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Travaux Pratiques
Des
Sciences Des Matériaux
Sujet TP :
Etude des diagrammes de phase binaires des
principaux alliages industriels :
Fe-C
Al-Si
Cu-Zn
Réalisé par : Encadré par :
Chaouki Hassan Mr. H. Azzouzi
Kasmi Youssef
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REMERCIEMENT
Nous vous remercions monsieur pour tous les conseils, les idées, et le bon
traitement, et nous espérons être au niveau requis.
Merci !
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SOMMAIRE
Introduction P4
Alliages métalliques industriels P4
Manipulations : P6
I- Etude de l’alliage Fe-Fe3C (diagramme métastable Fer-Carbone) P6
But P6
1- Etude du refroidissement de l’acier normalisé XC10 (contenant 0.1 % de carbone) P7
2- Etude du refroidissement de l’acier normalisé de composition eutéctoide P9
3- Etude du refroidissement de l’acier normalisé XC100 (contenant 1% de carbone) P10
4- Etude du refroidissement de la fonte blanche à 3% de carbone P12
II- Etude de l’alliage Al-Si (Alliage contenant 12% et 13% de silicium) P14
But P14
1- Etude du refroidissement de l’alliage Al-Si (contenant 12% Si) P15
2- Etude du refroidissement de l’alliage Al-Si (contenant 13% Si) P16
3- Morphologie à 20°c pour l’alliage à 12% Si et l’alliage à 13% Si P17
III- Etude de l’alliage Cu-Zn (type : laitons commerciaux) P18
But P18
1- Etude du refroidissement de l’alliage Cu-Zn (contenant 30% Zn) P19
2- Etude du refroidissement de l’alliage Cu-Zn (contenant 40 % Zn) P19
4
Introduction :
Les alliages représentent une illustration matérielle du vieux dicton « l'union fait la force ». L'homme a toujours cherché des matériaux plus performants à l'utilisation, plus faciles à fabriquer ou à mettre en œuvre et plus économiques. Les alliages métalliques sont particulièrement importants dans la société humaine, et ce depuis l'Âge du bronze. Les métaux de grande pureté (99,99 p. 100 en poids du métal, ou mieux) n'ont pas, dans l'ensemble, d'utilisation pratique en dehors de la distribution d'électricité (cuivre, aluminium) ; cela est dû à leurs propriétés très médiocres, sauf en ce qui concerne les conductivités électrique et thermique, d'autant meilleures que le métal considéré est plus pur. Les impuretés, malgré la connotation péjorative du mot, durcissent les métaux et, pour peu qu'elles soient judicieusement choisies et dosées, permettent d'améliorer sensiblement les possibilités d'emploi de ces métaux ainsi que, souvent, les conditions de leur élaboration et leur mise en œuvre. C'est la raison d'être de ces associations de substances à l'échelle atomique ou moléculaire appelées alliages, qui furent d'abord métalliques, puis débordèrent le domaine de la métallurgie pour toucher la chimie organique et la science des céramiques. La fonte de fer, alliage de fer et de 2 à 5 p. 100 en poids de carbone, exemple type, même s'il est particulier (le carbone n'est pas un métal), permet de réaliser de nombreux objets qui vont du bâti de machine-outil au bras de suspension d'automobile en passant par les tuyaux d'adduction d'eau ou de gaz. Cette même fonte commence à fondre à 1 150 0C environ, tandis que le fer pur n'a aucune application dans la vie quotidienne mais fond à 1 538 0C. Cela explique, au moins partiellement, qu'on rencontre dans les usines sidérurgiques des dispositifs (poches ou mélangeurs) permettant de stocker la fonte liquide en grande quantité, mais rien d'équivalent pour le fer pur, bien que celui-ci soit à la base de tous les aciers et fontes et qu'il figure aussi dans d'autres composés.
Alliages métalliques industriels :
Ce sont principalement les aciers, métaux ductiles. L'acier le plus simple est un alliage de fer et de carbone
contenant 2% en poids de carbone. Dans cet alliage, les atomes de carbone se placent dans les interstices du
réseau cristallin du fer : les aciers sont des alliages interstitiels. Plus les propriétés demandées à l'alliage sont
importantes et particulières, plus sa formule est complexe. Dans l'acier simple, le fer et le carbone peuvent
être alliés à d'autres métaux, dont la nature dépend des propriétés souhaitées. Ces métaux sont le chrome,
le manganèse, le molybdène, le nickel, le tungstène et le
vanadium. Ces alliages à base d'acier ont une résistance
mécanique et une dureté supérieures à celles de l'acier pur.
