Chap 1 Diagrammes d Equilibres Binaire

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Diagrammes d’équilibres binaires des alliages Introduction : - Dans l’industrie, les matériaux utilisés sont rarement des corps purs ou des mélanges homogènes. - L’étude des mélanges hétérogènes (alliages) permet de prédire : Leur structure Leur composition Leur répartition de phases en équilibre - Cette étude permet se fait en utilisant des RÈGLES qui régissent les équilibres formés. - L’application sur les alliages les plus utilisés dans l’industrie permet d’en déduire leurs propriétés. I. Définition et règles générales I.1. Définition Composant : c’est un corps pur chimiquement qui peut être simple (Fe, Ni, Cu, …) ou un corps composé de deux ou plusieurs éléments dans des proportions fixes (SiO 2 , Fe 3 C,…). Un composant est caractérisé par une température de fusion fixe. Une phase : c’est une partie homogène d’un corps caractérisée par une structure (cubique, hexagonale, …) et par un arrangement atomique identique - Une phase peut être LIQUIDE si ces composants A et B sont parfaitement MISCIBLES. - Dans le cas contraire, A et B ne sont pas miscibles et forment 2 phases distinctes. Constituant : c’est un composant d’un système biphasé I.2. Règles des phases Dans un système donné, il existe un nombre limité de variables que l’on peut choisir arbitrairement. Ce nombre est donné par la REGLE DE GIBBS qui définit la variance I.2.1. Variance réduite Dans les équilibres (liquides-solides et solides-solides), l’influence de la pression est négligeable. Dans ce cas, l’expression de la variance change en donnant une variance réduite :

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Diagrammes d’équilibres binaires des alliagesIntroduction :

- Dans l’industrie, les matériaux utilisés sont rarement des corps purs ou des mélanges homogènes.- L’étude des mélanges hétérogènes (alliages) permet de prédire :

Leur structure Leur composition Leur répartition de phases en équilibre

- Cette étude permet se fait en utilisant des RÈGLES qui régissent les équilibres formés.- L’application sur les alliages les plus utilisés dans l’industrie permet d’en déduire leurs propriétés.

I. Définition et règles générales

I.1. DéfinitionComposant : c’est un corps pur chimiquement qui peut être simple (Fe, Ni, Cu, …) ou un corps composé de deux ou plusieurs éléments dans des proportions fixes (SiO2, Fe3C,…). Un composant est caractérisé par une température de fusion fixe.

Une phase : c’est une partie homogène d’un corps caractérisée par une structure (cubique, hexagonale, …) et par un arrangement atomique identique

- Une phase peut être LIQUIDE si ces composants A et B sont parfaitement MISCIBLES.- Dans le cas contraire, A et B ne sont pas miscibles et forment 2 phases distinctes.

Constituant : c’est un composant d’un système biphasé

I.2. Règles des phasesDans un système donné, il existe un nombre limité de variables que l’on peut choisir arbitrairement.Ce nombre est donné par la REGLE DE GIBBS qui définit la variance

I.2.1. Variance réduiteDans les équilibres (liquides-solides et solides-solides), l’influence de la pression est négligeable. Dans ce cas, l’expression de la variance change en donnant une variance réduite :

I.3. Les alliages

I.3.1. DéfinitionUn alliage est un mélange entre 1 METAL et un ou plusieurs autres métaux ou non métaux.

- Selon le nombre de composants on peut avoir des alliages BINAIRES (2), TERNAIRES (3), QUATERNAIRES (4), …- Selon les éléments du tableau périodiques, on peut obtenir un maximum de près de 80 possibilités d’Alliages.

3 000 alliages binaires possibles 80 000 alliages ternaires possibles

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I.3.2. Les propriétés des alliagesElles dépendent de 4 facteurs qui sont :

1- Leur composition chimique établie par analyse chimique 2- La constitution physico-chimique qui se défini par la nature et la proportion des constituants3- La structure cristallographique des constituants4- L’état mécanique caractérisé par l’existence des contraintes propre aux matériaux

II. Les corps et métaux purs- 1 corps 1 seule phase :

- Peut avoir 3 phases possibles :o La phase solide ou cristallineo La phase liquideo La phase gazeuse

- L’existence d’un corps pur dans l’une des 3 phases dépend de la température (T) et de la pression (p)

II.1. Étude du diagramme d’équilibre

II.1.1. Diagramme

Le diagramme est caractérisé par :- Un point triple (T) de coexistence des 3 phases (solide, liquide, gaz)- 3 courbes p=f(t) d’équilibre ou de transformation

o Courbe de passage solidegazo Courbe de passage solideliquideo Courbe de passage liquidegaz

- Trois zone de stabilité de phase 2(solide, liquide, gaz)

II.1.2. Enthalpie libre molaire (G)C’est un paramètre thermodynamique très important dans l’étude des diagrammes de phases. Il se définit tel que :

II.1.3. Règles d’application1- La phase la plus stable possède toujours l’enthalpie libre (G) la plus petite.2- À pression constante, deux phases en équilibre possèdent la même valeur d’enthalpie libre.3- En égalisant les enthalpies libres de deux phases différentes, à pression constante, on détermine leur

température d’équilibre.

