chimie des materiaux

Dr. Gilles OLIVE

Chimie des Matriaux

! Etude des caractristiques gnrales des matriauxmtalliques

! Etude des proprits physiques, chimiques etmcaniques des matriaux

! Diffrentes techniques pour amliorer lesproprits mcaniques des matriaux

! Les verres

! Les cramiques

! Les liants hydrauliques

! Les matires plastiques

! ANNEXES et LABORATOIRES3me Edition

Penser (peser) est fonction de peseur, non fonction de balance.

(Alain)

L'exprience est le nom que chacun donne ses erreurs.

(Oscar Wilde)

Qu'il est difficile d'tre simple...

(Vincent van Gogh, lettre Paul Gaugin, 1890)

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CHIMIE des MATERIAUX 07/01/2005 3me Edition

SOMMAIRE

CHAPITRE 1: TUDE DES CARACTRISTIQUES GNRALES DESMATERIAUX MTALLIQUES __________________________________________ 9

1.1. Liaisons mtalliques ________________________________________________________________91.1.1. Les diffrents types de liaisons ____________________________________________________________ 91.1.2. Les liaisons mtalliques ________________________________________________________________ 101.1.3. Les types de solides (type de liaisons) _____________________________________________________ 10

1.1.3.1. Mtalliques________________________________________________________________________ 101.1.3.2. Sels (liaisons ioniques)_______________________________________________________________ 101.1.3.3. Molculaires_______________________________________________________________________ 101.1.3.4. Covalents _________________________________________________________________________ 11

Remarques sur les interactions de Van der Waals _____________________________________ 11

a) Les interactions diple-diple _______________________________________________________ 11

b) Les interactions diple-diple induit __________________________________________________ 11

c) Les interactions diple induit-diple induit_____________________________________________ 11

1.2. Le rseau cristallin ________________________________________________________________121.2.1. Il existe 7 rseaux cristallins _____________________________________________________________ 121.2.2. Les proprits physico-chimiques_________________________________________________________ 14

REMARQUES: _______________________________________________________________ 15

1.2.3. Le nombre d'atomes par maille ___________________________________________________________ 15

1.3. Les dfauts au sein des solides cristallins ______________________________________________151.3.1. Ponctuels____________________________________________________________________________ 15

1.3.1.1. Les lacunes________________________________________________________________________ 161.3.1.2. Les dfauts auto-interstitiels __________________________________________________________ 161.3.1.3. Les dfauts interstitiels trangers _______________________________________________________ 161.3.1.4. La substitution _____________________________________________________________________ 16

REMARQUE _________________________________________________________________ 17

1.3.2. Linaires ____________________________________________________________________________ 171.3.2.1. Dislocation coin ____________________________________________________________________ 171.3.2.2. Dislocation vis1 ____________________________________________________________________ 19

1.3.3. De plan, de surface ____________________________________________________________________ 20

1.4. Diagramme de phases ______________________________________________________________201.4.1. Le corps pur (solidification) _____________________________________________________________ 211.4.2. Mlange (solidification) ________________________________________________________________ 21

Diagramme en fuseau _____________________________________________________________ 22

Eutectique Pb-Sb_________________________________________________________________ 23

Eutectique Ag-Cu ________________________________________________________________ 23

1.4.3. Un exemple particulier des phases: Fe-C ___________________________________________________ 241.4.3.1. Informations sur le fer pur ____________________________________________________________ 24

1.4.3.1.1. Plusieurs techniques pour obtenir du fer pur _________________________________________ 24

1.4.3.1.2. Dans le commerce, il y a diffrents types de fer qui se distinguent par leurs impurets ________ 24

1.4.3.1.3. Proprits du fer _______________________________________________________________ 24

1.4.3.1.3.1.Physico-chimique ____________________________________________________________ 24

1.4.3.1.3.2.Physico-chimique ____________________________________________________________ 25

1.4.3.1.4. Courbe de refroidissement du fer __________________________________________________ 25

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1.4.3.2. Alliage Fer-Carbone_________________________________________________________________ 26Graphique simplifi Fe-C __________________________________________________________ 27

CHAPITRE 2: ETUDE DES PROPRITS PHYSIQUES, CHIMIQUES ETMCANIQUES DES MATRIAUX _____________________________________ 28

2.1. Proprits chimiques_______________________________________________________________282.1.1. Oxydation par les acides ________________________________________________________________ 28

