Chapitre IIIDiagrammes d’équilibres

I- GENERALITE:

*Alliage: Produit de caractère métallique résultant de l’incorporation d’un ou plusieurséléments à un métal.

*Les états de la matière: trois états sont généralement distingués, solide, liquide etgazeux.

Leurs changements:Solide Liquide (Fusion)Gaz Solide (Condensation)Liquide Solide (Solidification)Gaz Liquide (Liquéfaction)Solide Gaz (Sublimation)Liquide Gaz (Vaporisation)

*Matériau homogène: les éléments constitutifs sont de même nature et les arrangementsdes atomes sont périodique (≠ hétérogène)

II- Diagramme d’équilibre binaire:

Un diagramme d’équilibre binaire appelé aussi diagramme de phase représente les domainesde stabilité des phases du mélange de deux corps purs en fonction de deux variables: latempérature θ et la composition nominale C du mélange exprimée en % massique.

Phase: une phase peut être définie comme une portion homogène d’un système qui possèdedes caractéristiques physiques et chimiques uniformes. Chaque corps pur est considérécomme une phase quel que soit son état solide, liquide ou gazeux.

1) Miscibilité totale à l’état solide:

*Miscibilité: Aptitude à former avec un autre corps un mélange homogène.

Ex: Diagramme binaire Ni-Cu

Sur les deux axes verticaux correspondant au Ni pur et Cu pur, on porte le point de latempérature de fusion de ces deux corps purs.

Pour une concentration nominale C0 = 60% Cu, on porte le point représentatif de latempérature θL marquant le début de la solidification à 1290°C de cet alliage et le pointreprésentatif θS marquant la fin de la solidification à 1190°C

Ces températures θL et θS ont été obtenues grâce à la courbe de refroidissement à l’équilibrede cet alliage contenant 60% de Cu.

On procède de façon semblable pour les températures θL et θS caractéristique d’autre alliagesNi-Cu de composition nominale C0 différentes. Ex: C0=30% Cu et 80% Cu.

- La courbe passant par les températures θL de début de solidification est appelée: Leliquidus.

- La courbe passant par les températures θS de fin de solidification est appelée: Le solidus.

- Les courbes de Solidus et Liquidus délimitent ainsi 03 domaines:

• A haute température un domaine monophasé où l’alliage se présente sous une seulephase liquide.

• A basse température un domaine monophasé où l’alliage se présente sous une seulephase solide.

• A température intermédiaire, un domaine biphasé où l’alliage est constitué de 02phases, l’une liquide et l’autre solide qui sont en équilibre.

θs

θL

x

x

Lecture d’un diagramme d’équilibre:

Le diagramme permet de connaitre complètement l’état d’un alliage de composition C0 portéà une température θ. Cet état est caractérisé par:

- Les phases en présence et leurs états (liquide ou solide),

- Leurs compositions,

- Leurs proportions relatives.

*Si le point représentatif (60%Cu, 1400°C) est dans un domaine monophasé, l’alliage contientune seule phase, de composition 60%Cu et ayant une proportion égale à 100%

*Si le point représentatif (60%Cu, 1250°C) est dans un domaine biphasé, l’alliage contient 02phases (ici un liquide et un solide).

Les intersections de l’isotherme à 1250°C avec les frontières du domaine biphasé c’est-à-direavec les lignes de liquidus et de solidus donnent alors respectivement la composition CL de laphase liquide et CS de la phase solide.

Pour calculer les proportions respectives de liquide et de solide en équilibre à cettetempérature il faut appliquer la règle des segments inverses.

Règle des segments inverses:

Considérons un alliage à 60% Cu porté à la température de 1250°C, cet alliage est constituéde 02 phases, l’une liquide de composition CL et l’autre solide de composition CS.

Calculons les proportions fL et fS de chacune de ses phases

On a : fL + fS = 1

Pour notre exemple:

Proportion de solution solide à 48% Cu :

Proportion de solution liquide à 66% Cu :

2) Miscibilité partielle à l’état solide:

C’est évidemment le cas le plus fréquent dans les alliages binaires. Trois types detransformations peuvent se rencontrer : les diagrammes avec point eutectique, eutectoide etles diagrammes avec point péritectique.

Quelques exemples :

Pour notre exemple:

Proportion de solution solide à 48% Cu :

Proportion de solution liquide à 66% Cu :

2) Miscibilité partielle à l’état solide:

C’est évidemment le cas le plus fréquent dans les alliages binaires. Trois types detransformations peuvent se rencontrer : les diagrammes avec point eutectique, eutectoide etles diagrammes avec point péritectique.

