MÉTALLOGRAPHIEEssais physico-chimiques

Carte mentale

Élargissez votre recherche dans Universalis

En métallurgie, les essais physico-chimiques visent à étudier, grâce à l'application des lois physiques, les propriétés physico-chimiques d'un matériau métallique dans des conditions données de milieu et de température. Ces essais présentent un double intérêt théorique et pratique, car ils sont utilisés quotidiennement dans les laboratoires de recherche et dans les entreprises industrielles. La comparaison des résultats que l'on peut tirer de ces essais permet d'améliorer la mise en œuvre des métaux. Cependant, si l'amélioration des techniques existantes entraîne des progrès dans la connaissance des propriétés des métaux, les progrès les plus importants sont bien souvent dus à l'introduction de nouvelles méthodes d'essais.

Il n'est pas possible de dresser une liste exhaustive des techniques physico-chimiques dont dispose le métallurgiste tant elles sont nombreuses et variées. De plus, la distinction entre les différents types d'essais – physiques, chimiques et physico-chimiques – n'est pas nette. C'est plutôt par habitude qu'on fait un choix qui présente donc un caractère arbitraire. La classification proposée par C. Wagner permet de distinguer parmi les principales techniques :

– Les mesures thermodynamiques dont les résultats sont en relation directe avec les équations générales de la thermodynamique ; ainsi, la calorimétrie permet d'atteindre les chaleurs molaires, les entropies molaires standards, les chaleurs de transformation, de fusion et de vaporisation, les chaleurs de réaction, les chaleurs partielles et totales de mélange ; la mesure des pressions de vapeur permet de connaître les vitesses de vaporisation, les mécanismes de vaporisation et de condensation, les chaleurs et les énergies libres de formation et les entropies des espèces gazeuses et condensées ; ces mesures servent encore à déterminer les énergies molaires partielles de Gibbs de mélange et les activités des alliages binaires, ou à composants multiples, déduites de pressions partielles, de forces électromotrices ou d'équilibres, ainsi que les énergies standards de Gibbs de réactions mettant en jeu des métaux, en particulier dans le cas de la formation des oxydes, des sulfures, des nitrures ; enfin elles rendent possible l'étude des équilibres de phases : équilibres entre phases métalliques (une phase solide et une phase liquide), entre une phase métallique et une phase gazeuse et impliquant un phénomène de dissolution du gaz, entre une phase métallique et une phase gazeuse comprenant un composé volatil tel qu'un oxyde, entre une phase solide ou une phase liquide et un laitier, entre une phase métallique solide ou liquide et une solution solide d'oxydes.

– Les mesures cinétiques qui se rapportent à tous les phénomènes évoluant en fonction du temps et, notamment, la diffusion dans les alliages solides et liquides, la diffusion superficielle, la germination, la solidification, les réactions de précipitation, les vitesses de vaporisation, les réactions gaz-métal telles l'absorption ou la désorption faisant intervenir la diffusion des gaz dans les métaux solides ou liquides, les réactions alliage-laitier, la corrosion sèche des métaux à haute température, la corrosion dans les solutions aqueuses ou non.

– Les mesures mixtes comprenant des méthodes variées qui visent à étudier des propriétés essentiellement physiques comme la densité, la viscosité, l'énergie superficielle. En revanche, les propriétés électriques et magnétiques ou encore les propriétés mécaniques sont envisagées à part.

Ces essais considèrent un matériau métallique dans deux situations bien distinctes : d'une part, à l'équilibre (au sens thermodynamique du terme) et, d'autre part, lorsqu'il évolue avec le temps. C'est ce mode de classification qui sera adopté ici pour décrire quelques essais parmi ceux auxquels le métallurgiste fait le plus souvent appel.

Comportement à l'équilibre d'un matériau métallique

Mesure des pressions de vapeur

En métallurgie, la phase gazeuse est souvent constituée par la vapeur de l'un des composés condensés qui a une tension de vapeur mesurable.

Les méthodes statiques

Les techniques statiques sont les plus simples et ont été utilisées pour la première fois en 1803 par J. Dalton. Leur principe consiste à enfermer sous vide le matériau à étudier dans un appareil et à mesurer directement la pression lorsque l'équilibre est atteint. Elles conviennent mieux pour des tensions de vapeur élevées que pour des tensions assez faibles.