Remarque : - L’entropie S est une mesure de l’état d’ordre d’une phase- Les pentes des courbes P=f(T) permettent de retourner les chaleurs latentes de changement de phase en

utilisant les formes de CLAYPERON- De nombreuses substances pures existent sous plusieurs formes cristallines (phases). C’est le phénomène

d’ALLOTROPIE ou POLYMORPHIE

II.2. Solidification d’un corps pur

II.2.1. Loi du refroidissementSi on considère un corps pur ne subissant aucune transformation.Il est caractérisé par :

- Sa température ambiante : T0

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- Sa capacité calorifique : CSi on baisse T d’une valeur => (énergie calorifique)

- En thermodynamique, on démontre que est proportionnelle à et en fonction du temps (t)

On a donc :

C’est une équation différentielle de 1er ordre ayant pour solution générale :

la température initiale du corps pur

temps initial de refroidissement

Cette équation à la forme de

II.2.2. La courbe de refroidissement

Schéma

T1 : température de début de transformationsT2 : température de fin de transformation

: la phase avant la transformation

: la phase après la transformation

- Si le corps subit une transformation (changement de phase), elle s’effectue avec un dégagement de chaleur qui se manifeste par une modification de la loi de refroidissement

- Lorsqu’un corps pur se solidifie (ou dans le cas de la fusion), il restitue de la chaleur latente (L) telle que

Formule de RICHARDS

: en calorie/gramme

M : masse molaire du corps (g/mole)

: température de fusion

: peut être calculée en utilisant la formule de CLAYPERON

II.2.3. Cas d’un métal pur

- Quand le métal est pur, on a un palier parfait- Quand le métal a des impuretés, la température Tf est

dépassé au cours du refroidissement T’ et ensuite remonte pour rattraper le palier

Cette formule traduit le retard de cristallisation.donne la mesure d’impuretés dans le métal.

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II.3. Transformation allotropique

II.3.1. Diagramme de phaseCe diagramme va mettre en évidence l’existence des phases solides allotropes.On aura dans ce cas P=f(t) supplémentaireAB : courbe d’équilibre ou de transformation de la βα

III. Diagramme d’équilibres binairesPour un système binaire N=2 (nombre de constituants)Diagramme d’équilibre permet de représenter :

a- Les domaines de stabilité de phasesb- Les conditions d’équilibre en plusieurs phases en fonction de 2 variables qui sont :

o La température (T)o La composition chimique ou la teneur ou la concentration des composants en pourcentage

Remarque : Le diagramme d’équilibre binaire est étudié à pression constante (pression atmosphérique

c- Le diagramme comporte plusieurs zones de stabilité séparées par 2 types de courbes essentielles o Les LIQUIDUS : courbe qui représentent les températures de solidification commençanteo Les SOLIDUS : courbes qui représentent les températures de solidification finissante.

III.1. Miscibilité de phasesSoient 2 composants A et BLes mélange (A+B) est défini par les conditions de température et de concentration (à pression constante). Plusieurs cas de figures se distinguent par la miscibilité (capacité d’obtenir un mélange homogène)

1- (A+B) forment 1 mélange homogène solide ou liquide quelque soit la température et la concentration. On a dans ce cas 1 MISCIBILITE TOTALE

2- (A+B) forment un mélange homogène uniquement en phase liquide ou en phase solide. On a dans ce cas 1 MISCIBILITE PARTIELLE

La MISCIBILITE détermine le type de diagramme binaire en jeu Existence de plusieurs types de diagramme

III.2. Règles de lecture des diagrammes1 diagramme binaire permet de déterminer :

- La limité de solubilité de deux éléments A et B en fonction de la température et la concentration- Les domaines de coexistence de 2 phases (liquide-solide) ou (solide-solide)- Les quantités relatives des phases en équilibre ISOTHERME

a- Règles des segments inverses Il sert à préciser la quantité en pourcentage (%) massique de chaque phase dans une zone biphasée ( )

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o Le pourcentage en masse de la phase liquide correspond au segment isotherme touchant le soliduso Le pourcentage en masse de la phase solide correspond au segment isotherme touchant le liquidus

b- Règle de l’horizontale Elle sert à préciser la concentration en A ou B dans chacune des 2 phases en présence