Les aciers sont des matériaux de construction, ils servent
également à fabriquer de nombreux outils.
Les fontes sont des alliages de fer et de carbone, avec un
pourcentage pondéral de carbone compris entre 2% et 5%.
Elles contiennent également du silicium (jusqu'à 4%) et du
manganèse, ainsi que des impuretés. Certaines fontes sont
utilisées dans la production de l'acier, d'autres dans
l'industrie du bâtiment. Les fontes dites grises sont utilisées
dans la fabrication de pièces automobiles.
5
Les laitons sont principalement constitués de cuivre (majoritaire) et de zinc (minoritaire). On les utilise dans
les pièces d'horlogerie et dans la robinetterie.
Les bronzes, alliages à base de cuivre et contenant essentiellement de l'étain, sont utilisés dans la fabrication
des cloches et des engrenages.
Dans l'industrie aérospatiale, on utilise de
nombreux alliages légers aux propriétés
spécifiques, dans la conception des fusées par
exemple. La légèreté d'un alliage est en général
apportée par l'aluminium ou le béryllium. La
pénétration des véhicules spatiaux dans
l'atmosphère terrestre s'accompagne d'une
élévation considérable de la température. Pour
résister à ces différences importantes de
température et à ces températures extrêmes, on a
conçu des alliages très résistants à la chaleur. Ces
alliages contiennent des métaux tels que le
tantale, le niobium, le tungstène, le cobalt ou le nickel.
Une grande variété d'alliages spécifiques contenant des métaux, tels que le béryllium, le bore, l'hafnium et le
zirconium, ont des caractéristiques d'absorption nucléaire particulières : on les utilise dans les centrales
nucléaires. Les alliages de niobium-étain sont employés comme supraconducteurs à des températures
extrêmement basses (Supraconductivité). Des alliages spéciaux de cuivre, de nickel et de titane, mis au point
pour résister aux effets corrosifs de l'eau salée, sont utilisés dans les usines de dessalement. L'industrie
aéronautique emploie l'alliage à base de titane contenant 6% d'aluminium en poids et 4% de vanadium en
poids. C'est en effet un alliage très léger et de bonne résistance mécanique. L'argent monétaire, l'or de 14
carats et le platine-iridium sont des alliages précieux. Les amalgames, alliages du mercure avec un autre
métal, sont utilisés en soins dentaires.
6
Manipulations :
I- Etude de l’alliage Fe-Fe3C (diagramme métastable Fer-Carbone) :
But :
Le diagramme Fe-C (Fer-Carbone) qui décrit les
aciers et les fontes (fontes blanches et fontes
grises), mais on va s’intéresser surtout au
diagramme métastable Fe-Fe3C (Fer-
Cémentite), qui est à la base des aciers (qui
rentrent dans la construction métallique et
mécanique, ainsi que la fabrication de la plupart
des organes des machines etc.…), et des fontes
blanches (fontes à cémentite) (pour la
fabrication des pièces résistantes à la chaleur, à
l’usure et à la corrosion etc.…).
7
1- Etude du refroidissement de l’acier normalisé XC10 (contenant 0.1 % de carbone) :
Température (°c) Nature des phases
(S ou L) Nombre des phases
Proportion des # phases
T>1530°c L 1 100% liquide
T=1530°c L et S 2 4.83% fer-delta et
95.17% liquide
T=1495°c + ε S 1 100% fer-delta
T=1495°c L et S 3
Transformation péritectique (18.2% liquide et 81.8% fer-
delta)
T=1495°c - ε S 1 100% fer-delta
1495°c>T>1455°c S 2 59.48% fer-delta et 40.52% austénite
T=1455°c S 2 25.44% fer-delta et 75.56% austénite
1455°c >T>860°c S 1 100% austénite
T=860°c S 2 18.36% ferrite et 81.64% austénite
860°c >T>727°c S 2 73.41% ferrite et 26.59% austénite
T=727°c + ε S 2 89.21% ferrite et 10.79% austénite
T=727°c S 3
Transformation eutéctoide (88.8%
ferrite et 11.2% cémentite)
T=727°c - ε S 2 89% ferrite et 11%
perlite (89% ferrite + 11% cémentite)
727°c>T>20°c S 2 89% ferrite et 11%
perlite (89% ferrite + 11% cémentite)
Les réponses des questions :
A T=1495°c on obtient la réaction péritéctique.
