ch 1 diagrammes d'equilibres métalliques (v1.1)

ISET de MAHDIA - Licence professionnelle en Gnie Mcanique Cours : matriaux mtalliques

P 1 / 10 K. ZID - M. MBAREK M.W. LANDOLSI

Diagrammes dquilibre des alliages binaires

1. Introduction Un alliage mtallique est compos dun mtal de base (constituant) (prsent en trs grande

proportion) et de un ou plusieurs autres mtaux (ou non mtaux comme le carbone) appel(s)

lment(s) dalliage.

Mtal de base et lments dalliage constituent un alliage.

Si lalliage mtallique est compos dun mtal de base et dun seul autre lment dalliage,

lalliage est dit binaire. Exemples : les alliages Fer-Carbone, Titane-Aluminium, Cuivre-Zinc,

Cuivre-Etain,

En ralit, les alliages industriels contiennent trs souvent plus de deux lments dalliages,

dont certains sont de trs faibles proportions.

Lalliage mtallique est caractris par sa composition chimique.

Celle-ci est dfinie par la concentration des diffrents lments. Ces concentrations peuvent

tre exprimes en % massique (%m) ou en % atomique (%at).

2. Les solutions solides

Il y a deux types de

solutions solides :

les solutions solides dinsertion qui se forment lorsque les atomes dlment dalliage sont de taille suffisamment

petite pour pouvoir se loger dans les sites interstitiels du rseau du mtal de base;

0,41.dA< dB



les solutions solides de substitution qui se forment lorsque les atomes dlment dalliage sont de taille sensiblement identique celle des atomes du mtal de base; dans

ce cas, ils se substituent aux atomes du rseau du rseau du mtal de base.

Les atomes ne pouvant tre dissous dans la solution (1) du fait de la solubilit limite, vont former une seconde solution (2). Elle sera naturellement riche en lments dalliage avec trs certainement des atomes du mtal de base en insertion ou en substitution. On observera alors

une microstructure constitue dune multitude de grains des deux solutions (constituants).

0,85.dA< dB



Phase :

Lorsque la solubilit en lment dalliage est limite, on observe donc soit deux solutions

solides soit une solution solide et un compos intermtallique. Ces solutions ou composs

sont appels phases et lalliage est dit biphas. Chaque phase est caractrise par sa

composition chimique et sa structure cristalline. Ces phases sont rparties uniformment sous

forme de grains. Entre ces grains, on retrouve des interfaces appeles joints de grains,

caractriss par un certain dsordre cristallin.

3. Construction exprimentale des diagrammes de solidification Il existe des logiciels qui permettent dtablir ces diagrammes partir de calculs

thermodynamiques, la mthode la plus courante pour les construire reste cependant

exprimentale : lanalyse thermique simple.

Lanalyse thermique consiste enregistrer lvolution temprature au cur dun chantillon

au cours de son refroidissement (trs lent lorsque lon tudie les transformations dquilibre).

3.1. Courbes de refroidissement

Pour un corps pur, la solidification se fait temprature constante. La courbe de

refroidissement prsente un palier.

Pour un alliage, la solidification se fait temprature variable.

3.2. Construction dun diagramme dquilibre



On trace les courbes de refroidissement dune srie dalliages binaires A-B et on porte, en

fonction des diffrentes compositions de A et de B, les tempratures de dbut et de fin de

solidification. On obtient ainsi lensemble du diagramme de solidification de lalliage A-B.

Lensemble des points de dbut de solidification constituent une courbe appele : Liquidus.

Lensemble des points de fin de solidification constituent une courbe appele : Solidus.

Les deux courbes liquidus et solidus dterminent trois domaines :

A haute temprature un domaine monophas liquide ; A basse temprature un domaine monophas solide ; A des tempratures intermdiaires un domaine biphas liquide + solide.

Exemple : diagramme dquilibre Cuivre-Nickel (Cu-Ni)

4. Familles des digrammes 4.1. Les diagrammes miscibilit totale Cela signifie que les mtaux A et B sont miscible en toute proportion ltat solide. On

obtient une seule solution solide, quelle que soit la quantit de mtal B incorpore au

mtal A.



