ALLIAGES
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Diagrammes d'équilibres de phases
La description et l'étude des alliages binaires passent par un type de représentation classique : les diagrammes d'équilibres de phases. Quelques cas peuvent servir d'exemples.
La figure concerne le système cuivre (Cu)-tungstène (W). L'axe des abscisses représente la teneur de l'alliage en tungstène exprimée en atomes pour cent ou en poids pour cent ; la première échelle est utilisée dans les laboratoires de recherche tandis que la seconde est celle des industriels, qui préparent leurs alliages par pesée. L'axe vertical est gradué en température. L'ensemble donne donc une représentation de ce que sont les alliages CuW en fonction de la température et de la composition, sous réserve qu'ils soient à l'équilibre thermodynamique (ce point sera repris plus loin). On observe sur ce diagramme que les métaux ne s'allient pas. Le cuivre, à gauche, ne dissout pas plus de tungstène que le tungstène, à droite, de cuivre. Cela est vrai à l'état solide et encore presque vrai à l'état liquide puisque à 3 240 0C environ on trouve deux liquides L1 et L2 : l'un, du cuivre avec 4,1 atomes de tungstène pour 100, et l'autre, du tungstène avec 9 atomes de cuivre pour 100. La zone A correspond à la coexistence des deux métaux solides sans pénétration notable de l'un dans l'autre (démixtion totale à l'état solide), la zone B, au-dessus de la température de fusion du cuivre (1 084,87 0C), indique que, si le cuivre liquide dissout un peu de tungstène, ce dernier, toujours solide, reste pur (équilibre solide-liquide) ; enfin, la zone C, au-dessus du palier monotectique à 3 240 0C, est celle de la démixtion à l'état liquide des deux métaux. Le nombre de phases dans ce système est de quatre : le tungstène (W), le cuivre (Cu) et les deux liquides L1 et L2. Un point est à noter : les lignes sont en pointillés dans la figure, ce qui signifie, ici, qu'elles ne sont pas établies avec certitude. Il ne faut pas en conclure que leur détermination a été mal conduite, mais simplement que les difficultés expérimentales sont très grandes. Elles supposent également que le cuivre est encore liquide, ce qui nécessite une pression supérieure à la pression atmosphérique normale. Le cuivre pur se vaporise normalement à 2 563 0C.
Diagramme de phases du système cuivre (Cu)-tungstène (W). Ce diagramme est celui que l'on obtiendrait à une pression suffisamment élevée pour que toutes les phases soient maintenues à l'état condensé (d'après T. B. Massalski et al., 1990).
Crédits : Encyclopædia Universalis France
La figure présente le cas du système cadmium (Cd) - plomb (Pb). Ici encore, les deux métaux ont très peu tendance à s'unir : le cadmium reste quasi pur et le plomb accepte au mieux 5,9 atomes de cadmium pour 100, à 248 0C, température du palier eutectique qui sépare le domaine solide du domaine liquide L et des zones (solide + liquide) B et C ; la zone A est entièrement composée d'un mélange des deux solutions solides (Pb) et (Cd). Dans ces alliages, la miscibilité est totale à l'état liquide. Le nombre de phases est, dans ce cas, de trois : les deux solutions solides de cadmium dans le plomb (Pb) et de plomb dans le cadmium (Cd), ainsi que le liquide.
Diagramme de phases du système cadmium (Cd)-plomb (Pb). À l'état solide, les deux métaux restent pratiquement purs, surtout le cadmium. À l'état liquide, il y a miscibilité totale (d'après T. B. Massalski et al., 1990).
Crédits : Encyclopædia Universalis France
La figure montre un exemple de miscibilité totale entre deux métaux, le zirconium (Zr) et le hafnium (Hf). Dans ce cas, on passe progressivement, dans l'état solide, de l'un à l'autre par remplacement, sur le réseau cristallin, des atomes du premier par ceux du second. Le produit est une solution solide qui ressemble au zirconium à gauche et au hafnium à droite. Chacun des deux composants possède deux structures cristallines : le zirconium est hexagonal compact (αZr) au-dessous de 863 0C, cubique centré (βZr) au dessus ; le hafnium présente les mêmes caractéristiques, avec simplement une température de transition plus élevée : 1 743 0C. Le fuseau qui sépare les deux zones solides est un domaine de coexistence des deux formes α et β. L'autre fuseau, qui sépare le domaine solide β du liquide, est le siège d'un équilibre entre eux. Trois phases différentes sont représentées : α, β et le liquide.
Diagramme de phases du système zirconium (Zr)-hafnium (Hf). Il y a miscibilité totale aussi bien dans le solide que dans le liquide. Le changement de structure a-ß est identique dans les deux métaux, bien qu'il se produise à des températures différentes. La substitution de hafnium au...
Crédits : Encyclopædia Universalis France
La figure représente un système à composés intermédiaires. La combinaison de nickel (Ni) au titane (Ti) peut en effet donner :
Diagramme de phases du système titane (Ti)-nickel (Ni). Ce système présente des composés intermédiaires : Ti
Crédits : Encyclopædia Universalis France
– une solution solide terminale de titane dans le nickel (Ni) ;
– une solution solide terminale de nickel dans le titane α (αTi) ;
– une solution solide terminale de nickel dans le titane β (βTi) ;
– un composé intermédiaire de stœchiométrie bien définie (TiNi3) ;
– un composé intermédiaire de stœchiométrie légèrement var [...]
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Écrit par :
- Jean-Claude GACHON : docteur d'état ès sciences physiques, professeur de métallurgie à l'université de Nancy-I
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Pour citer l’article
Jean-Claude GACHON, « ALLIAGES », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 06 août 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/alliages/