A T=1455°c on observe la phase solide (fer-delta+austénite).
A 1455°c >T>860°c on observe la phase solide (austénite).
A T=727°c on observe la réaction eutéctoide.
9
2- Etude du refroidissement de l’acier normalisé de composition eutéctoide (0.77%
carbone):
Température (°c) Nature des phases
(S ou L) Nombre des phases
Proportion des # phases
T=1530°c L 1 100% liquide
T=1478°c L et S 2 2.04% austénite et
97.96% liquide
1478°c>T>1390°c L et S 2 94.99% austénite et
5.01% liquide
1390°c >T>727°c S 1 100% austénite
T=727°c + ε S 1 100% austénite
T=727°c S 3 Transformation
eutéctoide (100% austénite)
T=727°c - ε S 2 100% perlite (88.76%
ferrite et 11.24% cémentite)
727°c>T>20°c S 2 100% perlite (88.76%
ferrite et 11.24% cémentite)
La réponse de la question :
A T=727°c on observe la réaction eutéctoide.
Refroidissement et Morphologie :
10
3- Etude du refroidissement de l’acier normalisé XC100 (contenant 1% de carbone) :
Température (°c) Nature des phases
(S ou L) Nombre des phases
Proportion des # phases
T>1460°c L 1 100% liquide
T=1460°c L et S 2 2.15% austénite et
97.85% liquide
1460°c>T>1347°c L et S 2 73.78% austénite et
26.29% liquide
T=1347°c S 1 100% austénite
1347°c>T>825°c S 1 100% austénite
T=825°c S 1 100% austénite
825°c >T>727°c S 2 97.56% austénite et
2.44% cémentite
T=727°c + ε S 2 26.15% austénite et
3.85% cémentite
T=727°c S 3 Transformation
eutéctoide (96.15% austénite)
T=727°c - ε S 2 4% cémentite et 96% perlite (89% ferrite et
11% cémentite)
727°c>T>20°c S 2 4% cémentite et 96% perlite (89% ferrite et
11% cémentite)
11
Les réponses des questions :
A T=1347°c on observe la phase austénite (100% gamma)
A 1347°c>T>825°c la phase qui se refroidit est la phase austénite (gamma).
A T= 825°c il ya apparition de germes de cémentite Fe3C aux joints de grain d’austénite
gamma.
A T=727°c on observe la réaction eutéctoide.
Refroidissement et Morphologie :
12
4- Etude du refroidissement de la fonte blanche à 3% de carbone :
Température (°c) Nature des phases
(S ou L) Nombre des phases
Proportion des # phases
T>1300°c L 1 100% liquide
T=1300°c L 1 100% liquide
1300°c>T>1147°c L et S 2 42.76% austénite et
57.24% liquide
T=1147°c + ε L et S 2 56.06% austénite et
40.94% liquide
T=1147°c L et S 3 Transformation
Eutectique (59.06% austénite)
1147°c>T>727°c S 2
41% ledeburite (47% austénite et 53 %
cémentite) et 6.1% cémentite et 53%
austénite.
T=727°c + ε S 2
41% ledeburite (40% et 60 % cémentite) et
13% cémentite et 46% austénite.
T=727°c S 3
Transformation eutéctoide 41% ledeburite (40% austénite et 60%
cémentite)
T=727°c - ε S 2
41% ledeburite (40% austénite et 60%
cémentite) et 46% perlite (89% ferrite et
11% cémentite) et 13% cémentite
727°c>T>20°c S 2
41% ledeburite (40% austénite et 60%
cémentite) et 46% perlite (89% ferrite et
11% cémentite) et 13% cémentite
Les réponses des questions :
A T=1147°c le liquide subit la réaction Eutectique.
A T=727°c on observe la réaction eutéctoide.
14
II- Etude de l’alliage Al-Si (Alliage contenant 12% et 13% de silicium)
But :
Le diagramme Al-Si (Aluminium- Silicium) qui constitue l’une des classes d’alliages légers avec de
bonnes propriétés de fonderie :
Coulabilité : Aptitude du métal liquide à bien remplir l’empreinte.
Absence de formation de crique : Fissuration à chaud causée par le retrait du métal.
Bonne répartition de la porosité : Due au retrait qui accompagne la solidification.
Températures de fusion relativement basses : Permettent d’employer des moules métalliques
réutilisables (des coquilles) dans lesquels on coule le métal soit par gravité, soit sous pression.
