Métaux Et Alliages Non Ferreux

8/12/2019 Mtaux Et Alliages Non Ferreux

1/158

1

S.BENSAADA

METAUX ET ALLIAGES FERREUX


2/158

2

PREFACE

La gense dune innovation technologique est constitue par lensemble des faits scientifiques

et techniques qui ont concouru sa formation. La connaissance approfondie de cette

phase pralable, difficile observer quand elle est en cours, mais pourrait se reconstituer,

posteriori, est essentielle pour tenter de prvoir et de diriger le flux des changements

techniques tout le long des diffrentes tapes des dveloppements scientifiques. Les matriaux en

gnral et les mtaux en particulier constituent un rle important pour tout dveloppement

industriel ou progrs technologique. Une grande partie de l'activit conomique des pays

industrialiss est rattache aux matriaux. Vu les exigences de l'industrie moderne, de

nombreux programmes de recherche sont en route pour le dveloppement d'autres matriaux

plus performants et moins coteux tels que les composites, les cramiques, les polymres etc.,

mais les alliages mtalliques occupent toujours une place importante, car les caractristiques de

ces derniers s'amliorent de jour en jour grce aux recherches.

Les proprits d'emploi des mtaux et alliages sont dtermines en grande partie par la

morphologie et le degr de dispersion des phases qui les constituent, c'est--dire par la

microstructure. Aujourd'hui matriser les microstructures en vue d'optimiser telle ou telle

proprit est ralisable par des traitements thermiques ou thermomcaniques appropris, qui

sont fonds sur les possibilits de transformations structurales.

Cet ouvrage traite les fondements technologiques de llaboration des mtaux non ferreux, leurs

dsignations ainsi que leurs transformations et les traitements thermiques subir. Elle expose

profondment les aspects purement mtallurgiques des sciences des matriaux. Ltudiant aura

simprgner de lensemble des techniques et des oprations ncessaires lextraction,

llaboration et laffinage des mtaux lgers et leurs alliages.

Lauteur


3/158

3

1. Notions de cristallographie

La cristallographie est une science qui tudie les cristaux c-a-d la formation, la croissance, la forme

extrieure, la structure interne et les proprits physiques de la matire cristallise. Le mot cristal

son origine grecglace. C'est au 19me

sicle que la cristallographie se dgageaprogressivement dela minralogie et se rapprocha de la physique et de la chimie en devenant une science indpendante.

Les figures 1 et 2 reprsentent respectivement :

- des cristaux de neige.

- des cristaux de bloc d'aluminium refroidit, dont la surface est polie et attaque par un

agent chimique, les cristaux allongs sur le contour partir desquels le refroidissement

est parti et les petits grains de cristaux au cur.

Fi g. 1


4/158

4

Fig.2

1.1.Corps cristallins et corps amorphes

Par structure cristalline on entend l'arrangement des atomes dans un cristal. Un cristal est dfini comme

tant un corps solide qui a une structure rticulaire et se composant d'atomes (ions) rpartis suivant une

succession dtermine qui se produit priodiquement dans les trois dimensions. L'absence de structure

rticulaire caractrise le corps amorphe. Les proprits des corps amorphes diffrent largement de celle

des corps cristallin. Les corps amorphe sont caractriss par la disposition chaotique de leurs atomes cequi donne une structure interne dsordonne (comme un liquide). Un corps amorphe n'a pas de forme

gomtrique naturelle, ils sont assimils des liquides figs.

Les corps amorphes sont caractriss par :

- L'absence d'une temprature de fusion nettement dtermine.

- L'isotropie (mmes proprits dans les diffrentes directions) surtout les proprits physiques.

- On trouve ainsi une diffrence caractristique dans les courbes de refroidissement des corps amorphes

et cristallin, le refroidissement des corps amorphes se traduit par une courbe dcroissante et continue

(fig.3) :


5/158

5

M : dbut desolidification

N : fin de solidification Fig.3

Tandis que celui des corps crist al lin prsente un palier en temprature qui marque dbut et fin de

solidification (cristallisation) : Tous les corps solides peuvent tre amorphes ou cristallins, il existe un

grand nombre de corps solides amorphes. Les verres reprsentent un exemple bien connu des corps

amorphes, les Si04composants les verres sont dsorients les uns par rapport aux autres (fig.4) dans

un solide ils seraient rpartis rgulirement (fig.).

Fig.4 Fig.5

Structure amorphe Structure cristalline


6/158

6

Aujourd'hui les solides amorphes reprsentent un grand intrt dans le domaine de la technologie. Les

semi-conducteurs amorphes peuvent remplacer des composants lectroniques. Des mmoires

d'ordinateurs ont ts labores partir de matriaux amorphes.

Dans le mme ordre d'ide, les liquides ne sont pas tous amorphes. Certains d'entre eux prsentent

une organisation priodique et les molcules s'orientent les unes par rapport aux autres au sein du

liquide. C'est le cas des cristaux liquides dont les proprits optiques dpendent troitement des

perturbations extrieures (temprature, pression, champ lectrique ou magntique). Il s permettent la

transformation de signaux de nature diverses en signaux optiques, le cas de la tlvision ultraplat

s'accrochant au mur.

1.2. Proprits des corps cristallins

Les corps cristallins sont caractriss par les proprits suivantes :

a) ils sont caractriss par une certaine anisotropie (les proprits physiques ne sont pas les mmes

dans les diffrentes directions) l'anisotropie peut tre constate l'chelle macro et microscopique.

b) Un matriau cristallin peut prsenter soit :

- un monocristal (cristal unique) par ex : cristal de quartz, de calate, de diamant etc...

- ou un polycristal ou une agglomration de petits cristaux (chantillon d'acier).

c) Les cristaux sont caractriss par des faces planes, des artes rectilignes et des sommets tels que :

F -i- S - A + 2 F: faces, S : sommets, A : artes. Les faces sont caractrises par deux lois :

Si l'on rapporte les diffrentes faces d'un cristal un systme de coordonnes 3 dimensions, la

position d'une face quelconque peut toujours tre exprime par trois nombres entiers simples. Si on

fait intervenir la notion du rseau tridimensionnel la position de tout point du rseau peut tre

indique par des coordonnes par rapport un systme d'axe dont l'origine est place en un nud du

rseau (fig.6).


7/158

7

Fig.6

d) Constante des angles didres : l'angle form par deux faces dtermines est constant dans tous les

cristaux d'une mme espce chimique. Si nous coupons un cristal de quartz perpendiculairement

l'axe vertical on obtient plusieurs configurations mais avec des angles rigoureusement gaux (120),

(fig.7).

(fig.7) coupes transversales


8/158

8

e) La plupart des cristaux se comportent d'une faon inattendue par rapport la lumire. Les

rayons lumineux se propagent des vitesses diffrentes dans les milieux cristallins.

f) Les proprits d'un cristal peuvent avoir la mme valeur dans plusieurs directions et l'on dcle

suivant ces directions une symtrie de diverses natures.1.3. Structure rticulaire

Pour expliquer les particularits observes dans les cristaux on doit admettre que tout corps

cristallin a une structure ordonne rticulaire qui est indpendante de la nature et de la forme des

particules matrielles lmentaires constituant le cristal. Donc pour reprsenter schmatiquement

une structure cristalline on emploie un rseau trois dimensions (fig.8), l'exemple du rseau de

NaCl.

O ion de Cl- et o ion de Na+

Fig.8

Un rseau cristallin est constitu par un assemblage d'atomes (ions) arrangs suivant un motif qui se

reproduit priodiquement dans les trois dimensions. Donc un rseau cristallin est un rseau spatial

imaginaire ayant pour nud les atomes (sommet des paralllpipdes) les droites passant par ces

nuds sont appel rangs. Tous les nuds sont groups dans des plans parallles quidistants

appels plans rticulaires, la distance entre deux plans voisins de la mme famille est la distance

interrticulaire.


9/158

9

Tous les paralllpipdes qui ont pour sommets les nuds sont appels maille du rseau c-a-d le

volume minimal d'un cristal qui permet djuger de la structure atomique du volume tout entier

s'appelle maille cristalline lmentaire (fig. 10) :

Rseau cristallin + motif = structure cristalline

Fig.9

La maille lmentaire : c'est aussi le plus petit paralllpipde qui permet de

reproduire tous les rseaux tridimensionnels par translation continue de ces lments

suivant les trois directions. Un rseau cristallin d'un solide est compos d'un nombreinfini de mailles lmentaires l'intrieur desquelles les atomes sont disposs dans

un ordre bien dfini.

Motif :c'est la reproduction indfiniment et rgulirement des atomes ou ions dans le

cristal, l'ensemble rgulier de motifs est appel rseau.

- contrairement au motif le nud n'a pas de ralit physique.

- La range du rseau est un ensemble de nuds aligns, c'est une droite passant par des

nuds du rseau. La distance qui spare deux nuds conscutifs d'une range est appelepriode ou paramtre de range.

Maille du rseau : Le rseau est thoriquement infini, ainsi pour le dcrire, on choisit

une unit structurale qui le reproduit par translation. Cette unit c'est la maille

lmentaire. On distingue la maille simple ou primitive et la maille multiple.


10/158

10

a) Maille simple ou primitive

Dont les sommets sont constitus de huit nuds tous voisins quelque soit la range considre, elle ne

contient de nuds ni dans son volume, ni sur ses faces, ni sur ses artes. On dsigne la maille

primitive par la lettre P, il y a autant de maille P que de nuds dans le rseau, en effet chaque nud

est commun huit mailles P et chaque maille P correspond huit nuds. A chaque maille on peut

donc associer un nud.

Fig.10

Si chaque nud est commun 8 mailles P donc cette dernire contient : 1 / 8 x 8 = 1 atome

Pour toute maille lmentaire :

- Les nuds l'intrieur des mailles comptent pour 1.

- Les nuds aux sommets des mailles comptent pour 1/8.

- Les nuds sur les artes des mailles comptent pour 1/4.

Les nuds sur une face de maille comptent pour 1/2.

La figure 11 ci-dessous nous montre une coupe schmatique d'une maille cubique faces

centres montrant la proportion 1/8 au niveau de chaque sommet et la proportion 1/2 pour chacun

des atomes situs sur les faces.


11/158

11

.

