Sam 18 Mai 2019 - 0:03 par 
Dans l’industrie, on utilise peu de métaux purs et la notion d’alliages métalliques est essentielle. Ces derniers sont largement utilisés dans divers secteurs : dans l’industrie chimique et pétrolière, dans les installations nucléaires, dans l’industrie agroalimentaire et en biomédecine où les propriétés requises sont la résistance mécanique, la tenue aux attaques corrosives et la stabilité structurale sous contrainte thermique. Les métaux purs répondent mal à ces exigences ; l’emploi de ces matériaux est limité aux technologies de pointes (semi-conducteurs, conducteurs thermiques, électrodéposition) ou bien à des fins esthétiques (bijouterie, chromage).
Nous allons exposer la base thermodynamique de l’étude des alliages qui est « les diagrammes d’équilibre » en nous limitant aux alliages binaires, mais on les transposera facilement au cas d’alliages plus complexes (ternaires ou quaternaires). Deux corps, A et B, peuvent être miscibles en toutes proportions (solutions solides continues), sinon former des domaines intermédiaires.
À titre d’exemple, la figure 1 illustre un diagramme d’équilibre de phases binaire simplifié. Les phases et aux deux extrémités, s’appellent solutions solides terminales, dans la phase on a ajouté des atomes B au métal A pur sans changer sa structure cristallographique (cubique à faces centrée). Idem pour la phase où on a ajouté des atomes de A au métal B pur, sans en modifier la structure cristalline (cubique centrée, se référer à l’Article n°2 : Cristallographie des Métaux). Au-delà des températures de fusion de A et B (respectivement Tf(A) et Tf(B)), on tombe dans le domaine liquide L. Les autres phases de la figure sont dites solutions solides Intermédiaires, on a les phases (L+a) et (L+b) entre le domaine liquide L et le domaine de solution solide (a+b).
Figure 1 : Diagramme d’équilibre A-B.
Lorsque la composition des phases intermédiaires est bien définie ou ne varie que dans des limites très étroites, on dit que A et B forment un composé intermétallique caractérisé en général par une formule moléculaire AxBy , bien que son domaine de stabilité puisse couvrir un certain intervalle de concentration. Les solutions solides intermédiaires sont séparées entre elles, ou des solutions solides terminales, par des zones biphasées (cas du diagramme d’équilibre Cu-Zn).
Les phases observées dans les diagrammes d’équilibre, ainsi que leurs domaines de composition sont déterminés par un principe de base de la thermodynamique : « pour un système chimique comprenant plusieurs constituants en des proportions déterminées, à une température et une pression données, l’état d’équilibre est unique et est celui pour lequel son enthalpie libre G est minimale ». On peut évidemment observer dans certaines conditions, surtout à basse température, des phases qui ne sont pas des phases d’équilibre (phases métastables) si le système ne peut évoluer pour des raisons cinétiques vers son état d’équilibre.
Dans les conditions métallurgiques usuelles, la pression n’intervient pas (pression atmosphérique). Pour les systèmes à deux constituants, il reste deux paramètres : température et composition.
Les conditions thermodynamiques de solubilité ou d’apparition de démixtion dans un alliage A-B à une température T donnée sont liées aux valeurs de l’enthalpie libre de dissolution ΔG correspondant à l’équation chimique suivante :
n(A) atomes de A + n(B) atomes de B → n(A) + n(B) atomes en solution AB.
Mots clés : Alliages métalliques, Diagramme d’équilibre de phases, Thermodynamique, Solution solide AB, Solution solide intermédiaire, Composé intermétallique, Température.
Nous allons exposer la base thermodynamique de l’étude des alliages qui est « les diagrammes d’équilibre » en nous limitant aux alliages binaires, mais on les transposera facilement au cas d’alliages plus complexes (ternaires ou quaternaires). Deux corps, A et B, peuvent être miscibles en toutes proportions (solutions solides continues), sinon former des domaines intermédiaires.
À titre d’exemple, la figure 1 illustre un diagramme d’équilibre de phases binaire simplifié. Les phases et aux deux extrémités, s’appellent solutions solides terminales, dans la phase on a ajouté des atomes B au métal A pur sans changer sa structure cristallographique (cubique à faces centrée). Idem pour la phase où on a ajouté des atomes de A au métal B pur, sans en modifier la structure cristalline (cubique centrée, se référer à l’Article n°2 : Cristallographie des Métaux). Au-delà des températures de fusion de A et B (respectivement Tf(A) et Tf(B)), on tombe dans le domaine liquide L. Les autres phases de la figure sont dites solutions solides Intermédiaires, on a les phases (L+a) et (L+b) entre le domaine liquide L et le domaine de solution solide (a+b).
Figure 1 : Diagramme d’équilibre A-B.
Lorsque la composition des phases intermédiaires est bien définie ou ne varie que dans des limites très étroites, on dit que A et B forment un composé intermétallique caractérisé en général par une formule moléculaire AxBy , bien que son domaine de stabilité puisse couvrir un certain intervalle de concentration. Les solutions solides intermédiaires sont séparées entre elles, ou des solutions solides terminales, par des zones biphasées (cas du diagramme d’équilibre Cu-Zn).
Les phases observées dans les diagrammes d’équilibre, ainsi que leurs domaines de composition sont déterminés par un principe de base de la thermodynamique : « pour un système chimique comprenant plusieurs constituants en des proportions déterminées, à une température et une pression données, l’état d’équilibre est unique et est celui pour lequel son enthalpie libre G est minimale ». On peut évidemment observer dans certaines conditions, surtout à basse température, des phases qui ne sont pas des phases d’équilibre (phases métastables) si le système ne peut évoluer pour des raisons cinétiques vers son état d’équilibre.
Dans les conditions métallurgiques usuelles, la pression n’intervient pas (pression atmosphérique). Pour les systèmes à deux constituants, il reste deux paramètres : température et composition.
Les conditions thermodynamiques de solubilité ou d’apparition de démixtion dans un alliage A-B à une température T donnée sont liées aux valeurs de l’enthalpie libre de dissolution ΔG correspondant à l’équation chimique suivante :
n(A) atomes de A + n(B) atomes de B → n(A) + n(B) atomes en solution AB.
Mots clés : Alliages métalliques, Diagramme d’équilibre de phases, Thermodynamique, Solution solide AB, Solution solide intermédiaire, Composé intermétallique, Température.