Les qualités d’alliages de fonderie :
Dans ce type d’alliage, on va s’intéresser aux
ALPAX qui sont des alliages : A-S13 (contenant
13% de Si). Parmi les applications de ce type
d’alliage : Agriculture, alimentation, appareils
ménagers, automobile, industrie aérospatiale,
bâtiment, chimie, armes, etc...
15
1- Etude du refroidissement de l’alliage Al-Si (contenant 12% Si) :
Température (°c) Nature des phases
(S ou L) Nombre des phases
Proportion des # phases
T>600°c L 1 100% liquide
T=548°c L et S 2 0.87% SS aluminium et
99.13% liquide
548°c>T>577°c L et S 2 3.88% SS aluminium et
96.12% liquide
T=577°c + ε L et S 2 4.98% SS aluminium et
95.02% liquide
T=577°c L et S 3 Transformation
Eutectique (4.98% Ssa)
577°c>T>500°c S 2
95% Eutectique (88% Ssa et 12% Ss silicium)
et 0.023% Ss silicium et 5.5% Ss a
T<500°c S 2
95% Eutectique (88% Ssa et 12% Ss silicium)
et 0.046% Ss silicium et 5.4% Ss a
La réponse de la question :
A T=577°c le liquide subit la réaction Eutectique.
Refroidissement :
16
2- Etude du refroidissement de l’alliage Al-Si (contenant 13% Si) :
Température (°c) Nature des phases
(S ou L) Nombre des phases
Proportion des # phases
T>600°c L 1 100% liquide
T=585°c L et S 2 0.03% SS silicium et
99.97% liquide
585°c>T>577°c L et S 2 0.3% SS silicium et
99.7% liquide
T=577°c + ε L et S 2 0.41% SS silicium et
99.59% liquide
T=577°c S 3 Transformation
Eutectique (0.41% Ss silicium)
577°c>T>500°c S 2
1e+02% Eutectique (88% Ssa et 12% Ss
silicium) et 0.00038% Ss a et 0.46% Ss s
T<500°c S 2
1e+02% Eutectique (88% Ssa et 12% Ss
silicium) et 0.00078% Ss a et 0.46% Ss s
La réponse de la question :
A T=577°c le liquide subit la réaction Eutectique.
Refroidissement :
17
3- Morphologie à 20°c pour l’alliage à 12% Si et l’alliage à 13% Si :
Pour 12% de Si :
Pour 13% de Si :
18
III- Etude de l’alliage Cu-Zn (type : laitons commerciaux)
But :
Le diagramme Cu-Zn (Cuivre-Zinc) qui constitue l’une des classes des
alliages lourds, connues sous le nom des laitons.
Le laiton est un alliage de cuivre et de zinc, dans des proportions
variables qui influent sur la couleur finale : 44% de zinc, le laiton tire
vers le blanc, 10% de zinc, le laiton tire vers le rouge du cuivre. Le
laiton de couleur jaune-dorée se situe en proportion médianes.
Le laiton est le plus utilisé des alliages de cuivre, notamment par ce
qu’il est assez facile à usiner mais aussi par ses qualités esthétiques,
dans l’ameublement, le laiton se marie très bien au bois auquel il
peut être associé comme élément décoratif.
Les laitons sont des matériaux tenace, malléable et ductiles, se
coulent et se soudent assez bien. Résistent bien aux agents
chimiques, mais pas à l’eau de mer (eau salée).
19
1- Etude du refroidissement de l’alliage Cu-Zn (contenant 30% Zn) :
Température (°c) Nature des phases
(S ou L) Nombre des phases
Proportion des # phases
T=1025°c L 1 100% liquide
T=922°c L et S 2 94.93% cuivre et 5.07%
liquide
T=903°c S 1 100% cuivre
T=770°c S 1 100% cuivre
T=200°c S 1 100% cuivre
Refroidissement et Morphologie :
20
2- Etude du refroidissement de l’alliage Cu-Zn (contenant 40 % Zn) :
Température (°c) Nature des phases
(S ou L) Nombre des phases
Proportion des # phases
T=1025°c L 1 100% liquide
T=922°c L 1 100% liquide
T=903°c L 1 100% liquide
T=770°c S 2 5.19% Cu et 94.81% Ss
beta
T=200°c S 2 55.92% Cu et 44.08%
Ss beta
Refroidissement et Morphologie :