Fig.11

b) Mailles multiples

Dans la catgorie des mailles multiples en plus des huit sommets du paralllpipde, elles

contiennent des nuds dans le volume ou sur les faces, d'o on distingue :

Maille multiple centre

Elle est dsign par l'abrviation I elle contient des nuds aux sommets et un nud au centre du

paralllpipde, c'est une maille double.

Sommets :

Fig.12

8x1/8=1

et 1 au centre

au total 1 + 1 = 2


12/158


13/158

13

1.4. Systmes cristallins (les 14 rseaux de Bravais)

A partir de la maille cristalline lmentaire on peut dcrire de faon simple les systmes cristallins

existant dans la nature. En combinant les diffrentes relations entre les paramtres a, b, c et les

angles a, P, y du tridre de rfrence (paramtres angulaire), Bravais a dtermin 14 rseaux

tridimensionnels fondamentaux. Ils sont de quatre modes diffrents (multiplicit).

- Rseaux simples ou primitifs P.

- Rseaux bases centres A, B ou C selon le type de faces centres.

- Rseaux centrs I.

- Rseaux faces centres F.

Fig.15


14/158

14

Les sept systmes cristallins qui existent et qui forment les rseaux de Bravais sont (fig.16):

A : Systme triclinique : Le cristal fondamental est un paralllpipde oblique. Il n'admet qu'un

seul centre de symtrie l'intersection des diagonales. 11 possde donc :

1 centre de symtrie.

a # b #c

# # (#90, ingaux, mais voisins de 90).

1 seul mode qui est le pr imit if

B: Systme monoclinique : Le cristal fondamental est un prisme droit sur une base rhombique

(en losange) inclin dans une seule direction. Il admet :

1 centre de symtrie.

1 seul axe de symtrie.

a # b #c

== 90

=90

. 2 rseaux de Bravais : primitif (P) et bases centres (C).

C : Systme orthorhombique: La forme gomtrique est un prisme droit base rectangulaire. Il

possde :

3 axes d'ordre 2

1 seul axe de symtrie

(a = b) # c

= = = 90

4 rseaux de bravais : primitif (P), bases centres (C), centr (I), et faces centres

(F).

D: Systme quadratique: Lecristal fondamental est un prisme droit a base carre. il

admet :

3 axes d'ordre 4

4 axes d'ordre 2 : dont deux sont orthogonaux entre eux.

(a = b) # c

= = = 90

2 rseaux de Bravais : primitif (P) et centr (I).


15/158

15

E : systme cubique :La forme fondamentale est un cube. Il a :

3 axes d'ordre 4

4 axes d'ordre 3

6 axes d'ordre 2

a = b = c

= = = 90

3 rseaux de Bravais : primitif (P), centr (I), et faces centres (F)

F : Systme rhombodrique: la gomtrie fondamentale est limite par 6 losange gaux. Il admet :

1 centre de symtrie

1 axe d'ordre 3

3 axes d'ordre 2 a = b = c

= = # 90

1 seul rseau de Bravais : primitif (P).

G : Systme hexagonal: le cristal est un prisme droit base hexagonale. Il a :

1 centre de symtrie

1 axe d'ordre 6

6 axes d'ordre 2 (a = b) # c

= = 90 , = 120

1 seul rseau de Bravais : (P).


16/158

16

Fig.16


17/158

17Fig.17


18/158

18

Le rseau de la majorit des mtaux utiliss dans l'industrie s'tablit d'aprs un des systmes

suivant symtrie leve et empilement compact des atomes : cubique centr, cubique faces

centres et hexagonal.

Les mtaux qui ont le rseau

Cubique centre :

Rb, K, Na, Ti, TL, Zr, Ta, W, V, Fe,Cr, Nb, Ba, etc..

Cubique faces centres :

Caa, Ce, Sra , Th, Pb, Se, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Rh, Ir, Fe, Cu, Coetc..

Hexagonal

Hf, Mg, Ti, Cd, Re, Os, Ru, Zn, Co, Be, Ca, V, La, TL, Zretc..

Un rseau hexagonal est compos d'atomes placs aux sommets et au centre des bases hexagonales

du prisme, trois atomes se trouvent dans le plan mdian du prisme, donc il compte 17 atomes.

Fig.18

Le rseau hexagonal ne contient pas d'atomes au plan mdian. La maille lmentaire d'un

rseau hexagonal compte 6 atomes :

1 2 x 1 / 6 + x 2 + 3 = 6 atomes

1.5 Densit du rseau

La densit du rseau cristallin c-a-d le volume occup par les atomes qu'on peut considrer comme

des sphres suffisamment rigides est caractrise par l'indice de coordination ou coordinence, terme

qui indique le nombre d'atomes situs une distance gale et minimale de l'atome considr, plus la


19/158

19

coordinence est grande, plus l'empilement des atomes est compact. La distance minimale entre les

atomes d'une maille lmentaire cubique correspond a3/2, c'est la distance qui spare l'atome

considr de ses 8 voisins, on en dduit que la coordinence de ce rseau est gale 8 (C8) et le

coefficient d'empilement (rapport du volume occup par les atomes au volume de la maille)

vaut 68%.

Fig. 19

Pour une maille cubique faces centres, la coordinence est gale 12 (Cl2), chaque atome

comptant 12 voisins situs une distance minimale d= a3/2, ce qui correspond la compacit

maximale de l'empilement sous forme de sphres.

Fig.20


20/158

20

L'indice de coordinence du rseau hexagonal compact dont le rapport C/a = 1,633 est 12(H12) ce

qui correspond galement une densit maximale. Lorsque la valeur de C/a se distingue nettement

de 1,63 (cas du zinc et du cadmium) la coordinence du rseau hexagonal est gale 6.

Fig.21

1.6. Notions des plans ou faces cristallographiques

On peut dterminer la position dans l'espace de chaque face cristallographique au moyen de trois

nombres entiers. Pour cela on prend comme axes de coordonnes trois artes de la maille

lmentaire et comme unit de longueur les modules de trois vecteurs de base de la maille Z.

Fig.22


21/158

21

En 1838 Weis proposa une mthode qui consiste aprs avoir dfini le tridre de rfrence

dterminer dans l'espace l'orientation de chaque face cristalline l'aide de trois caractristiques

numriques p, q, et r. On peut reprer les faces du prises dans le systme d'axes de coordonnes ox,

oy et oz par a1 b1 c1 et a2b3 c6 (fig.23). La face a1 b1 C1 intercepte une seule quidistance sur

chacun des axes ox oy oz (fig.23).

Oa1, Ob1 et Oc1 o le rapport p :q :r = 1 :1 :1

a2b3 c6ou le rapport p :q :r = 2 :3 :6

L'ensemble de ces trois nombres (1 ,1 ,1) pour la premire face et (2,3,6) pour la deuxime face

sont les indices de Weiss des deux faces.

Fig.23

En 1839 Miller proposa une mthode beaucoup plus commande qui est actuellement d'un emploi

universel; il a remplac les caractristiques numriques de Weiss p, q, r par leur inverse 1/p, I/q, 1/r,

en gnral on obtient 3 fractions infrieures l'unit et dont les rapports rciproques sont exprims

par trois nombres entier premiers ente eux appels indice de Miller et nots (hkl):

h=1/p , k = l/q , l=1/r

Donc les indices de Weiss sont (2, 3, 6) et ceux de Miller hkl = (1/2, 1/3, 1/6)

Remarques :

a) Les indices de faces ou de plans sont toujours mis entre parenthses sans sparation.

b) Un indice ngatif par exemple (-h) est dsign par (h), (-2)-> (2).

c) Un plan parallle un axe le coupe l'infini, son indice de Miller (valeur rciproque)


22/158

22

correspond cet axes est 1/QO = 0.

d) Une famille de plans (h k 1) est dsigne par une accolade {hkl} .

Exemple de notation pour les plans d'un cube (fig.24)

Fig.24

Chaque plan du cube ne coupe qu'un seul axe, les segments tant gaux.

Pour les faces avant, droite, suprieure ont respectivement ( 1, , ) ; ( , 1,); (, ,1) les valeursinversement proportionnelles aux segments tranchs sont respectivement 1,0,0 ; 0,1,0 ; 0,0,1 mais

il est d'usage de mettre les indices des plans h k 1 entre parenthses et de ne pas les sparer par des

virgules (1 0 0), (0 1 0), (0 0 1) pour les faces arrires, gaucheet infrieure ont respectivement (100),

(010), (001).Le rseau cubique, en plus des plans de cube compte des plans octadriques (fig.24)

(111) et des plans dcadrhombique (fig.24) (110 ).

1.7. Indices de directions

On entend par direction cristallographique, la ligne droite qui joint au minimum 2 nuds. Pour

dterminer les indices de direction dans un systme d'axes de coordonnes, on choisit la ligne

parallle la direction et qui passe par l'origine. Pour la suite on dtermine les coordonnes du nud

le plus proche, les nombres ainsi dtermins sont appels indices cristallographiques de direction et

sont nots [uvw]. Les droites de direction sont toujours perpendiculaires aux plans qui ont leurs

mmes indices (fig.25)


23/158

23

Fig.25

Exemples avec solutions

Exemple 1 : Donner les dfinitions des termes suivants, relatifs un cristal cubique parfait : Face,

arte, sommet, axe diagonal, axe principal

Rponse 1 :

- Face surface plane extrieure dlimitant le cristal.

- Arte ligne d'intersection de deux faces continues.

- Sommet point sur lequel se joignant 3 faces contigus du cube.

- axe diagonal ou secondaire -droite joignant deux sommets diamtralement opposs.

- Axe principal droite joignant le centre de deux faces apposes.


24/158


25/158

25

Rponse 2 : les indices de Miller sont hkl qui remplacent les caractristiques numriques

de Weiss p q r : h = 1/p k = 1/q 1 = 1/r

Donc on obtient trois fonctions infrieures l'unit et dont les rapports rciproques sont exprims

par trois nombres entiers premiers :

Face ABC : p = + 2 q = - 3 r = + 3

(hkl) = (1/p 1/q 1/r) = (1/2,-1 /3, 1/3)

hkl = (1/2-1/3 l/3).6= (3 2 2)

Face EFG : p = - 1 q = + 3 r = - 2

(1/p, 1/q, 1/r) = (-1,1/3,-1/2)

hkl -(-1 m-U2).6= (6 2 3)

Exemple 3 :dans le systme cubique suivant :

a) Indexer les 6 faces du cube.

b) Indexer les faces AEGC, EDG, AFGDI

c) Identifier les faces (100), (1 10), (110), (101)

d) Indiquer les directions [l l0], [l 1 l], [010], [101]


26/158

26

Rponse 3 :

a) les six faces du cube : AEFB = (100), DCGH = (100), BFGH = (010), AEHD ABCD = (001),

EFGH = (001).

