Alliages

• Solutions – Thermodynamique des solutions– Propriétés des solutions

• Composés intermétalliques– Thermodynamique– Propriétés

• Quelques exemples type

Composés intermétalliques

• Réseaux cristallographiques propres• Exemples Fe3C et Cu2Mg

Composés intermétalliques

• Liaisons entre A et B dans ces composés AxBy de nature principalement ionique ou covalente.

• Conservation d’un caractère métallique : tous les électrons de valence ne sont pas engagés. Il reste des électrons libres. De là les formulations Fe3C, etc…

Thermodynamique

• Stabilité de la combinaison dans un domaine de concentration.

• Il existe des zones du diagramme, où il y a mélange de cristaux d’intermétalliques et de cristaux de solution.

Composés intermétalliques

• Il peut y avoir plusieurs combinaisons intermétalliques

• Elles existent dans un domaine de concentration, qui ne comprend pas nécessairement le minimum d’énergie libre du AxBy

Fusion congruente des intermétalliques• La fusion des

intermétalliques peut être analogue à celle d’un corps pur. – Une telle fusion est dite

congruente– Elle s’écrit I→L

• Dans un tel cas le diagramme d’équilibre est subdivisé par la ou les combinaisons intermétalliques en sous diagrammes analogues àceux vus précédemment.

Diagramme d’équilibre avec intermétalliques à fusion congruente

• Le plus souvent, c’est une juxtaposition de diagrammes àsolubilité partielle avec – eutectique– et/ou péritectique

Fusion incongruente des intermétalliques• La fusion incongruente des

intermétalliques – S’accompagne de la

formation d’un autre solide– Elle s’écrit I→L+α– Elle s’apparente à une

réaction péritectique• Dans un tel cas le

diagramme d’équilibre, le péritectique, correspondant à la fusion incongruente de l’intermétallique, s’insère dans un diagramme analogue aux précédents.

Diagramme d’équilibre avec intermétalliques à fusion incongruente

• L’insertion peut se faire dans un diagramme– à solubilté nulle– à solubilité partielle avec eutectique ou péritectique

Exemple concret – les laitons

• Le cuivre α et le zinc η forment 4 intermétalliques

– β– γ– δ– ε

à fusion incongruente

• La différence des points de fusion est grande entre le cuivre (1083) et le zinc (419)

Transformations à l’état solideEn plus des 3 transformations vues précédemment

– Passage d’une lacune de solubilité– Recristallisation– Transformations allotropiques

on peut observer à l’état solide, au cours du refroidissement– L’apparition– La disparition

des composés intermétalliques

Disparition des intermétalliques• Les lacunes de solubilité augmentent lorsque les

températures baissent• Il peut en résulter la disparition d’un intermétallique• On a par exemple β→α+γ• C’est une réaction eutectoide

Exemple dans le cas des laitons• Disparition du composé intermétallique δ vers 550°C δ→γ+ε

•A noter dans ce diagramme un autre eutectoideà l’occasion du changement d’état allotropique β→β ’

•On a β→β’+α

Apparition des intermétalliques• Lors du refroidissement des composés intermétalliques

peuvent apparaître,– soit dans des zones de solubilité totale α→σ– soit dans des zones de lacune de solubilité α+β→μ

Apparition des intermétalliques – cas 1

• Exemple de l’apparition du composé FeV dans le diagramme d’équilibre Fe-V

• Situation très fréquente dans les aciers alliés

• Les composés intermétalliques de ce type sont très fragiles.

• Il faut donc limiter la teneur en élément d’alliages pour les éviter.

Apparition des intermétalliques –cas 2

• La réaction α+β→μd’apparition du composéintermétallique est assez similaireà la réaction péritectique L+α→β• On l’appelle de ce fait réactionpéritectoide

Exemple concret – le bronze• Le cuivre et

l’étain ont une grande différence de leur points de fusion – cuivre (1083) – étain (224)

• Ils forment un diagramme àsolubilitépartielle avec eutectique.

Le bronze – intermétalliques• Le cuivre α et l’étain

forment – 3 intermétalliques à

fusion incongruente β, γ et η

– 2 composés intermétalliques δ et ε, qui apparaissent au refroidissement dans une zone monophasée (γ)

– 1 composéintermétallique ς, qui apparaît au refroidissement dans une zone biphasée (γ+ε), ce qui donne le péritectoide γ+ε→ς

Le bronze – intermétalliques

• 4 de ces composés intermétalliques (β, γ, δ et ς) disparaissent àl’occasion de réactions eutectoides.

