition C = 86% Pt et une phaseliquide de composition Cl = 32% Pt.

A 1185C, ces deux phases se transforment brutalement en une seulephase solide de composition C = 55% Pt.


Le mcanisme de la transformation pritectoide est trs ressemblant la transformation pritectique, mais au cours de cettetransformation solide, ce sont deux phases solides qui setransforment simultanment en une nouvelle phase solide.

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Diagrammes avec point pritectoide


+


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