(p q r) = (1, , ) => (hkl) = [1/p, 1/q, 1/r ] = [ 1/1, 1/, 1/]

b) les faces AEGC, EDG, AFGD :

AEGC = (110), EDG = (1, 1, 1) AFGD = (011)

c) (100) = AEBF, (110)= AEGC, (110)=FBDH, (l0l) = ABGH

d) [l 10]= HF [l 11] =HB [010]= HG [101]= HA

Exemple 4

a) indexer les directions schmatises par les flches.

b) indexer les plans HGFE, HUE, HCBE, HKLE, HDAE.

Fig.29


27/158

27

Rponse 4

EA[100],ED[101],HE[001],EC[111], HB[111], AF[110],EF[010]

Les plans :

HGFE = (100), HIJE = (1/2 10), ),

Exemple 5 :

Indexer les 8 faces d'une maille hexagonale lmentaire.

Fig.30

Rponse 5

Faces latrales

abhg = (1010)

bcih= (0110)cdji = (1100), edjk = (1010)fekl = (0110)

afig= (1100)

Bases

abcdefa = (0001), ghijklg= (0001)


28/158

28

Exemple 6

Soit une maille cristalline cubique faces centres ayant une arte a = 4 dterminer :

a) le nombre d'atomes par unit de surface dans le plan (110) et (111).

b) La densit d'atomes par unit de longueur suivant les directions [110] et [111].

c) Rponse 6

Maille CFC avec les plans (110) et (111)

110

Fig.31

a) Nombred'atomesparunitdesurface

plan (1 10)

Nombred'atomescentredesfaces:2.(1/2)=1]=2

Nombre d'atomes sommets : 4.( 1/4) = 1]

Surface du plan a.a2+ a2= a22

d'o le nombre d'atomes par unit de surface

N1=2 / a2 2= 89000 atomes /cm2

111)


29/158

29

plan (111)

Nombre d'atomes des faces : 3. (1/2) = 3/2

= 2

Nombre d'atomes sommets : 3. (1/6) = 1/3

Fig.32

La direction [110]

Longueur du vecteur : r = a2+ a2/2 = a2 /2

Densit d = 1/r = 3,54.107atomes/cm2

La direction [l 1 l] :

Longueur du vecteur : r = a2+ a2+ a2=a3

Densit d = 1/r = 1, 44. 107atomes/cm2


30/158

30

Exemple 7

Soit le systme cubique centr et le systme cubique faces centres.

a) Indiquer dans chacun des cas, le plan de densit atomique maximale.

b) Indiquer les directions cristallographiques de densit atomique maximale.

Rponse 7

Fig.33

- Systme CC et CFC :

a) Plans de densit atomique maximale :

Systme CC : ce sont les plans diagonaux qui passent par latome central, et il y a 6:1674, 2385 , 1278 , 3456 , 3751 , 2684

Systme CFC : ce sont les plans diagonaux de type (111), et il ya 4 :425 ,361 ,752 ,861

b) Directions cristallographiques de densit atomique maximale :

Systme CC : ce sont les direction qui passent par P atonie centrale, et il y a 4 :17 ,28 , 46,35

Systme CFC :ce sont les directions qui passent par les atomes centrs dans les faces et il en a

3 dans le plan ( 1 1 1 ) : 16 , 18 , 68


31/158

31

Exemple 8

Dterminer le nombre d'atomes par maille lmentaire des rseaux suivants :

a) cubique simple C.S

b) cubique centr CC

c) cubique faces centres C.F.C

d) hexagonal compactRponse 8

Nombre d'atomes par maille lmentaire :

a) Maille cubique simple CS : il y a 8 atomes disposs aux sommets et appartenant chacun 8

mailles voisines dans la proportion 1/8. Donc la maille cubique simple contient :

8. (1 /8)= 1 atome/maille

Proportion 1/8

Fig.34 coupe schmatique d'une maille CS

b) Maille cubique centre CC : dans ce cas, on a la mme disposition que dans le cas prcdent

plus un atome entier plac au centre de la maille. Soit au total :

8.(1/8) + 1 - 2 atomes/maille


32/158


33/158


34/158

34

D : densit

N : nombre d'atomes par maille

VA : volume de l'atome

Vmaille: volume de la maille

Pour une maille primitive simple le nombre d'atome est 8.1/8 = I atome

VA= 4/3 .r 3

Vm= a3= (2.r)3 a = 2.r longueur de l'arte

D=NVa/Vm =1. 4/3 .r 3 / (2.r)3 = /6=0,523

La maille cubique simple est remplie avec 52,3% d'atomes. La mme mthode peut tre

applique pour dterminer la densit dans le cas des rseaux CC, CFC et HC.


35/158

35

2. Etablissement des diagrammes dquilibre

Les diagrammes dquilibre reprsentent ltat physique et ltat des phases d'un alliage endpendance de la composition chimique et de la temprature. La majorit des diagrammes

dquilibre connus, sont valables pour une pression dun atmosphre et sont dtermins grce

aux courbes de refroidissement. Ces diagrammes sous une forme graphique,, commode,

indiquent la composition des phases et la structure de l'alliage en fonction de la temprature et de

la concentration. Les diagrammes dquilibre sont construits partir des conditions dquilibre

ou des conditions assez proches de celles-ci. Leur dtermination, se basant sur la mesure des

proprits qui varient en fonction des transformations de phases, tels que les variations delongueurs, la susceptibilit magntique, la rsistance lectrique, lenthalpie et autres grandeurs

en dpendance de la temprature.

Un tat dquilibre correspond la valeur minimale de l'nergie libre. Dans les conditions

dquilibre, la temprature et la pression donnes, lnergie libre dun systme ne doit pas

changer, cest dire, le travail des forces internes doit tre nul. L'tat dquilibre des alliages est

dit galement stable parce quil ne subit pas dautovariations dans le temps. Cet tat ne peut

sobtenir qu de trs faibles vitesses de refroidissement ou avec un chauffage dune grandedure.

Dailleurs, il est rare que pratiquement, on ralise un quilibre rel. Dans la grande majorit des

cas, les alliages se trouvent ltat mtastable, c'est dire, l'tat dans lequel la stabilit des

alliages est limite et les interventions extrieures les font passer lautre tat plus stable, car

l'nergie des alliages est plus grande que leur nergie minimale.

2.1. Phases dans les alliages

Les alliages sobtiennent, soit par fusion, soit par frittage de deux ou plusieurs lments.

Laddition un mtal pur, dun ou de plusieurs lments, mtalliques ou non, peut modifier

profondment ses proprits. Les substances qui forment les alliages sont

appeles : composants. Selon le nombre de composants, un alliage peut tre :

- Binaire (2 composants).

- Ternaire (3 composants).

- Quaternaire (4 composants), etc.


36/158

36

Les phases sont les parties homognes du systme. Elles sont caractrises par :

- La composition chimique, le type de rseau cristallin et les proprits rsultantes.

- La prsence d'une surface de sparation avec les autres parties du systme appele

interface.

- Un changement brusque de composition et de proprits lors du passage travers cette

interface.

Parmi les phases, on distingue :

- Les solutions solides.

- Les solutions liquides

- Les combinaisons chimiques (type AnBn).

Ltat d'quilibre dun systme correspond la valeur minimale de l'nergie libre G dans les

conditions normales dquilibre (temprature T, pression P). L'nergie libre doit tre constante et

le travail des forces internes doit tre nul.

dG (T, P) = 0

L'quilibre des alliages est dit stable lorsquil ne subit aucun changement spontan dans le

temps. Cet tat ne peut sobtenir qu de trs faibles vitesses de refroidissement ou de chauffage.

Dailleurs ltat dquilibre rel est rarement obtenu. Dans la plupart des cas, lquilibre estmtastable nanmoins son tat est proche de ltat stable.

Les mtaux ltat fondu, ont un grand pouvoir dissolvant vis vis de l'tat solide. C'est ainsi

par exemple, que le mercure qui est liquide, la temprature ambiante peut dissoudre lor qui ne

fond qu 1063C. Aprs dissolution, le liquide obtenu est plus ou moins homogne, il est appel

alliage liquide.

2.2. Rgle des phases ou loi de GibbsQuand un corps fond, il y a changement de phase (et de rseau), puisqu'il passe de ltat solide

ltat liquide. La rgle des phases tablit la relation entre le nombre de degrs de libert V

(variance), le nombre de composants C et le nombre de phases :

V = C - + n


37/158

37

La variance dsigne le nombre de facteurs dquilibre indpendants que lon peut faire varier

arbitrairement sans que le nombre et la nature des constituants physico-chimiques varient.

n = nombre de facteurs extrieurs (temprature, pression).

Si on se limite aux diagramme de phases mtalliques, on prend n=1, parce que la pression dans

ce cas ninflue pas de manire signifiante sur les points de transformation et lon obtient alors :

V = C - + 1

Comme la variance ne peut tre infrieure zro, ni un nombre fractionnaire, on en dduit

que :

C - + 1 > 0 soit < C + 1Autrement dit, le nombre de phases dun alliage en quilibre ne peut dpasser le nombre de

composants C + l, cela veut dire qu'un systme binaire ne peut avoir plus de trois phases en

quilibre, un systme ternaire ne peut avoir plus de quatre, etc.

- Lorsque V = 0, le systme est dit invariant : la transformation de l'alliage commence et

se termine le mme temprature et la mme composition.

- Lorsque V = 1, le systme est dit monovariant.- Lorsque V = 2, il est dit bivariant, etc.

2.3. Cristallisation des matriaux mtalliques

Pour ltude des transformations de phases il nest pas exig dacqurir la quantit de

chaleur exacte en calorie, mais il est suffisant darrter la variation de la temprature en fonction

du temps sous forme de courbes de refroidissement. Cette mthode est introduite par TAMMAN

et dsigne par l'analyse thermique. Le principe d'une analyse thermique est reprsent sur la

figure 38.


