Science des Matriaux Chapitre 2: Proprits gnrales des
matriaux
Sciences des MatriauxChapitre 3:Equilibre de phases et
thermodynamique des solides
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Rappel
L'atome est la brique lmentaire de la matire.
Un matriau est donc compos d'atomes.
On dnombre une centaine d'atomes diffrents, une centaine
d'lments.
Atome, ses proprits, leur organisation pour former la matire
permet de comprendre les principales proprits des diffrents
matriaux.
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Rappel
Corps pur: corps ne pouvant pas tre dcompos selon les techniques
physiques: dcantation (laisser un liquide reposer), filtration,
distillation (chauffer un liquide pour l'vaporer)
Molcule: plus petite quantit d'un corps pur
Corps simple: corps pur ne pouvant pas tre dcompos selon les
techniques chimiques: prcipitation, dissolution (dcomposition par
un liquide, par exemple l'eau, l'alcool, un acide), pyrolyse
(dcomposition par la chaleur), lectrolyse (dcomposition par
l'lectricit)
Atome : plus petite quantit d'un corps simple; une molcule de
corps simple peut se composer de plusieurs atomes identiques
lment : ensemble d'atomes tous identiques
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Rappel
Le tableau priodique:
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Rappel
On distingue deux grandes catgories d'lments: les mtaux et les
non-mtaux. La sparation est une ligne diagonale allant du bore au
polonium.
L'hydrogne, aux trs fortes pressions, cristallise et forme un
mtal, mais ce phnomne n'ayant pas lieu dans les conditions
habituelles sur Terre, il n'est habituellement pas considr comme un
mtal.
Pour fixer les ides sur l'abondance des lments:
llment le plus rpandu dans lUnivers est lhydrogne (toiles et
hydrogne interstellaire);
loxygne et le silicium sont les lments les plus rpandus sur
Terre (roches);
le cur de la Terre, le noyau terrestre, est compos de fer (80%)
et de nickel.
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Les liaisons chimiques
La liaison covalente
La liaison ionique
La liaison mtallique
La liaison faible ou secondaire
Le caractre mixte des liaisons
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Les liaisons chimiques
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Equilibre de phases et thermodynamique des solides
La matire change d'tat selon la pression et la temprature.
Par exemple, l'eau pure sous pression atmosphrique est sous
forme de glace en dessous de0Cet sous forme de vapeur au dessus
de100C; le phnomne est un peu plus complexe puisque l'eau peut
s'vaporer temprature ambiante, mais on n'a jamais d'eau liquide au
dessus de100C.
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Les phases
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Les substances se prsentent sous trois tats physiques distincts
: la phase gazeuse, la phase liquide et la phase solide.
Les trois phases se distinguent par lespacement et la mobilit
des molcules.
Substance pure gazeuse
Substance pure solide
Mlange homogne gazeux
Mlange homogne liquide
Substance pure liquide
Mlange htrogne solide
Equilibre de phases et thermodynamique des solides
On sintresse aux changements solide-liquide, mais aussi les
transformations l'tat solide, toujours sous pression
atmosphrique.
Nous ne prendrons en compte que la temprature et la composition
chimique de la matire.
Diagramme de phases: cest un diagramme dquilibre les variations
de temprature sont infinies est lentes.
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Diagramme de phases
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Exemple: eau et sel
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Les transitions entre les phases
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Les transitions entre les phases
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L'tat d'quilibre d'un corps pur est dtermin par le triplet
(p, V, T) ou encore un point dans l'espace; l'ensemble des tats
d'quilibre forme alors une surface.
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Diagramme de phase dun corps pur
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Temprature (C)
Pression (kPa)
Point triple
Point critique
Solide
Liquide
Gaz
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Diagramme de phase dun corps pur
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Temprature (C)
Pression (kPa)
100
200
300
400
-100
0
100
200
300
Liquide
Solide
Gaz
Etat physique:
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Diagramme de phase dun corps pur
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Temprature (C)
Pression (kPa)
100
200
300
400
-100
0
100
200
300
Liquide
Solide
Gaz
Temprature de changement de phase:
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Diagramme de phase dun mlange binaire
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Il existe une multitude de cas possibles, mais nous n'en verrons
que les trois principaux:
Diagramme fuseau unique, dit miscibilit complte;
Diagramme eutectique unique;
Diagramme eutectique et eutectode.