2.1.1.1. Le fer se dissout-il dans une solution d'acide chlorhydrique ?_________________________________ 292.1.1.2. Et le cuivre ? ______________________________________________________________________ 29

2.1.2. Oxydation par l'eau ____________________________________________________________________ 292.1.2.1. Le sodium ragit-il avec l'eau ? ________________________________________________________ 292.1.2.2. Et le cuivre ragira-t-il avec l'eau ? _____________________________________________________ 29

2.1.3. Observations _________________________________________________________________________ 302.1.4. Diagramme de Pourbaix ________________________________________________________________ 30

2.1.4.1. Cu/H2O___________________________________________________________________________ 312.1.4.2. Exercice: Zn/H2O___________________________________________________________________ 33

Le diagramme de Pourbaix Zn/H2O lui-mme:__________________________________________ 38

2.2. Proprits physiques _______________________________________________________________382.2.1. Conductivit lectrique _________________________________________________________________ 38

Il existe 3 types de mtaux en fonction des proprits lectriques ___________________________ 39

2.2.2. Conductivit thermique_________________________________________________________________ 392.2.3. Masse volumique et densit _____________________________________________________________ 39

Paramtres pour calculer la masse volumique d'un mtal: _______________________________ 40

2.3. Proprits mcaniques _____________________________________________________________402.3.1. La duret de Mohs ____________________________________________________________________ 412.3.2. Brinell ______________________________________________________________________________ 41

HB = Indice de duret Brinell_____________________________________________________ 42

2.3.3. Vickers _____________________________________________________________________________ 42HV = Indice de duret Vickers ____________________________________________________ 43

2.3.4. Rockwell____________________________________________________________________________ 43HRC (ou HRB) = Indices de duret Rockwell ________________________________________ 43

2.3.5. Essais de duret. ______________________________________________________________________ 432.3.6. Autres types de durets _________________________________________________________________ 45

CHAPITRE 3: DIFFRENTES TECHNIQUES POUR AMLIORER LESPROPRITS MCANIQUES DES MATRIAUX_________________________ 46

3.1. Traitements thermiques ____________________________________________________________463.1.1. Le recuit ____________________________________________________________________________ 46

3.1.1.1. D'adoucissement____________________________________________________________________ 463.1.1.2. De normalisation ___________________________________________________________________ 463.1.1.3. De dtente ________________________________________________________________________ 463.1.1.4. D'homognisation__________________________________________________________________ 46

3.1.2. La trempe ___________________________________________________________________________ 463.1.3. Le revenu ___________________________________________________________________________ 47

3.2. Traitements chimiques superficiels ___________________________________________________473.2.1. Cmentation2 ________________________________________________________________________ 47

3.2.1.1. Etape denrichissement en carbone _____________________________________________________ 47

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3.2.1.1.1. Cmentation en caisse __________________________________________________________ 47

3.2.1.1.2. Cmentation en bains de sels _____________________________________________________ 48

3.2.1.1.3. Cmentation gazeuse ___________________________________________________________ 48

3.2.1.2. Traitements thermiques aprs cmentation _______________________________________________ 483.2.2. Carbonitruration ______________________________________________________________________ 483.2.3. Nitruration___________________________________________________________________________ 49

Caractristiques: _________________________________________________________________ 49

CHAPITRE 4: LES VERRES ________________________________________ 504.1. Gnralits _______________________________________________________________________50

Verre ordinaire ou verre sodocalcique_________________________________________________ 50

Verre vitres ____________________________________________________________________ 50

Verre borosilicate ou pyrex _________________________________________________________ 50

4.2. Structure du verre _________________________________________________________________51

4.3. Proprits du verre ________________________________________________________________524.3.1. Proprits optiques ____________________________________________________________________ 52

4.3.1.1. Transparence ______________________________________________________________________ 524.3.1.1.1. Dans le visible ________________________________________________________________ 52

4.3.1.1.2. Dans l'ultraviolet_______________________________________________________________ 53

4.3.1.1.3. Dans l'infrarouge ______________________________________________________________ 53

4.3.1.2. Indice de rfraction (n)_______________________________________________________________ 534.3.2. Proprits thermiques __________________________________________________________________ 53

4.3.2.1. Conductivit thermique ______________________________________________________________ 534.3.2.2. Rsistance aux chocs thermiques _______________________________________________________ 54