38/158

38

1. Four de fusion.

2. Verre de protection des thermo-

lments.

3. Thermo-lments.

4. Thermostat pour maintenir la

temprature constante

5. Thermomtre.

6. Instrument de mesure de la tension

thermique.

(fig. 38)

Pour la dtermination des lignes de phases dans le diagramme dquilibre, une srie dalliages,

avec diffrentes compositions du systme tudier, sont fondus et successivement refroidis avec

lenregistrement des courbes de refroidissement correspondantes dans un intervalle de temps

dtermin.

Si on refroidi un corps ne subissant aucune transformation, on pose :

- T : temprature du corps.

- T0: temprature ambiante.

- C : capacit calorifique du corps.

Une faible baisse de temprature dT correspond au dgagement d'une quantit de chaleur dq telle

que :

dq = - C.dT

Si lon admet que la quantit dq est proportionnelle au temps dt, dune part et la diffrence detemprature T = T - T0, dautre part, on peut crire :

dq = - c.dT = K( T - T0).dt

DT K K

T=

Cdt T = T0. exp -

Ct


39/158

39

Cela veut dire que la variation de la temprature du corps en fonction du temps est une fonction

exponentielle, (fig. 39). Si le corps tudi subit une transformation avec changement de phase,

un dgagement de chaleur se produit et modifie lallure de la courbe de refroidissement.

Courbe de refroidissement : T = f (t).

(1) : sans changement de phase.

(2) : avec changement de phase

entre T1et T2

T1: indique le dbut de la transforma-

tion et T2la fin de cette transformation

(fig. 39)

Pour tudier la cristallisation dun corps, on le fond, puis on le place ltat liquide dans un

creuset, lui mme enferm dans une enceinte isotherme, afin de limiter la vitesse de

refroidissement. La temprature lintrieur du creuset est mesure laide dun thermocouple

qui est reli un enregistreur, ce dernier permet de tracer la courbe de refroidissement T = f(t).

2.3.1. Cristallisation dun mtal pur

Pour un mtal pur, la temprature reste constante pendant toute la dure de la solidification

conformment la rgle des phases. En effet entre T1et T2, le corps est ltat liquide, il y a unseul constituant (le corps pur) et une seule phase (la phase liquide).

V = 1 1 + 1 = 1

Il y a un seul degr de libert, par consquent, on peut choisir, son gr, la temprature dans cet

intervalle sans affecter lquilibre physico-chimique.

A la temprature T1, apparaissent les premiers cristaux solides. Ainsi, la constituant reste la

mme, alors quil y a deux phases : le corps liquide et le corps solide.


40/158

40

V = 1 2 + 1 = 0

La variance est nulle et la temprature reste constante pendant toute la dure de la solidification.

Ceci est traduit par un palier sur le courbe T = f(t), appel palier de solidification. La

longueur de ce palier est proportionnelle la quantit de mtal solidifi.

Les mtaux l'tat pur, ne cristallisent que difficilement.. La cristallisation ne samorce quen

dessous de la temprature de fusion Tf, voir (fig. 93). On dit que le mtal est en surfusion.

Lorsque le refroidissement est trs lent, le niveau de surfusion est faible et la cristallisation se

produit une temprature voisine de celle de ltat d'quilibre. Le degr de surfusion est

dtermin par la nature et la puret du mtal. Le plus souvent T = (10 30C), sauf pour les

mtaux trs purs, par exemple T(Sn) = 118C et T(Sb) = 135C.

La figure 40 reprsente une courbe de refroidissement dun systme mono-constituant pur.

fig. 40

La cristallisation commence par la formation de germes et se poursuit avec leur dveloppementet l'augmentation de leur nombre.

La figure 41, schmatise les tapes de cristallisation dun mtal au cours du refroidissement.

Tant que les cristaux en formation s'accroissent librement, leur forme gomtrique est rgulire,

mais lorsqu'ils entrent en contact avec dautres cristaux, leur forme rgulire se perturbe et la

croissance se poursuit dans la direction qui laisse passer le liquide dalimentation. Les cristaux

primitifs deviennent irrguliers et prennent lappellation de grains ou cristallites.


41/158

41

fig. 41

2.3.2. Cristallisation dun alliage

Par alliage, on entend un mlange homogne de deux mtaux A et B. A ltat liquide, la

solubilit de la plupart des mtaux qui forment une solution liquide monophase est illimite. Il

n'y a que quelques mtaux comme le fer et le plomb qui, l'tat liquides sont presque non

miscibles lun dans l'autre et se sparent en fonction de leur densit en deux couches.

La cristallisation dun alliage ne se poursuit quen cas de surfusion et de formation de germes

stables (aptes la croissance). La composition des phases d'un alliage dcoule de celle de la

solution liquide mre. C'est pourquoi les fluctuations structurales et nergtiques dun alliage ne

suffisent pas pour produire un germe stable.

La solidification dun alliage impose en plus, des fluctuations de concentrations, il s'agit des

carts momentans de la composition chimique, de petits volumes isols par rapport sa

composition moyenne. L'origine des fluctuations est, sans doute, lie la migration des atomes

par diffusion, suite lagitation thermique de la solution liquide.

L'analyse thermique dans ce cas, permet de suivre la solidification dun alliage de l'tat liquide

l'tat solide. Un exemple du type de courbe de refroidissement qui en rsulte est schmatis par

la figure 42.

A la temprature T1, dbute la solidification qui se manifeste sur la courbe T - t, par un

changement de pente. Entre T1 et T2, on a un domaine biphas : une phase solide qui se


42/158


43/158

43

Exemple de diagramme de phase d'une substance pure

fig. 43

2 .5. Diagrammes d'quilibre

Pour la dtermination des lignes de phases dans le diagramme dquilibre, une srie dalliages

avec diffrentes compositions du systme tudier sont fondus et successivement refroidis aveclenregistrement des courbes de refroidissement correspondantes dans un intervalle de temps

dtermin (analyse thermique).

Le refroidissement doit seffectuer trs lentement, afin davoir, le plus possible, ltat

dquilibre. Dans le domaine de transformation de phases, la variation de la temprature avec le

temps montre une allure discontinue. II apparat des points de flexion et darrt dans la courbe de

refroidissement.

Un type de courbe de refroidissement, pour diffrents alliages dun systme, dont les composantssont totalement miscibles l'tat solide et liquide, est reprsent sur la figure 44.


44/158

44

fig.44

Les valeurs de temprature-concentration, donne les points avec lesquels les lignes de limites de

phases peuvent tre construites et les domaines dexistence de chaque phase peuvent tre

reprsents graphiquement. Les conditions pour que apparaissent les points de flexion et d'arrt

dans les courbes de refroidissement sont dtermines par le nombre de phases se trouvant en

quilibre les unes avec les autres, cest dire, par le nombre de degrs de libert du systme.

Pour la dtermination des transformations des phases ltat solide, on utilise le plus souvent,

outre lanalyse thermique, le procd de dilatomtrie, surtout dans le cas o on ne peut pas

obtenir les rsultats envisags avec l'analyse thermique. Cette mthode est utilise pour lamesure des variations des volumes spcifiques lis avec la transformation des phases. On ne

mesure pas directement la variation, mais la dpendance de la temprature suite aux variations de

volumes (variation de dimensions) de l'prouvette.

A cause des dimensions des longueurs mesurer, qui sont relativement petits (10-4 10-5mm),

on utilise des mthodes d'enregistrement avec amplification mcanique, optique ou lectronique.

La figure 45 reprsente la courbe dilatomtrique du fer.


45/158

45

fig.45

La diminution du volume (raccourcissement de l'prouvette), lors de la transformation des phases

et (cubique centr) en phase (cubique faces centres), est due l'empilement trs compact

de la phase . Les tempratures de transformation des phases et sont diffrentes selon quil

sagisse d'un chauffage ou dun refroidissement.

Les tempratures de transformation obtenues partir des courbes de dilatomtrie, peuvent tre

dvales lorsque la composition est modifie par l'addition dautres lments dalliages.

Les mthodes reprsentes pour la dtermination des points de transformation de phase sont

valables uniquement pour les systmes pour lesquels ltat dquilibre thermodynamique, peut

tre mis au point dans un intervalle de temps trs court.

Si l'tat d'quilibre nest atteint quaprs un temps trs lent cause de la vitesse de raction qui

est trs faible (dans le cas des systmes de silicates), dans ce cas, on utilise la mthode de trempe

qui consiste refroidir le systme dans un milieu de trempe l'eau, l'huile, etc.


46/158

46

Les phases obtenues pour les diffrentes tempratures lquilibre sont fixes pour chaque

prouvette la temprature ambiante Elles peuvent tre identifies laide du microscope ou par

rayon X.

2.5.1. Principaux types de diagrammes dquilibre du systme binaire

2.5.1.1. Diagramme d'quilibre dun systme avec miscibilit totale des composants

ltat solide et liquide.

Le type de ce diagramme est reprsent sur la figure 46 avec la courbe de refroidissement et

structure de la miscibilit des composants A et B.

fig.46


47/158

47

Les lignes liquidus et solidus dlimitent dans ce diagramme trois domaines :

Dans le domaine I, et aux tempratures suprieures la ligne liquidus, se prsente

uniquement une phase qui est le liquide homogne.

Dans le domaine II, entr le liquidus et le solidus, existent le liquide et les cristaux mixtes

comme phase thermodynamiquement stable.

Dans le domaine III, au dessous de la ligne solidus, o se trouve seulement une phase

solide, les cristaux mixtes de substitution dont les paramtres du rseau sontlinaires et dont la

composante A pure peut passer dans la composante B pure. Pour un systme homogne, la loi de

Gibbs donne une relation entre le nombre de composants K, le nombre de phases P et le nombre

de degr de libert F.

F = K + 2 P

Le nombre de degrs de libert F signifie le nombre de grandeurs d'tat (pression, temprature,

concentration) quon peut choisir librement et lesquelles peuvent varier indpendamment lune

de lautre sans que le nombre de phases varie.