Le pourcentage ou la concentration A ou B dans la phase liquide correspond à l’intersection du segment isotherme avec le liquidus

Le pourcentage ou la concentration de A ou B dans la phase solide correspond à l’intersection du segment isotherme avec le solidus

Remarque : Les 2 règles énoncées ne sont applicables que dans les zones du diagramme T=f (concentration) où il y a coexistence des phases liquides et solide

III.3. Classification des alliages binairesLes divers types d’alliages sont classés selon la miscibilité de A et B à l’état liquide et à l’état solide. Alliage binaire : (A-B) avec A et B les éléments de l’alliage binaire.La classification se fait selon la MISCIBILITE de A dans B.

a- Conditions de MISCIBILITE (règle générales)o A et B doivent être cristallisés dans le même systèmeo Les atomes A et B doivent être de tailles rapprochéeso A et B doivent être de même valenceo A et B ne doivent pas conduire à un composé intermétallique

Remarque : Ces règles générales ne sont pas systématiques car d’autres paramètres comme les phases en jeu peuvent intervenir

b- Différents types de miscibilités 1- MISCIBILITE TOTAL

Ou encore miscibilité en toute proportion. Dans ce cas la miscibilité se fait en phase liquide et en phase solide. Diagramme de phases : (diagramme à 1 fuseau)

- (A+B) totalement miscible

- : température critique de A

- : température critique de B

- 1 liquidus (L) régulier- 1 solidus (S) régulier- Pour toute T>liquidus (L) => liquide de (A+B)

- Pour toute T< solidus (S) => solide de (A+B)

- Entre (L) et (S) => zone biphasée (liquide + solide) de (A+B)

La composition de B dans A dans la zone biphasée va dépendre de la température et de la concentration initiale de l’alliage.

Application de la règle de l’horizontale Le % de phase liquide et de phase solide dépend aussi de la température et de la concentration de Application de la règle de segment inverse

2- MISCIBILITE PARTIELLE (uniquement en phase solide)(A+B) : miscibles totalement en phase solide

(A+B) : non miscible en phase liquide Diagramme de phase (diagramme à deux fuseaux)

- Existence d’un point minimum (Tm et xm) point de conjonction entre les 2 parties du liquidus (L)

- (Tm ,xm) point minimum du solidus (S)

- : température critique de A

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- : température critique de B

- T > aux liquidus (L) => 1 phase liquide homogène

- T < solidus (S) => 1 phase solide homogène

Dans les deux fuseaux => zone biphasées

1er fuseau (liquide 1 + solide) : liquide ayant faible (xB %) 2ème fuseau (liquide + solide) : liquide ayant forte (xB %)

Avec liquide 1 liquide 2 Règles de l’horizontale et de segments inverses ne s’appliquent pas dans les deux zones biphasées (fuseaux)

3- MISCIBILITE PARTIELLE (non miscible en phase solide)(A+B) totalement miscible en phase liquide(A+B) non miscible en phase solide

- Dans ce cas le diagramme de phase dépend de la structure cristallographique des phases solides non miscibles- Dans les 2 cas, on a les diagrammes à Eutectique (E) a- Cas d’identité de structure cristallographique

Les deux phases solides ( ont le même réseau de maille

Le diagramme est caractérisé par :

- température critique de A

- : température critique de B

Du point E : eutectique [TE,xB(E)]Le solidus (S) horizontal passe par le point ELe liquide (L) en 2 parties qui convergent en E

Dans l’ensemble on a :- 1 zone liquide homogène (

- 3 zones biphasées (

Remarque : On notera que les parties verticales du diagramme comprises entre Tf (A ou B) et l’horizontal de l’EUTECTIQUE font partie du solidus

b- Cas de non identité de structure cristallographique Les phases solides ( ont des structures différentes

Le diagramme est caractérisé par :

- température critique de A

- : température critique de B

Du point E eutectique [TE,xB(E)]Le solidus (S) horizontal passant par E et ne touchant pas les axes de températureLe liquidus (L) en 2 branches convergentes vers E

Dans l’ensemble on a :- 3 zones monophasés (

o Zone liquide (liq)

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o Zone solide (

o Zone solide ( )

- 3 zones biphasés (

Remarque : - Les courbes T=f(xB) joignant Tf (A ou B) au solidus (S) font partie du solidus- Les courbes T=f(xB) en dessous du solidus sont des courbes d’équilibre séparant des zones solides- Courbes d’équilibre séparant des zones totalement solides du diagramme. Ces courbes ne répondent pas à la

définition d’un solidus.