4.3.3. Proprits lectriques __________________________________________________________________ 54

4.4. Exemples pratiques de verres________________________________________________________544.4.1. Verre silico-sodo-calcique ______________________________________________________________ 544.4.2. Verre boro silicate_____________________________________________________________________ 554.4.3. Silice vitreuse ________________________________________________________________________ 554.4.4. Alumino silicate ______________________________________________________________________ 554.4.5. Verre d'optique _______________________________________________________________________ 554.4.6. Fibres optiques _______________________________________________________________________ 55

CHAPITRE 5: LES CRAMIQUES ___________________________________ 565.1. Gnralits _______________________________________________________________________56

5.2. Dfinitions des cramiques __________________________________________________________565.2.1. Deux grands types de cramiques_________________________________________________________ 565.2.2. Les cramiques sont des produits dont la fabrication comporte les caractristiques suivantes: __________ 56

5.3. Elments de structure au niveau des cramiques ________________________________________57

5.4. Les diffrentes tapes de fabrication __________________________________________________57

5.5. Proprits mcaniques des cramiques ________________________________________________575.5.1. Structure ____________________________________________________________________________ 575.5.2. Proprits mcaniques _________________________________________________________________ 57

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CHAPITRE 6: LES LIANTS HYDRAULIQUES _________________________ 596.1. Le ciment3 _______________________________________________________________________59

6.1.1. Quelques dfinitions ___________________________________________________________________ 596.1.2. Le principe de fabrication du ciment ______________________________________________________ 606.1.3. Le processus chimique _________________________________________________________________ 60

6.1.3.1. Production d'aluminate monocalcique, de silicate bicalcique et de chaux. _______________________ 616.1.3.2. Combinaison partielle plus haute temprature de ces derniers, pour former des aluminates et dessilicates tricalciques.________________________________________________________________________ 616.1.3.3. Les ractions chimiques lors de la mise en uvre du ciment__________________________________ 61

6.2. Le bton4 ________________________________________________________________________626.2.1. La conception et la mise en uvre d'un bton frais ___________________________________________ 626.2.2. Les proprits du bton aprs l'hydratation (bton durci)_______________________________________ 636.2.3. Les dgradations du bton ______________________________________________________________ 63

6.2.3.1. Les problmes d'ordre physiques _______________________________________________________ 646.2.3.2. les problmes d'ordre chimique lis la composition du bton ou son environnement ____________ 64

6.2.3.2.1. le phnomne de la carbonatation__________________________________________________ 64

6.2.3.2.2. la corrosion par le sel ___________________________________________________________ 64

6.2.3.2.3. les ractions sulfatiques _________________________________________________________ 65

6.2.3.2.4. les ractions alcali-granulats______________________________________________________ 65

6.2.3.2.5. La raction alcali-silice__________________________________________________________ 65

6.2.3.3. les consquences de la raction alcali-silice_______________________________________________ 656.2.3.4. La recherche_______________________________________________________________________ 66

6.3. Le pltre5 ________________________________________________________________________666.3.1. Les proprits du pltre_________________________________________________________________ 66

6.3.1.1. Homognit ______________________________________________________________________ 666.3.1.2. Constance_________________________________________________________________________ 666.3.1.3. Coefficient d'expansion ______________________________________________________________ 666.3.1.4. Autres caractristiques _______________________________________________________________ 666.3.1.5. Temps de prise et priode de plasticit __________________________________________________ 67

6.3.2. Quantit pltre-eau ____________________________________________________________________ 676.3.2.1. A l'il____________________________________________________________________________ 676.3.2.2. En mesurant _______________________________________________________________________ 67

CHAPITRE 7: LES MATIRES PLASTIQUES _________________________ 687.1. Dfinition ________________________________________________________________________68

7.1.1. Raction d'addition ____________________________________________________________________ 687.1.2. Raction de condensation _______________________________________________________________ 68

7.1.2.1. Polyester__________________________________________________________________________ 697.1.2.2. Polyamide ________________________________________________________________________ 697.1.2.3. Rsines base de formol _____________________________________________________________ 70

7.2. Classification des diffrents polymres ________________________________________________717.2.1. Classement li la structure _____________________________________________________________ 71

7.2.1.1. Polymres linaires _________________________________________________________________ 717.2.1.1.1. Homopolymres _______________________________________________________________ 71

Remarques:___________________________________________________________________ 72

Quelques proprits dues la tacticit:______________________________________________ 72