Si on considre la pression constante (P = cst), lquation de Gibbs peut scrire :

F = K + 1 P

Pour ce systme, on peut dterminer le nombre de degrs de libert dans chaque domaine. Pourle domaine I, o (K = 2, P = 1) et F = 2, cela signifie que la concentration et la temprature

peuvent tre choisies librement dans ce domaine. Les mmes rapports se trouvent dans le

domaine II, o le nombre de degrs de libert F = 1 (pour K = 2 et P = 2). Cela signifie qu'on

peut varier librement une seule grandeur d'tat soit la temprature ou la concentration. Si on

considre la courbe de refroidissement dun alliage L (figure ci-dessous) avec une composition

C, l'tat dquilibre, on peut constater les phnomnes suivants :

Dans le domaine I, il existe un liquide homogne, sa composition correspond la concentrationC ou 1 - C correspondant respectivement la composante B ou A dans l'alliage. Lors du

refroidissement, et lorsque le point P1, de la ligne liquidus est atteint, il y a prcipitation des

cristaux mixtes partir du liquide.

La composition de ces cristaux mixtes est C1, elle est dtermine sur les coordonnes de

concentrations du point P1, reprsentant lintersection de P1P1 avec la ligne solidus. La vitesse

de refroidissement diminue avec lnergie libre de cristallisation. La courbe de refroidissement


48/158


49/158

49

C2- CmL=

C2- C2

C - C2mC =

C2- C2

mC C - C2

mL C2- C

Donc le diagramme dquilibre permet, non seulement, de dfinir le nombre et type de

phases existant pour les diffrentes tempratures et concentration mais aussi de dterminer

les quantits de ces phases dans la structure. La miscibilit totale des deux composantes

ltat solide et liquide prsente un cas limite de la formation dalliages.

2.5.1.2. Diagramme dquilibre dun systme avec miscibilit totale des composantes

ltat liquide et non miscibilit totale ltat solide.

Le diagramme dquilibre, les courbes de refroidissement des alliages L1et L3, ainsi que leur

structure sont reprsents sur la figure 47.


50/158

50

fig.47

Ils existe quatre lignes limites de phases formant quatre domaines spars. Au dessus de la ligne

liquidus, TSA, E et TSBexiste le domaine du liquide homogne Les tempratures de solidification

des composantes pures TSAet TSBdiminuent avec l'addition de la deuxime composante.

La temprature du liquidus de lalliage en dpendance de la concentration peut tre dtermineselon Roozeboom, partir du point de solidification de la composante B pure.

TSB. UBTSC =

UB - R.TSB.LnC

TSB: temprature de solidification de la composante B.

Tsc : temprature de liquidus de l'alliage.R : constante des gaz.

UB: chaleur de fusion molaire de la composante B.

C : concentration de la composante B dans l'alliage.

La mme expression est valable pour la composante A. Cette relation nous fournit des courbes

qui dcroissent avec laugmentation de la concentration de la deuxime composante. Elles se


51/158

51

coupent au point E du diagramme dquilibre. Le point E dsigne le point eutectique et auquel se

trouvent trois phases en tat dquilibre, lune avec lautre (liquide, phase A et phase B).

En utilisant la loi des phases, on obtient ce point K = 2, P =3, et le nombre de degrs de libert

F = 0.

Si on considre lallure de la courbe de refroidissement de l'alliage L1avec la concentration CE..

L1est un alliage eutectique, la temprature TE, il y a cristallisation des phases solide A et B.

Les phases solides des composantes A et B sont identiques, car les composantes reprsentent une

non miscibilit totale ltat solide.

La courbe de refroidissement de cet alliage prsente un point darrt la temprature eutectique

TE cause de F = 0, cest dire la temprature TEreste longtemps constante jusqu ce que la

totalit du liquide soit consomme selon la raction eutectique :

T, P = const.

L A +B

Puisque la temprature de solidification de leutectique se trouve trs au dessous de la

temprature de solidification des composantes pures, il se forme une infinit de germes de

cristallisation qui sempchent de saccrotre et ce qui donne, le plus souvent, une structure

lamellaire grains fins, tels que lexemple des aciers hypereutectodes reprsents sur la

figure 48.


52/158

52

fig.48

Les alliages eutectiques sont les plus utiliss dans lindustrie, cause de leur point de fusion

faible, leur structure fine et leurs bonnes proprits mcaniques. Au dessous de le ligne liquidus,

deux phases spares lune de lautre par leutectique, o les cristaux de la composante A et B setrouvent en tat d'quilibre avec le liquide. La rgle de phase de Gibbs donne pour les deux

domaines de phases, le nombre de degr de libert F = 1.

Si on commence le droulement du refroidissement de l'alliage L2avec la concentration C2 et

lorsque lalliage L2 aura atteint Ie point P1 de la ligne Iiquidus, cet instant, commence la

prcipitation des cristaux de la composante pure B partir du liquide cause de la chaleur libre

de cristallisation, la vitesse de refroidissement de lalliage diminue et un point dinflexion

apparat dans la courbe de refroidissement.

La prcipitation des cristaux de la composante B continue augmenter avec la diminution de la

temprature, ce qui fait changer la composition du liquide. Lorsque le point P2 de la ligne

liquidus est atteint, la concentration est C2. Selon lquation de Roozboom, la temprature de

solidification du liquide diminue avec la diminution de la concentration de la composante B.


53/158

53

Au point P3, la temprature de solidification TE de leutectique est atteinte et le liquide restant,

possde la composition eutectique CE, ce moment se prcipitent simultanment les cristaux de

la composante B et A, c'est dire la solidification du liquide restant, seffectue eutectiquement.

Dans la courbe de refroidissement de l'alliage L2apparat la temprature TE, un point darrt o

P = 3, K = 2 et F = 0.

Dans la structure de lalliage L2 existe cot des cristaux primaires de la composante B,

leutectique se composant de cristaux fins des composantes A et B. Les rapports analogues sont

valables pour les alliages intervalle de concentration 0 C CE, dans ce cas, les cristaux

primaires sont composs de A et de leutectique. Pour le point P2, on peut dterminer la quantit

de cristaux B selon lexpression :

Quantit de cristaux B C2 C2

Quantit du liquide restant

=

1 C2

De la mme faon, les quantits de A, B et de leutectique peuvent tre dtermines.

2.5.1.3. Diagramme dquilibre dun systme avec miscibilit complte des composants

ltat liquide et miscibilit partielle ltat solideLes systmes ou diagrammes dquilibre dj envisags, sont des cas limites de miscibilit

complte et de non miscibilit l'tat solide. Il existe dautres systmes qu'on va considrer dans

cette partie, dont les composantes sont miscibles seulement une tendue limite, et le plus

souvent, utiliss en pratique.

Dans un tel systme, (fig. 49), on peut constater la prsence de deux nouvelles phases et c.


54/158

54

fig. 49

Les cristaux mixtes possdent le rseau fondamental du rseau cristallin de la composante A,

de mme que les cristaux mixtes possdent le rseau fondamental du rseau cristallin de la

composante B. Ces deux cristaux peuvent apparatre comme cristaux mixtes de substitution oudintercalation et sont thermodynamiquement stables seulement pour certains domaines de

concentrations en dpendance de la temprature.

Dans le diagramme, (fig. 102), apparat une sparation eutectique. La ligne liquidus TSAETSBde

ce diagramme, prsente principalement la mme allure comme dans le systme avec miscibilit

complte. L'allure de la ligne solidus est donne par la courbe TSAM1M2TSB. La sparation du

liquide homogne seffectue selon la raction :

T, P = const.

L +

Cette raction est diffrente de celle dj tudie dans les diagrammes dquilibre prcdents o

elle est donne sur la totalit du domaine de concentration de 0 jusqu' 1, mais seulement dans


55/158

55

l'intervalle C C C o C et C sont les concentrations dquilibre dans les phases de

cristaux mixtes et la temprature eutectique TE.

Dans les intervalles de concentration 0 < C < Cet C< C < 1, le liquide se solidifie selon lesystme miscibilit totale ltat liquide et solide. A ltat solide, apparat dautres lignes

limites de phases avec les courbes M1C et M2C qui donnent les limites de solubilit des

cristaux mixtes et pour le composantes A et B.

Au point M1, et la concentration C, les cristaux mixtes possdent la solubilit maximale

pour la composante B, avec la diminution de la temprature, diminue le nombre datomes B

solubles dans le rseau cristallin de la composante A, ils se diffusent alors dans le domaine du

rseau cristallin o lnergie est favorable.Dans cette position, la concentration C, augmente et se forme le rseau cristallin de la

composante B, et les cristaux mixtes se sparent sous la forme de sgrgation.

Les limites de solubilit sont, le plus souvent, dtermines par les mthodes de mesures

magntiques ou radiographiques. Les ractions de dmixtion (sparation) peuvent s'effectuer non

seulement dans le liquide homogne mais aussi ltat solide sous la forme de raction

eutectique.

T, P = const.

+

Un autre type de raction pouvant seffectuer pour les trois phases se trouvant en tat dquilibre,

lune avec lautre, est la raction pritectique. Elle est caractrise par la prcipitation des

cristaux mixtes du liquide, par exemple, la raction des cristaux mixtes en cristaux mixtes .

Le diagramme dquilibre d'un systme pritectique est reprsent par la figure 50.


56/158

56

fig. 50

Dans lintervalle de temprature TSB > T > TP, se prcipitent les cristaux mixtes partir du

liquide homogne. Leur concentration d'quilibre varie suivant la ligne TSBM2 et atteint, la

temprature T = TP, la valeur maximale C. La composition du liquide varie suivant la ligne

TSBM1et possde an point M1la valeur CS.

Lorsque la temprature pritectique TP est atteinte, il y a transformation (recomposition) des

cristaux mixtes avec le liquide en cristaux mixtes dont la concentration dquilibre prend la

valeur C. La loi de phase donne pour le point pritectique P, le nombre de degrs de libert F =

0 avec C = 2 et P = 2.

Les courbes de refroidissement des alliages dont la composition se trouve dans l'intervalle Cs

C C(L1, L2, L3) doivent possder un point d'arrt. La temprature reste longtemps constante,

jusqu'a ce que le liquide ou les cristaux mixtes sont consomms la transformation

pritectique. Les alliages dont la composition se trouve dans l'intervalle C C C (L1),

possdent une grande quantit de cristaux mixtes , lesquels sont consomms avec le reste du

liquide lors de la transformation pritectique.