• Il n’en reste que deux, à la température ambiante, ε et η.

Effet sur les propriétés• Propriétés physiques

– Les intermétalliques ayant leur réseau propre ont une densité propre.

• Propriétés de conduction.– Les intermétalliques sont de mauvais conducteurs. Leur

présence dans les applications de conduction n’est donc pas souhaitée.

– Il faut toutefois signaler qu’il vaut mieux qu’une impuretéprésente dans un conducteur soit combinée dans un intermétallique, plutôt qu’en solution.

• Dans le premier cas une partie du conducteur conduit mal le courant : c’est celle où l’intermétallique est présent.

• Dans le deuxième cas, tout le conducteur conduit mal le courant.

Effet sur les propriétés mécaniques• Les liaisons des composés

intermétalliques sont principallementde nature ionique ou covalente. – Il n’y a dès lors pas de possibilité de

déformation plastique– Ces composés sont donc durs, mais

cassants • En général, ils sont peu souhaités, car

ils fragilisent les métaux.• Ils sont, par contre, très bénéfiques

lorsqu’ils sont disséminés dans une phase métal pur ou solution

Effet de combinaisons intermétalliquesdisséminées dans une matrice métallique.

• Lorsque les composés intermétalliques sont disséminés dans une phase métallique pure ou solution, ils freinent le mouvement des dislocations, mais ne l’entravent pas complètement.

Mesure du freinage

Par analogie au surcroît de tension nécessaire pourfaire fonctionner une source de Franck Read

lGb=Δσ

on peut écrire, que le surcroît de tension nécessaire pour contourner les intermétalliques incisaillables vaut

DGb=Δσ

D

Répartition des intermétalliques

• Pour calculer D , il faut savoir comment les intermétalliques sont répartis dans les cristaux métalliques.

• Le plus simple est la répartition homogène (a)

• En appelant f la fraction volumique d’intermétalliques et d le diamètre, on a

D

³6

³

D

df

π=

Relation de Hornboggen• On en tire

• En substituant, on obtient la relation de Hornboggen

dfGb 3

1

36π

σ =Δ

df

D3

1

361π

=

• qui se généralise pour une répartition quelconque

dfGbc

31

=Δσ

³6

³

D

df

π=

Illustration de la relation de Hornboggen

dfGbc

31

=Δσ

Durcissement de précipitation• Le durcissement des métaux par des intermétalliques

disséminés dans une matrice métallique est appelédurcissement de précipitation.

• On l’obtient en effet généralement en refroidissant une solution et en franchissant rapidement une lacune de solubilité. Il y a alors précipitation d’une phase β dans la phase métallique α. Lorsque cette phase β est un intermétallique on a

∑=Δn

j

jj

dfcGb

1

* 31

σ

• qui se généralise en cas de précipités multiplesdfGbc

31

=Δσ

Durcissement de précipitation

• C’est une méthode de durcissement très efficace des métaux, qui vient en complément

– De l’augmentation du nombre de dislocations– De l’augmentation du nombre de joints de grains– De l’ajout d’éléments en solution

• A noter que le durcissement de précipitations fragilise, le métal. On constate, en effet qu’à chaque passage de dislocations, des boucles restent accrochées autour des intermétalliques ce qui crée, à la longue, une amorce de fissures (endommagement du métal).

Réalisation de la précipitation

• La réalisation de la précipitation des intermétalliques nécessite– L’existence

d’intermétalliques– L’existence d’une lacune

de solubilité qui s’élargit lorsque la température baisse

– De bien ajuster la composition de l’alliage

MMC- Metallic Matrix Composites• La métallurgie des poudres permet d’atteindre les mêmes objectifs en frittant une

poudre métallique autour de – Particules– Fibres longues ou courtes

• On obtient alors des composites à matrice métallique ou MMC

• Le renforcement par particules dépend surtout de la distance entre les particules D ou de la taille des particules d.

dfcGb

DGb 3

1

==Δσ

MMC- renforcement des matrices métalliques

• Le renforcement par fibres dépend surtout du rapport entre la longueur et le diamètre des fibres L/d.

σπτπ 4²ddL ≥×

τσ4≥d

L

MMC- renforcement des matrices métalliques

Renforcement par fibres

• La métallurgie des poudres permet de disposer les fibres de renfort dans la position souhaitée.

Renforcement par fibres

• Selon le « tissage » les propriétés obtenues sont plus ou moins isotropes.