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Diagrammes miscibilit complte
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Diagramme miscibilit partielle
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Diagramme miscibilit partielle
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La suite
Diagramme de phase
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Construction dun diagramme de phases
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
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Construction dun diagramme de phases
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Alliage de composition AB
Mtal pur
Lorsquun mtal pur en fusion est refroidi, sous pression
constante, le changement de phase seffectue toujours une temprature
fixe: le point de fusion
Pour raliser un alliage, des proportions dfinies de constituants
diffrents sont fondues et mlanges, puis lensemble est refroidi.
Construction dun diagramme de phases
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Pour construire le diagramme de phase dun alliage binaire A-B,
il suffit denregistrer les courbes de refroidissement pour chaque
concentration de B dans A en partant de A, mtal pur jusqu B, mtal
pur.
Construction dun diagramme de phases
Diagrammes de phases avec miscibilit totale ltat solide
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La courbe de refroidissement du cuivre avec un palier 1084C et
la courbe de refroidissement du nickel avec un palier 1453C. Entre
ces deux extrmes, les alliages diffrentes concentrations prsentent
un intervalle de solidification non isotherme. De 0% de nickel 100%
de nickel, les points dinflexion suprieurs qui correspondent au
dbut de la solidification forment une courbe appeleliquidus, les
points dinflexion infrieurs qui correspondent la solidification
totale forment une courbe appelesolidus.
Construction dun diagramme de phases
Diagrammes de phases avec miscibilit totale ltat solide
1Composition des phases
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La composition massique global
de lalliage AB ?
Composition de lalliage AB :
Temprature > liquidus
liquidus>Temprature >Solidus
Temprature < Ssolidus
AB
Construction dun diagramme de phases
Diagrammes de phases avec miscibilit totale ltat solide
2proportion en masse de chaque phase:
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Soit :
fs la proportion dalliage solide
fl la proportion de lalliage liquide
Cs la composition de la phase solide
Cl la composition de la phase liquide
Principe de conservation des masses
Rgle de bras levier ou des segments inverss:
fs + fl = 1
Construction dun diagramme de phases
Diagrammes de phases avec miscibilit totale ltat solide
2proportion en masse de chaque phase:
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TempratureCsClfsfs
Application 1
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Application 1
Remplir le tableau suivant sachant que la composition de
lalliage est :
40% sb et 60% Bi
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TempratureCsClfsfs
Application 2
Soit le tableau de solidus et liquidus du Ge-Si:
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Composition en %m de Si Temprature Solidus Temprature liquidus
093893810100511472010651226301123127840117813155012321346601282136770132613858013591397901390140810014141414
Application 2
Faire le diagramme dquilibre
Identifier chaque rgion
On mlange 8.43g de Si et 14.52g de Ge
Dterminer la fraction massique globale du Si
Dterminer la nature et la composition massique de chaque phase
1200C
D2terminer les masses des phases en prsence 1200C
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Construction dun diagramme de phases
Diagrammes de phases avec miscibilit partielle ltat solide
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Diagrammes avec point eutectique
Eutectique(v=0) en E:liquide solide (A) + solide (B)
Eutectique simple
Eutectique avec solution solide partielle
Construction dun diagramme de phases
Diagrammes de phases avec miscibilit partielle ltat solide
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Pritectique(v=0) en P:solide AB liquide (L) + solide (B)
Construction dun diagramme de phases
Diagrammes de phases avec miscibilit partielle ltat solide
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Construction dun diagramme de phases
Diagrammes avec point eutectode
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 deux nouvelles phases solides (Le diagramme de
phases Fer-Carbone est prsent en annexe).y +
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Construction dun diagramme de phases
Diagrammes avec point pritectique
Dans une transformation pritectique, une phase liquide et une
phase solide se transforment en une seule phase solide de
composition dfinie. Le point pritectique (point P,figure 13) est
invariant, temprature fixe avec un quilibre entre les trois phases.
+ L
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Application 3
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Application 3
Le nom du point (0,6 ; 62)
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