4.1.1. Les diagrammes un seul fuseau

Exemples de diagrammes un seul fuseau : Cu-Ni, Cu-Pd, Ag-Au, Ag-Pd,

4.1.2. Les diagrammes deux fuseaux Exemples de diagrammes un deux fuseaux : Sb-As, Fe-Cr, Au-Cu, Cu-Mn,

4.2. Les diagrammes miscibilit partielle

Reprsente la grosse majorit des alliages binaires. Il nexiste pas de miscibilit en toute

proportion de A et B. cette partialit implique la prsence de deux solutions solides, notes

et .

Le domaine biphas + est ncessairement born de chaque cot par les domaines

monophass et . Les frontires entre ces domaines monophass et le domaine biphas ne

portent aucun nom particulier.

Le diagramme ainsi obtenu est appel diagramme eutectique. Le point dintersection des

liquidus est appel point eutectique et lalliage CE% de B alliage eutectique.

5. Rgles de lecture du diagramme Pour dterminer les compositions et les proportions des phases prsentes on utilise les rgles

de lhorizontale et des segments inverses.

A la temprature Ti, lalliage de concentration C0 en B est compos de deux phases : liquide +

solide.



La phase liquide est compose de CL% en B et (100 CL%) en A.

La phase solide est compose de CS% en B et (100 CS%) en A. Le % de la phase liquide est

Le % de la phase solide est

6. tude des diagrammes de phase Prenons comme exemple dtude le diagramme Pb-Sn.



Applications Rappel : La constitution d'un alliage est dcrite par :

la composition globale (% massique ou % atomique)

le nombre de phases

la composition de chaque phase

la fraction massique de chaque phase Un alliage est en quilibre si cette constitution n'volue pas avec le temps (pas de transformations de phases liquides en solides ou inversement). Le diagramme d'quilibre ou diagramme de phases, prsente graphiquement les constitutions d'un alliage en quilibre. Exercice 1

1. Quelle est la miscibilit des deux corps Pb et Sn (totale ou partielle)? 2. Dfinir une phase. 3. Combien de phases

comporte ce diagramme ? Quelles sont ces phases ?

4. Quelles sont les lignes Solidus, liquidus, Solvus ?

5. Quelle est la solubilit du Pb dans (Sn) ? quelle temprature ?

6. Quelle est la solubilit maximale de Sn dans (Pb) ? quelle temprature ?

7. Quelle est la concentration eutectique ?

8. Quelle est la concentration massique de Sn qui donne 20% (Pb) et 80% (Sn) 150C?

9. quelle est le pourcentage de liquide et de (Sn) la temprature 200C.

10. L'une des utilisations des alliages Pb-Sn est le soudage des composants lectronique (ce procd d'assemblage appel brasage). Ces composants peuvent tre endommags si on utilise un alliage temprature leve. Quelle est la composition de l'alliage la plus convenable pour cette application.

Exercice 2 On vous donne le diagramme Pb-Sn reprsent par la figure 1. on considre un alliage de composition globale 50%m Pb et 50% m Sn temprature 150C. 1- combien de phases on a dans cette constitutions ? Quelles sont ces phases? 2- Quelle est la solubilit maximale du Pb dans la phase (Sn) 150C? 3- Quelle est la solubilit maximale du Sn dans la phase (Pb) 150C? 4-Quelle est la fraction massique des phases (Pb) et de (Sn)? 5- reprsenter la microstructure de cette constitution.

A

B

C

D E

O F



Exercice 3 Mmes questions pour temprature = 200 C et %m Pb = 50 %. Exercice 4 : Complter le tableau suivant :

Composition N

%m Pb %m Sn Nombre de

phases

Solubilits en %mPb dans (Sn)

Solubilits en %mPb dans (Pb)

%m (Sn) %m (Pb)

La temprature est de 200C

ch 1 diagrammes d'equilibres métalliques (v1.1)

Documents