57/158

57

Aprs solidification, la structure est compose de cristaux mixtes forms lors de la

transformation pritectique et de reste de cristaux mixtes . Les alliages qui ne sont pas compris

dans lintervalle de concentration Cs C C se solidifient selon le systme miscibilitcomplte, dont la prcipitation des cristaux mixtes seffectue dans lintervalle 0 < C < CS et

celle de dans l'intervalle C< C < 1.

A ltat solide, la solubilit des cristaux mixtes se rtrcit suivant la ligne PC, et pour

suivant la ligne M2C'.

La structure contient des sgrgations de cristaux mixtes et dont la quantit est donne sur le

rectangle de structure de la figure 50.

2.5.1.4. Diagramme dquilibre dun systme avec phases intermtalliquesLes composantes dun systme peuvent former une ou plusieurs phases intermtalliques ayant la

forme gnrale AmBn (m, n = 1, 2, 3, ). Le nombre et la forme des lignes limites de phases

dans le diagramme dtat dpendent principalement des proprits des phases intermtalliques,

lesquelles sont dtermines par les composantes A et B.

Le rseau cristallin des phases intermtalliques est trs compliqu et plusieurs possibilits

peuvent exister, notamment :

a. La phase intermtallique se cristallise partir du liquide et peut dissoudre dans son

rseau les atomes des composantes A et B dans un tendu limit, donc dans un certain

domaine de concentration, ou elle peut aussi exister sous la forme de la composition

CAmBn.

b. La phase intermtallique se forme ensuite la transformation pritectique, comme suite

dune raction entre deux liquides.

La figure 51 montre le diagramme dtat dun systme avec phases intermtalliques AmBn, et

caractrise la composition moyenne. Pour AmBn, correspond la concentration CAmBn et pour

laquelle on a un maximum dans la ligne liquidus.

Plus la temprature de fusion de la phase intermtallique est leve, plus lnergie de sa

formation est grande. La courbe de refroidissement dun alliage avec composition AnBm et la

temprature TSV, est caractrise par la prsence d'un point darrt.


58/158

58

Diagramme dquilibre dun

systme avec miscibilit complte

des composantes A et B l'tat

liquide et miscibilit partielle ltat

solide et dans lesquelles la phase

intermtallique se forme jusquau

point de fusion V(AmBn).

Le comportement dune phase

intermtallique lors de la

solidification est le mme que celui

du mtal pur. Le diagramme dtat

peut se dcomposer en deux

diagrammes de solidification

eutectiques, dont le premier se

compose de la composante A et V et

l'autre de la composante V et B. Lors

de la solidification, les mmes

process seffectuent dans chaque

diagramme.

(fig. 51)


59/158


60/158

60

de leur faible teneur en silice (< 5%).

La composition chimique moyenne dune bauxite rouge est la suivante :

Al2O3: 53 %, SiO2 : 4 %, H2O : 13 %, Fe2O3: 25 %, Ti O2: 3 %

Les bauxites blanches servent la fabrication de ciment, dabrasif et de produits rfractaires. La

bauxite se prpare le plus souvent selon le procd BAYER et selon les tapes suivantes :

a. Concassage de la bauxite :

La bauxite est concasse et ventuellement broye aprs schage.

b. Attaque de la bauxite par la soude (Na OH) concentre :

L'opration seffectue dans des autoclaves une temprature T = 170C et une pression de 7

atmosphres. La bauxite est dissoute sous forme daluminate de sodium. Le fer ne se dissout pas,

tandis que lacide silicique passe dans les silicates de Na et Al :

Na OH + Al (OH)3 Na A1O2+ 2H2O

Ce qui entrane une perte en Al et NaOH. Lopration se fait gnralement en marche continue

par passage travers une srie dautoclaves pour une dure de 6 8 heures. La lessive obtenue

contient en plus de la soude concentre, 270g de Al2O3par litre.

c. Sparation de laluminate de sodium et prcipitation de lalumine :

La lessive est extraite des autoclaves pour tre dilue afin dobtenir une bonne concentration dureste de la solution et de la boue. Apres dilution, concentration et filtrage, on obtient une liqueur

claire dans laquelle laluminium est dissous, elle est en voue ensuite aux rservoirs de

prcipitation o s'effectue a 60C, lopration inverse de la raction de dissolution :

Na AlO2+ 2H2O Al (OH)3 Na OH

La cristallisation de AI (OH)3pur, seffectue trs lentement. En cinq jours, il y a dpt denviron

60 % de 1alumine contenue dans laluminate. Pour acclrer le processus de dpt, on ajoute

la liqueur claire, de 1hydroxyde daluminium solide (moyens de gnration).A la fin, Al (OH)3cristallis, est aspir et filtr de la lessive et sch, ensuite achemin vers les

fours rotatifs. Le rsidu de filtration subit lopration de concentration par vaporation avant

dtre utilis comme soude concentre.

d. Calcination de lalumine :

Laluminium hydrat, aprs schage, subit une calcination dans les fours rotatifs une

temprature de 1200C, on obtient de lalumine avec une teneur en Al2O3de 99,2 99,5 %.


61/158

61

e. Electrolyse de lalumine :

Du fait de la grande affinit de laluminium pour loxygne, laluminium ne peut tre rduit par

les rducteurs habituels (C ou Co) et lon a recours llectrolyse. La dcomposition

lectrolytique de lalumine, seffectue dans un bain de cryolite Na3AIF6, une temprature de

920 950C. La cryolite pure, se fond 1000C, alors que lalumine fond 2000C.

Durant llectrolyse, la cryolite dissout de lalumine, cet effet on ajoute du Al2F3 pour la

neutralisation des lments alcalins accompagnant lalumine, ainsi que pour avoir un lectrolyte

caractre acide faible et enfin pour diminuer la temprature de fusion de llectrolyte.

Lune des exigences envers la composition chimique de lalumine est surtout la teneur de Fe2O3,

qui doit tre infrieur 0,04 % et celle de SiO2 < 0,3 %, car ces deux composs sont plus nobles

que laluminium et peuvent tre spars avec laluminium durant llectrolyse.

Ce qui diminue la puret de lalumine est llectrolyse proprement dite, effectue dans un four,

(fig. 52), avec une masse en carbone jouant le rle de cathode et fermant le fond du four la

partie suprieure, o sont places les anodes (anodes prcuites ou anodes continues).


62/158

62

fig. 52

La tension de travail est de 4,5 volts et lamprage est de 30.000 100.000 Ampres.

Laluminium saccumule sur le fond du four et forme pratiquement la cathode et de temps en

temps, il est recueilli et coul en lingots ou dans des mlangeurs. Pour llaboration dune

tonne daluminium, on a besoin de :

- 2000 kg dalumine.

- 30 kg de cryolite.

- 30 kg de fluoride dalumine.

- 550 kg danode en carbone.

- 15 20 MWH de charge lectrique.

Laluminium obtenu a une puret de 99,2 99,9 % et les impurets essentielles sont : Fe et

Si et en faible quantit, Cu, Mg, Ti, Na.


63/158

63

Pour l'laboration de l'aluminium pur a 99,99 %, il est ncessaire de procder une

deuxime lectrolyse. Laluminium pur, possde une rsistance chimique trs leve. Les

alliages daluminium grande rsistance sont plaqus par de laluminium pur, afin de

combiner la bonne rsistance la corrosion avec la rsistance de l'alliage.

L'aluminium pur, peut avoir un clat grce aux diffrents procds de trempage. L'oxydation

anodique est le traitement superficiel le plus important pour l'aluminium. Il s'agit du

renforcement du film doxyde naturel par la voie lectrolytique, donc laugmentation de

laction de protection contre la corrosion et lamlioration de la duret et du comportement

contre lusure. Dans le tableau ci-dessous est indiqu la composition chimique de

laluminium pur selon TGL

Quantit en %Type

Total Fe Si Cu Zn Ti Autres

Al 99,99 R 0,01 0,005 0,005 0,003 0,005 0,002 0,001

Al 99,95 R 0,05 0,025 0,020 0,015 0,005 0,005 0,005

Al 99,9 R 0,10 0,05 0,04 0,03 0,005 0,01 0,001

Al 99,8 0,20 0,12 0,10 0,01 0,04 0,03 0,01

Al 99,7 0,30 0,16 0,10 0,01 0,05 0,03 0,01


64/158


65/158

65

Un conducteur daluminium, compar avec un autre en cuivre, peut avoir la mme rsistance, la

moiti de son poids, mais 1,3 fois plus grand. Donc lutilisation de laluminium dans

llectrotechnique est trs limite cause du diamtre des conducteurs.

Les figures ci-dessous, montrent :

- Figure 53 :la dpendance de la conductibilit lectrique en fonction de la temprature

de recuit.

Courbe a : 0,13 % Si et 0,30 % Fe.

Courbe b : 0,12 % Si et 0,50 % Fe.

Courbe c : 0,64 % Si et 0,10 % Fe.

fig. 53

- Figure 54 : linfluence des diffrents lments dalliages, dissous dans les cristaux

mixtes, sur la conductibilit spcifique de laluminium T = 20C.

- Figure 55 :linfluence du degr de puret de laluminium sur la rsistance spcifique

lectrique et sur la conductibilit lectrique.

-


66/158

66

fig. 54 fig. 55

3.3.2. Caractristiques mcaniques

A cause de sa structure du type CFC, l'aluminium pur est trs bien dformable froid et chaud,

il est donc trs ductile. Cette plasticit leve ltat recuit rend trs ais le corroyage, par

contre, son usinage tant mal ais. L'aluminium se prte bien toutes les modalits de soudage

sous gaz inerte tels que l'argon ou lhlium (gaz de protection), sinon laluminium s'oxyde

facilement et forme une pellicule de Al2O3.

Sa faible duret et sa faible limite lastique sont dfavorables pour son emploi en mcanique.

Les proprits mcaniques de laluminium dpendent :

- Des traitements mcaniques (forgeage, laminage, etc.).

- Des traitements thermiques (trempe, recuit, etc.).

- Des lments daddition (Fe, Cu, Mn, Zn, Mg, Si).

A titre dexemple :

- Les proprits mcaniques de laluminium (99,6 %) coul sont :

R (rsistance la traction) = 70 100 N/mm.

R 0,002 (limite lastique) = 30 40 N/mm.


67/158

67

A (allongement) = 15 25 %.

HB (duret brinell) = l5 25 HB.

E (module dlasticit) = 67500 N/mm.