Parmi les nombreuses applications, on peut citer l'étude du mercure et des amalgames à des températures voisines de 300 0C et l'étude entre 1 300 0C et 1 700 0C de l'équilibre :

Les méthodes dynamiques

La détermination de la température d'ébullition d'un métal ou d'un composé est un exemple d'utilisation des méthodes dynamiques. La méthode la plus générale, dite méthode de transport, consiste à faire passer sur la substance maintenue à une température constante un courant de gaz inerte à débit et à pression constants. Ce gaz entraîne la vapeur ou le composé volatil à une vitesse qui dépend à la fois des pressions relatives et du débit gazeux. La vapeur est condensée ou recueillie dans une partie froide de l'appareil ; l'analyse de ce condensat permet de mesurer la vitesse d'élimination de la vapeur à différentes vitesses de passage du gaz.

Mesure des vitesses de vaporisation

Les méthodes de mesure des vitesses de vaporisation consistent à déterminer la tension de vapeur d'une substance d'après sa vitesse de vaporisation sous vide. On calcule la pression à l'aide de la formule :

m est la perte de poids de l'échantillon, c'est-à-dire la masse de vapeur (g), M la masse moléculaire de la vapeur, S l'aire de la surface d'évaporation (cm2), T la température absolue et t le temps (s). Deux méthodes sont surtout utilisées.

La méthode de Knudsen dans laquelle la substance est enfermée dans une ampoule comportant un petit orifice de surface S. On pèse l'ampoule et son contenu avant et après l'essai effectué pendant un temps connu à température constante et sous un très bon vide. Des améliorations ont été apportées à cette technique en utilisant non plus une ampoule mais une cellule suspendue à un fil mince. Cette cellule comporte deux petits trous excentrés par rapport à la fixation du fil. Lorsque la vapeur s'échappe, la cellule tourne d'un certain angle θ sous l'influence du couple de torsion ainsi formé : c'est la méthode d'effusion-torsion. On atteint la tension de vapeur P à l'aide de la formule :

où τ est la constante de torsion du fil de suspension, θ la déflexion angulaire, S1 et S2 les aires des orifices situés aux distances d1 et d2 de l'axe de suspension. Certains appareils permettent de mesurer simultanément la pression de vapeur par les techniques de perte de poids et d'effusion-torsion ; on obtient alors la pression et le poids moléculaire moyen. À l'aide de cette technique double, il a été montré, par exemple, que la [...]

Cellule de Knudsen

Dessin : Cellule de Knudsen

Cellule de Knudsen utilisée dans la méthode d'effusion-torsion 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

Afficher

Cellule de Knudsen

Dessin : Cellule de Knudsen

Cellule de Knudsen utilisée dans la méthode d'effusion-torsion 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

Afficher

1  2  3  4  5
pour nos abonnés,
l’article se compose de 7 pages

Médias de l’article

Cellule de Knudsen

Cellule de Knudsen
Crédits : Encyclopædia Universalis France

dessin

Température d'ébullition d'alliages

Température d'ébullition d'alliages
Crédits : Encyclopædia Universalis France

graphique

Activités de l'argent dans les alliages Ag-Au

Activités de l'argent dans les alliages Ag-Au
Crédits : Encyclopædia Universalis France

diaporama

Pile à électrode liquide

Pile à électrode liquide
Crédits : Encyclopædia Universalis France

dessin

Afficher les 14 médias de l'article


Écrit par :

  • : Professeur, directeur du laboratoire des matériaux de l'université de technologie de Compiègne

Classification

Autres références

«  MÉTALLOGRAPHIE  » est également traité dans :

MÉTALLOGRAPHIE - Essais mécaniques

  • Écrit par 
  • Gilbert FRADE
  •  • 10 530 mots
  •  • 13 médias

Les propriétés mécaniques des métaux et alliages sont d'un intérêt considérable puisqu'elles conditionnent non seulement tous les problèmes de mise en forme des matériaux mais aussi leur comportement en service dans des applications extrêmement diversifiées. Pour un problème déterminé, le choix d'un matériau dépendr […] Lire la suite

MÉTALLOGRAPHIE - Essais non destructifs

  • Écrit par 
  • Louis BEAUJARD, 
  • Gérard LABBE, 
  • Jack MANNENC
  •  • 6 741 mots
  •  • 4 médias

Le but des méthodes non destructives d'examen est de déceler dans une pièce le plus souvent métallique, et en respectant son intégrité, toute particularité de sa structure qui peut avoir une influence sur son comportement en service. Il en sera de même pour les pièces en cours d'utilisation qui risquent d'être altérées par les conditions d'emploi auxquelles elles sont soumises : contraintes mécani […] Lire la suite