Quelques exemples :

%.fS 333304866

6066

%.fL 676704866

4860

Pour notre exemple:

Proportion de solution solide à 48% Cu :

Proportion de solution liquide à 66% Cu :

2) Miscibilité partielle à l’état solide:

C’est évidemment le cas le plus fréquent dans les alliages binaires. Trois types detransformations peuvent se rencontrer : les diagrammes avec point eutectique, eutectoide etles diagrammes avec point péritectique.

Quelques exemples :

2.1 DIAGRAMMES AVEC POINT EUTECTIQUE

L’exemple présenté ici est l’alliagebinaire argent-cuivre.

- Le liquidus (en rouge) et le solidus(en bleu)

- Le diagramme Ag-Cu montre unsolidus formé de 03 branches: 02obliques et 01 horizontale.

* Sous les branches obliques dusolidus, les alliages sont homogènes.Ce sont des solutions solides.

· L’une riche en Argent (Ag) et pauvreen Cuivre (Cu) est appelée solutionsolide α

· L’autre riche en Cuivre (Cu) etpauvre en Argent (Ag) estappelée solution solide β

* Sous les branches horizontales se trouvent les alliages qui à l’état solide sont hétérogènes etformés de deux solutions solides α et β.

La transformation eutectique:

Cette transformation est commune à tous les alliages contenant entre 8.8 et 92 % Cu.

A 779°C, le liquide à 29.9 % Cu et 70.1 % Ag (point E), la solution solide α à 8.8 % Cu(point A) et la solution solide β à 92 % Cu (point B) coexistent.

La solidification correspond à la réaction:

Cette transformation est appelée transformation eutectique

Cu)%92(àCu)%8.8(àCu)%29.9(à

Bsol.sol.Asol.sol.C779

ELliquide

- Sous les branches obliques du solidus, les alliages sont homogènes. Ce sont des solutionssolides.

A B

2.2 DIAGRAMMES AVEC POINT PERITECTIQUE

L’exemple présenté ici est l’alliagebinaire argent-platine.

- Dans une transformationpéritectique, une phase liquide etune phase solide se transforment enune seule phase solide decomposition définie. Le pointpéritectique (point P) est invariant, àtempérature fixe avec un équilibreentre les trois phases.

- La partie supérieure du diagrammede phases de l’alliage argent platine(figure) illustre l’aspect typiqued’une transformation du typepéritectique. Le point péritectique sesitue à 1185°C pour une composition de 55%m de platine et 45%m d’argent.

- À cette composition, juste au-dessus de 1185°C coexistent deux phases, une phase β solidede composition Cβ = 86% Pt et une phase liquide de composition CL = 32% Pt. À 1185°C, cesdeux phases se transforment brutalement en une seule phase solide α de composition Cα =55% Pt.

Cette transformation est appelée transformation péritectique

2.3 DIAGRAMMES AVEC POINT EUTECTOIDE

Le mécanisme de la transformation eutectoide est très ressemblant à la transformationeutectique, mais au cours de cette transformation, c’est une phase solide qui se transformesimultanément en deux nouvelles phases solides

Pt)%55(àPt)%86(àPt)%32(à

Psol.sol.αC11852Psol.sol.β1PLliquide

γsol.sol.βsol.sol.αsol.sol. csteθ

3. Courbes de solidification (ou de refroidissement)

Ce sont les courbes θ (t) donnant l’évolution de la température pendant le refroidissement. Ilen existe trois types principaux.

a) Solidification à température constante:

La solidification commence et se termine à lamême température θs (figure). Jusqu’en A1 lecorps est liquide. En A1 apparait le premier germede solide et en A2 disparait la dernière goutte deliquide. Apres A2, le corps est entièrement solide.

Le segment A1A2 est appelé palier desolidification.

Cette courbe-type correspond à la solidificationdes corps purs, métaux, de plus aux alliageseutectiques qui sont hétérogènes à l’état solide.

b) Solidification à température variable:

C’est le cas des alliages conduisant à des solutionssolides. La solidification commence à unetempérature θ1 et s’achève à une température θ2

inferieure à θ1. il n’y a plus de palier desolidification. La transformation liquide solides’effectue tout le long de la portion de courbe A1A2

(figure)

c) Solidification à température variable puisconstante:

Ce type de solidification (figure) correspond aucas général des alliages hétérogènes à l’état solide.La solidification commence en un point A1

(température θ1), se poursuit jusqu’en A’(température θ2). De A1 à A’, le solide qui sedépose est homogène. La solidification s’achève deA’ en A2 par un palier à la température θ2 où leliquide restant se solidifie en un alliage hétérogène.