- Les proprits mcaniques de laluminium (haute puret) recuit :

R = 50 N/mm.

R 0,002 = 15 N/mm.

A = 50 %.

E = 71000 N/mm.

Une dformation plastique froid de laluminium industriel augmente sa charge de rupture

jusqu 150 N/mm mais lallongement baisse jusqu 6 %.

Linfluence du fer et du silicium sur les proprits mcaniques de laluminium ltat de

recristallisation (aprs un traitement thermique de 5 heures 420C) est montre sur la figure 56.

fig. 56

Le silicium augmente la limite dlasticit et la rsistance de laluminium plus que le fer. Tandis

que le fer amliore lallongement, cela est expliqu par la prcipitation des particules fines et

htrognes de AI3Fe dans lalliage binaire AI-Fe, qui seront transforms en grain fins lors du

recuit de recristallisation.


68/158

68

Les grains fins donnent essentiellement une plasticit meilleure que celle des gros grains. Le fer

stabilise la grosseur des gros grains de recristallisation et amliore les proprits mcaniques et

surtout la valeur de lallongement et celle de rupture. Le cuivre aussi amliore la rsistance,

tandis que le zinc et le magnsium, avec de petites concentrations, ne montrent aucun effet.

A cause de la faible rsistance ltat recuit dadoucissement, les produits en aluminium pur et

trs pur subissent un durcissement froid rpt.

- Al 99,99 % : 0,2= 15 25 N/mm et ZB= 40 60 N/mm.

- Al 99,5 % : 0,2= 35 45 N/mm et ZB= 70 90 N/mm.

3.3.3. Tenue la corrosion

Le phnomne de la tenue la corrosion est expliqu par la formation dune pellicule (0,7 m)

non soluble dans leau et protgeant le mtal contre les milieux oxydants et une ventuelle

attaque chimique. L'aluminium est trs rsistant conte linfluence atmosphrique et contre

beaucoup de produits de lindustrie chimique et alimentaire.

Le tableau ci-dessous donne une ide sur la tenue de la corrosion de laluminium et de ses

alliages (sans couche de protection) pour les diffrents milieux.


69/158


70/158

70

3.4. Alliages daluminium

3.4.1. Influence des lments dalliages sur les proprits de laluminium

L'aluminium pur, non alli possde des proprits mcaniques faibles, afin damliorer ces

proprits, on est conduit ajouter les lments daddition lors de sa fusion, tels que Mg, Mn,

Cu, Si, Ni, Ti, Zn, Co, etc. Ces lments entrent en solution solide ou formant des prcipits qui

entranent des composition dalliages industriels. L'avantage des alliages daluminium est quils

permettent davoir une bonne rsistance mcanique tout en conservant une faible masse

volumique.

a. Addition de Mg : Les alliages forms, possdent une rsistance mcanique moyenne.

Ils sont utiliss dans le domaine de placage, lorsque avec laluminium, il savre difficile. Ils

sont faciles polir et conservent longtemps leur poli cause de la haute rsistance chimique.

b. Addition de (Mg + Mn) : Ces deux lments augmentent la rsistance mcanique sans

modifier la dformabilit. Ils se prtent bien lemboutissage et au polissage.

c. Addition (le (Cu + Si) : Ce sont des alliages de fonderie, prsentant une bonne

coulabilit et conviennent surtout pour les pices compliques.

d. Addition de (Co + Ti + Zn) : Accroissent la rsistance mcanique sans altrer la

coulabilit, laddition de Cu et de Zn facilite lusinage.e. Addition de (Mg + Zn + Cu) : Ils sont aptes aux traitements mcaniques et prsentent

une rsistance mcanique maximum. La prsence de cuivre les rend durcissables chaud.

3.4.2. Traitements thermiques des alliages daluminium

Pour assurer le durcissement des alliages daluminium, a recourt la trempe et au vieillissement.

Les structures hors dquilibre et les dfauts de structure produits par la dformation qui

dgradent la plasticit de lalliage sont limins en appliquant le recuit.

3.4.2.1. Trempe et vieillissementAvec labaissement de la temprature, la solubilit dans laluminium, de la plupart des

composants, diminue, ce qui permet dutiliser la trempe et le vieillissement pour durcir les

alliages.

a. Trempe des alliages daluminium :

La trempe structurale des alliages daluminium a des buts et des effets totalement diffrents

de la trempe martensitique des aciers. Le cycle thermique de ce traitement comprend :


71/158

71

- Le chauffage jusqu la temprature de dissolution totale ou partielle des phases

intermtalliques en excs dans l'aluminium.

- Le maintien cette temprature.- Le refroidissement suffisamment rapide (hypertrempe) jusqu' la temprature ambiante

pour obtenir une solide sursature.

- Le maintient isotherme ultrieur qui conduit au durcissement de lalliage. Celui-ci est

ralis, soit la temprature ambiante (vieillissement naturel ou maturation), soit une

temprature suprieure (appel vieillissement artificiel ou simplement vieillissement).

Pour mieux comprendre les mcanismes de durcissement structurel engendr par la trempe,

prenons lexemple de lalliage Al 4 %-Cu. Daprs le diagramme Al-Cu, (fig.149), la trempe desalliages AI-Cu est dtermine par la ligne abc qui passe au dessus de la ligne de solubilit limite

des alliages contenant une teneur en cuivre < 5,6 % et au dessous de ligne eutectique (584C)

pour les alliages contenant une plus grande quantit de cuivre ( > 5,6%).

Lors de la chauffe pour trempe des alliages titrant 5,6 % Cu, la phase excdentaire en Al 2 se

dissout compltement et le refroidissement rapide ultrieur ne fixe que la solution solide

sursature qui contient autant de cuivre quil y a dans lalliage. Pour une teneur en cuivre > 5,6

%, la structure des alliages aprs trempe, se composera de solution solide sursature dont la

composition correspond au point b et de cristaux de la combinaison CuAl 2 non dissoute au

chauffage.

Diagramme d'quilibre AI Cu


72/158

72

fig. 57

La dure de sjour, la temprature de trempe ncessaire pour la dissolution des phases

intermtalliques, dpend de ltat structural de lalliage, du type de four et de lpaisseur de la

pice.

Exemple :pour des paisseurs 0,5 150 mm, le temps de chauffage tant de :

- Fours de salptres : sjour de 10 80 min.

- Four lectrique circulation force dair : sjour 30 210 min.

- Pices moules : 2 15 heures.

Aprs la trempe, les alliages de forge sont refroidis leau froide et les moulages de forme

leau porte de 50 100C, pour liminer le gauchissement et la formation de tapures. Aprs la

trempe, les alliages, tout en possdant une faible rsistance (R, R0,002), acquirent une lasticit

leve (A, Z).

b. Vieillissement des alliages tremps :

La trempe est suivie dun vieillissement qui reprsente est un maintient lambiante pendant

quelques jours (maturation) ou un maintient pendant 10 24 heures une temprature accrue

(vieillissement artificiel ou par revenu). Le vieillissement saccompagne de dcomposition de la

solution solide sursature qui va de pair avec le durcissement de lalliage.Si la distribution des atomes de cuivre dans le rseau de lalliage est statiquement uniforme, la

dcomposition de la solution solide sursature se produit en plusieurs stades, en fonction de la

temprature et de la dure du vieillissement.

Le vieillissement naturel (maturation 20C) ou artificiel (durcissement par le revenu basses

tempratures, infrieures 100 ou 150C), ne rvle pas la dcomposition de la solution solide

avec isolation de la phase en excs ces tempratures. Les atomes de cuivre se dplacent

seulement lintrieur du rseau cristallin de la solution solide de trs faibles distances etsaccumulent suivant les plans {l00} en agrgats bidimensionnels lamellaires ou disques dits

zones de GUINIER-PRESTON (GP1)comme le montre la figure 58.


73/158

73

fig. 58

Au sein de chaque cristal, ces zones longues de quelques dizaines dangstrms (30 60 ) et de

5 10 dpaisseur se repartissent plus ou moins rgulirement. La concentration du cuivre

dans les zones GP1 est plus faible que dans CuAl2(54 %).

En portant lalliage aprs maturation en quelques secondes ou minutes 230 ou 270C et en le

refroidissant rapidement, on supprime totalement le durcissement et lalliage acquiert nouveau

les proprits quil avait directement aprs trempe. Ce phnomne a reu le nom de restauration.Ladoucissement la restauration est du au fait qu ces tempratures, les zones GP1 sont

instables et cest pourquoi elles se dissolvent dans la solution solide, alors que les atomes de

cuivre se redistribuent de nouveau plus ou moins rgulirement dans le volume de chaque cristal

de la solution solide, tout comme aprs la trempe.

Le maintient ultrieur de l'alliage lambiante, conduit nouveau la formation des zones GP1

et son durcissement. Pourtant aprs la restauration et le vieillissement qui la suit, les proprits

anticorrosives de lalliage se dgradent, ce qui rend plus difficile lutilisation de la restauration

dans des buts pratiques.

Le sjour durable 100C, ou pendant quelques heures 150C, conduit a la formation des

grandes zones de Guinier Preston GP2, (fig.59) (10 40 dpaisseur et 20 300 de

diamtre) avec une structure ordonne diffrente de celle de la solution solde .


74/158

74

fig.59

La concentration du cuivre dans ces zones correspond la teneur dans CuAl2. Avec

laugmentation de la temprature de vieillissement, le processus de diffusion, transformations

structurales ainsi que le durcissement lui mme, deviennent plus rapides. Le maintient pendant

plusieurs heures aux tempratures 150 200C, conduit au droit des zones GP2, la formation

de particules disperses (lamelles fines) de la phase intermdiaire dont la composition

chimique (CuAl2) alors que son rseau cristallin est diffrent, (fig.60).

fig. 60


75/158

75

La phase est lie par cohsion la solution solide (fig.61) ; Laugmentation de la temprature

jusqu 200 250C, provoque la coalescence de la phase mtastable et la formation de la phase

stable, de la sorte, la maturation ne donne lieu qu la formation des zones GP1. Dans le cas du

vieillissement par revenu, la succession des transformations structurales peut tre schmatise de

la forme suivante.

GP1 GP2 (CuAl2)

fig. 61

Cela ne signifie, pourtant pas quune formation se transforme sur place en une autre. Il se

peut que lapparition de la formation ou de la phase successive se produit aprs dissolution de la

formation initiale.Le meilleur durcissement des alliages sobtient avec les alliages MgZn2, Mg2Siet la phase S (Al2CuMg) de structure complexe et de composition diffrente de celle de la

solution solide .