MÉTALLOGRAPHIE - Essais physiques

  • Écrit par 
  • Georges CIZERON
  •  • 7 349 mots
  •  • 4 médias

Les principales caractéristiques physiques, en tout cas celles d'usage le plus courant, concernent respectivement la dilatation, la résistivité électrique, la capacité thermique massique, la conductivité thermique, les propriétés magnétiques, le pouvoir thermoélectrique. La mesure des variations de ces caractéristiques permet de déduire des informations co […] Lire la suite

MÉTALLOGRAPHIE - Macrographie et micrographie optiques

  • Écrit par 
  • Gérard WYON
  •  • 3 984 mots
  •  • 1 média

C'est dans la seconde moitié du xixe siècle que le microscope optique a commencé à être utilisé pour examiner les structures des produits métallurgiques. Anasoff, en 1841, puis Henry Clifton Sorby, en 1864, furent les pionniers de cette technique avec Floris Osmond, lequel publia le premier ouvrage i […] Lire la suite

MÉTALLOGRAPHIE - Microscopie électronique

  • Écrit par 
  • Guy HENRY, 
  • Barry THOMAS
  •  • 6 078 mots
  •  • 5 médias

Les appareils d'optique électronique – microscope électronique à balayage (M.E.B.), microanalyseur à sonde électronique (M.A.S.E.) et microscope électronique en transmission – occupent une position privilégiée dans le domaine de la caractérisation microstructurale des matériaux en ce sens que chacun d'eux permet d'obtenir sur un même échantillon non seulement des renseignements relatifs à la morph […] Lire la suite

ACIER - Technologie

  • Écrit par 
  • Louis COLOMBIER, 
  • Gérard FESSIER, 
  • Guy HENRY, 
  • Joëlle PONTET
  •  • 14 172 mots
  •  • 10 médias

Dans le chapitre « Facteurs influençant la structure »  : […] Les conditions de la transformation de l'austénite et, par conséquent, la structure d'un acier à la température ordinaire ne dépendent pas uniquement de la vitesse de refroidissement. Elles sont fonction, entre autres facteurs, de la composition de l'acier. En effet, un acier, même non allié, n'est pas seulement un alliage de fer et de carbone. Il contient une certaine quantité d'autres éléments, […] Lire la suite

ARTISANAT DU BRONZE (Gaule préromaine)

  • Écrit par 
  • Cécile BRETON
  •  • 2 449 mots
  •  • 1 média

Dans le chapitre « Une technique moderne pour comprendre une technique antique »  : […] Pour élucider le mystère de la fabrication des torques torsadés, une étude métallographique a été menée au Laboratoire de recherche des musées de France sur une sélection d'objets provenant de la vallée de l'Aisne . La métallographie est la seule méthode fiable pour déterminer si un alliage est brut de fonderie ou s'il a été travaillé en déformation. Elle consiste à opérer une coupe dans l'objet p […] Lire la suite

CHARPY GEORGES (1865-1945)

  • Écrit par 
  • Françoise MOYEN
  •  • 187 mots

Après ses études à l'École polytechnique, Charpy y reste comme préparateur, et passe en 1889 une thèse de chimie sur l'étude des solutions salines. C'est au laboratoire central de la Marine, où il entre en 1892 comme ingénieur, qu'il commence à étudier les problèmes métallographiques. Il travaille alors sur les eutectiques et explique les propriétés des alliages antifriction en considérant qu'ils […] Lire la suite

CORROSION

  • Écrit par 
  • Gérard BERANGER, 
  • Jean TALBOT
  •  • 5 141 mots
  •  • 3 médias

Dans le chapitre « Méthodes d'étude »  : […] Elles font appel à des techniques très variées. L'examen visuel ou micrographique permet bien souvent de déceler le début du phénomène de corrosion, par exemple l'apparition de piqûres, ou de mettre en évidence sa morphologie. Les méthodes pondérales ont pour but de mesurer la perte de poids des échantillons métalliques immergés dans le réactif pendant un temps donné. Si la corrosion est uniform […] Lire la suite

ÉPITAXIE

  • Écrit par 
  • Alain Gil MAZET
  •  • 296 mots

Phénomène d'orientation mutuelle de cristaux de substances différentes dû à des analogies étroites dans l'arrangement des atomes des faces communes. Les lois de l'épitaxie ont été énoncées en 1928 par L. Royer. L'épitaxie n'est possible que s'il existe une maille plane, simple ou multiple simple, quasi identique en forme et en dimensions dans les deux réseaux et si les ions du cristal orienté, qui […] Lire la suite

Voir aussi

Pour citer l’article

Gérard BERANGER, « MÉTALLOGRAPHIE - Essais physico-chimiques », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 02 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/metallographie-essais-physico-chimiques/