3.4.2.2. Recuit des alliages daluminium

Ses modalits sont :

- Recuit dhomognisation.

- Recuit de recristallisation.


76/158

76

- Recuit dadoucissement (aprs trempe et vieillissement pralable)

a. Recuit dhomognisation

Ce traitement est appliqu aux lingots avant corroyage pour liminer la sgrgation deudutique

qui conduit la formation dune solution solide inhomogne et au dpt des inclusions

eutectiques fragiles hors dquilibre CuAI2, A12CuMg (phase 5), Mg2Si, Al2Mg3Zn3(phase T),

etc... aux joints des grains et entre les branches de dendrites, (fig.62).

fig.62

Au cours de lhomognisation, la composition des cristallites de la solution solide est

uniformise, alors que les combinaisons intermtalliques se dposent sous forme de fines

inclusions secondaires uniformment rparties, (fig. 63)


77/158

77

fig. 63

Il sensuit que la plasticit de lalliage coul samliore, ce qui permet daugmenter le degr de

corroyage lors du formage chaud, la vitesse de filage et diminuer les rebuts technologiques.

Lhomognisation contribue lobtention dune structure grains fins dans les tles recuites et

diminue laptitude la corrosion sous tension. Le cycle thermique de ce recuit comprend :

- Un chauffage jusqu une temprature leve de 450 520C.

- Un maintient qui varie de 4 40 heures.

- Un refroidissement lent ou dans le four.

b. Recuit de recristallisation

Le recuit de recristallisation consiste chauffer lalliage dform jusqu'aux tempratures

suprieures celles de la fin de recristallisation primaire. On lapplique pour supprimer

lcrouissage et obtenir un grain fin. Dans la plupart des alliages daluminium, lorsque la

dformation atteint 50 75 %, la temprature de dbut de recristallisation schelonne de 290

400C. La temprature de recuit de recristallisation varie suivant la composition de lalliage de

350 500C et le maintient de 0,5 2,0 heures.

Aprs le recuit de recristallisation des alliages non durcis par traitement thermique, la vitesse derefroidissement est choisie arbitrairement. Pour les alliages durcis par traitement thermique, la

vitesse de refroidissement allant jusqu' 200 250C doit tre infrieure ou gale 30C/h. Le

recuit comme opration intermdiaire est appliqu dans le travail froid ou entre le corroyage

chaud et froid.

Le recuit incomplet est une modalit de recuit de recristallisation. Il permet dobtenir des

proprits intermdiaires entre ltat croui et recristallis. Dans ce cas, la temprature de recuit

doit tre infrieure celle de la fin de recristallisation pour assurer lobtention dune structuresous forme de polygone, ou partiellement recristallise, qui supprime en partie lcrouissage. Le

plus souvent, le recuit est appliqu dans le cas des alliages de forge et de laminage non soumis au

durcissement per trempe et vieillissement.

c. Recuit dadoucissement des alliages ayant subi la trempe et le vieillissement

Il est effectu une temprature de 350 450C avec un sjour de 1 2 h. Ces

tempratures assurent la dcomposition complte de la solution solide sursature et la


78/158

78

coalescence des phases qui durcissent. La vitesse de refroidissement ne doit pas dpasser 30C/h.

Aprs le recuit, lalliage possde une faible charge de rupture, une plasticit suffisante et une

rsistance leve la corrosion sous tension.

3.4.3. Proprits des alliages daluminium

Les principales caractristiques des alliages daluminium sont :

a. Rsistance chaud :Dune certaine manire, on peut dire que la rsistance chaud est

assez faible au del de 150C, sauf pour les alliages Al-Cu o lon peut atteindre 300C.

b. Rsistance aux basses tempratures :Les alliages daluminium ont un rseau cristallin

CFC, par consquent, ils ne sont pas fragiles do leur application en cryognie.

c. Rsistance la fatigue : De manire gnrale, le coefficient dendurance Rm est de

l'ordre de 0,5 pour les alliages non trempants et de (0,25 0,30) pour les alliages trempants.

d. Rsistance la corrosion : Comme pour laluminium pur; les alliages daluminium

sont protgs contre la corrosion grce la formation dune pellicule de Al2O3. La protection

anti-corrosion peut tre amliore par anodisation. Les risques de corrosion craindre dpendent

des lments daddition.

- Corrosion galvanique craindre en prsence du fer.

- Corrosion de type intergranulaire et sous tension, craindre en prsence dadditionstelles que Cu, Mn, Mg + Si et Mg + Zn

e. Mise en forme : Les alliages daluminium sont faciles laminer et emboutir. En

particulier les alliages Al-Mg sont trs appropris au filage chaud.

f. Soudage : De manire gnrale, le soudage est facile grce la couche protectrice

dalumine (procds de soudage sous gaz protecteur TIG ou sous vide).

3.4.4. Classification des alliages daluminium

Les alliages daluminium les plus rpandus sont Al-Cu, Al-Mg, Al-Cu-Mg-Si, ainsi que Al-Zn-Mg-Cu. A ltat dquilibre, tous ces alliages forment une solution solide faiblement

allie et des phases intermtalliques CuAl2, (phase ), Mg2Si, Al2CuMg (phase S), Al6CuMg4

(phase T). Al3Mg2, Al3Mg3Zn3 (phase T) Tous les alliages daluminium peuvent tre rangs

en trois groupes :

1. Alliages corroys :destins la forge et le laminage, ils sont prvus pour lobtention des

demi-produits (tles, plaques, feuillards, barres. Profils, tubes, etc.), ainsi que des pices de


79/158

79

forge et estampes produites par laminage, pressage, forgeage et estampage.

2. Alliages de fonderies:prvus pour le moulage des formes.

3. Alliages fritts :labors par frittage suivant la mthode de mtallurgie des poudres.

3.4.4.1. Alliages corroys avec et sans durcissement structural

Ils sont obtenus, fondus dans des fours induction, car grce au mouvement du bain induit quon

obtient un mlange homogne, cest dire, une rpartition homogne des lments daddition.

Le magnsium et le zinc, possdant pratiquement un point de fusion infrieur celui de lalliage

daluminium de 750C, sont ajouts sous forme de mtaux, cependant le Cu, Si, Mn sont

introduits sous forme dalliages, car ils possdent un point de fusion infrieur 750C.

Suivant l'aptitude au durcissement par traitement thermique, les alliages corroys sont classs en

deux types :

- Alliages sans durcissement structural (non trempants).

- Alliages avec durcissement structural (trempants).

A. Alliages sans durcissement structural

Ce sont les alliages base de Mn et Mg tels que Al-Mn, AI-Mg, Al-Mg-Mn (alliages de forge et

d'estampage). Leur durcissement naturel est du la formation dune solution solide et dans une

moindre mesure aux phases en excs.

Leurs compositions chimiques et proprits mcaniques sont donnes sur le tableau ci-dessous

selon la norme GOST.

Composition chimique (%) Proprits mcaniques

Nuance

Mn MgR

(kgf/mm)

R 0,002

(kgf/mm)

A

(%)AMII 1,0 1,6 - 13 (17) 5 (13) 23 (10)

AMr2 0,2 0,6 1,8 2,8 20 (25) 10 (20) 23 (10)

AMr3 0,3 0,6 3,2 3,8 22 11 20


80/158

80

AMr5 0,3 0,6 4,8 5,8 30 15 20

AMr6 0,5 0,8 5,8 6,8 30 (40) 15 (30) 18 (10)

Ces types d'alliages se prsentent bien au travail froid (estampage, cuitrage, etc.), au soudage et

possdent une tenue la corrosion leve. La limite lastique et la rsistance la traction

augmentent et lallongement diminue. Au del de la temprature de 150C, le long sjour

conduit la diminution de la rsistance.

Un recuit de recristallisation entre 350 450C peut produire un retour ltat doux. Pourobtenir une structure grains fins lors de la recristallisation, il est exige au pralable une

dformation allant jusqu 50 %. Leur usinage l'tat recuit est trs difficile.

a. Alliage Al-Mn

La teneur en manganse est de 1,0 1,6 %. La rsistance la traction est suprieure que celle de

Ialuminium pur, malgr que les proprits de dformation sont identiques. La tenus la

corrosion est aussi meilleure que celle de laluminium pur. Une meilleure usinabilit peut tre

obtenue grce laddition de magnsium (0,2 0,3) %, de titane ou de chrome. Le manganse

augmente aussi la temprature de recristallisation, laddition dune faible teneur en Mn permet

daugmenter nettement la rsistance mcanique des alliages.

L'alliage Al-Mn est une solution solide de manganse dans laluminium qui comporte galement

une faible quantit de particules de la combinaison Al6Mn, voir diagramme dquilibre partiel

Al-Mn, (fig.64). Ils sont utiliss pour les toitures, coffrages, revtements, rservoirs, ustensiles

de cuisine, etc.

Caractristiques des nuances 3003 et 3004 ltat recuit.

Nuances Composition Rm (MPa) A (%)

A MI 3003(1 1,5) % Mn

(0,05 0,2) % Cu100 130 25


81/158

81

A MIG 3004(1 1,5) % Mn

< 0,25 % Cu120 160 22

fig. 64

b. Alliage Al-Mg

A ce groupe appartiennent les alliages avec une teneur en magnsium de 0,2 7,2 % et une

teneur en Mn de 0,2 0,8 %. Ces alliages sont caractriss par une rsistance (stabilit) leve

contre leau sale. Les alliages avec une teneur en Mn jusqu'a 5 % sadaptent bien I'oxydation

anodique cause de leur structure fine et homogne. Les alliages avec une teneur > 5 % en Mn

se laissent difficilement travailler et posent des problmes aux soudages et sinclinent devant la

corrosion intercristalline et sous tension. Les alliages 7 % Mn sont caractriss par de bonnes

proprits de surface.

A ltat dquilibre, aprs refroidissement, les alliages Al-Mg sont biphass + , (Al3Mg2).

Pourtant la haute stabilit de la solution solide et la faible vitesse de diffusion du Magnsium

Métaux Et Alliages Non Ferreux

Documents

Transcript of Métaux Et Alliages Non Ferreux