7.2.1.1.2. Copolymres__________________________________________________________________ 72

7.2.1.2. Polymres ramifis__________________________________________________________________ 727.2.1.3. Polymres cycles dans la chane ______________________________________________________ 747.2.1.4. Polymres tridimensionnels ___________________________________________________________ 74

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7.2.2. Classement li certaines proprits ______________________________________________________ 747.2.2.1. Thermoplastiques___________________________________________________________________ 747.2.2.2. Thermodurcissables _________________________________________________________________ 757.2.2.3. Elastomres _______________________________________________________________________ 75

7.2.3. Classement li la morphologie __________________________________________________________ 757.2.3.1. Polymres amorphes ________________________________________________________________ 757.2.3.2. Polymres semi-cristallins ____________________________________________________________ 767.2.3.3. Polymres deux phases amorphes _____________________________________________________ 77

Remarque: ______________________________________________________________________ 77

7.3. Transition de phase au niveau des polymres___________________________________________777.3.1. Transition vitreuse ____________________________________________________________________ 777.3.2. Fusion ______________________________________________________________________________ 777.3.3. Remarques et explications ______________________________________________________________ 78

7.4. Les adjuvants _____________________________________________________________________787.4.1. Plastifiants___________________________________________________________________________ 787.4.2. Stabilisants __________________________________________________________________________ 79

7.4.2.1. Anti-oxygnes _____________________________________________________________________ 797.4.2.2. Thermiques _______________________________________________________________________ 797.4.2.3. Lumires _________________________________________________________________________ 79

7.4.3. Colorants et Pigments __________________________________________________________________ 807.4.4. Anti-chocs___________________________________________________________________________ 807.4.5. Antistatiques _________________________________________________________________________ 807.4.6. Ignifugeants _________________________________________________________________________ 807.4.7. Lubrifiants___________________________________________________________________________ 807.4.8. Charges _____________________________________________________________________________ 81

7.5. Quelques polymres historiques20____________________________________________________81

7.6. Quelques utilisations de polymres courants21 _________________________________________87Gamme type des proprits des thermoplastiques du commerce (sans charge et sans renforcement)

____________________________________________________________________________ 88

Proprits mcaniques gnrales des thermoplastiques du commerce (sans charge et sans

renforcement) _________________________________________________________________ 89

CHAPITRE 8: ANNEXES ET LABORATOIRES ________________________ 908.1. ANNEXE 1 - Joints de Grain22 ______________________________________________________90

8.2. ANNEXE 2 - Interactions dipolaires23 ________________________________________________918.2.1. Diple lectrique______________________________________________________________________ 91

8.2.1.1. Moment dipolaire permanent __________________________________________________________ 918.2.1.2. Moment dipolaire induit______________________________________________________________ 928.2.1.3. Etude exprimentale de la polarisation __________________________________________________ 93

8.2.2. Interactions molculaires _______________________________________________________________ 948.2.2.1. Force de Coulomb __________________________________________________________________ 948.2.2.2. Forces de Van der Waals: ____________________________________________________________ 94

8.2.2.2.1. interaction diple permanent/diple permanent (forces de Keesom) _______________________ 94

8.2.2.2.2. interaction diple permanent/diple induit (forces de Debye) ____________________________ 94

8.2.2.2.3. interaction diple induit/diple induit (forces de London) _______________________________ 95

8.2.2.2.4. Cas particulier: la liaison hydrogne _______________________________________________ 95

8.2.3. Consquences des forces de Van der Waals _________________________________________________ 958.2.3.1. Energie de cohsion dans solides molculaires ____________________________________________ 958.2.3.2. solubilisation et miscibilit ___________________________________________________________ 95

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8.2.3.3. tension superficielle, formation de micelles_______________________________________________ 96

8.3. ANNEXE 3 - Cristallographie24 _____________________________________________________968.3.1. Historique ___________________________________________________________________________ 978.3.2. Les bases____________________________________________________________________________ 978.3.3. Le cristal ____________________________________________________________________________ 97

8.3.3.1. Le rseau cristallin __________________________________________________________________ 978.3.3.2. Le rseau de Bravais ________________________________________________________________ 978.3.3.3. Les indices de Miller ________________________________________________________________ 988.3.3.4. Les groupes d'espace ________________________________________________________________ 98

8.3.4. La cristallogense _____________________________________________________________________ 988.3.5. Diffraction___________________________________________________________________________ 98

8.3.5.1. Principe __________________________________________________________________________ 988.3.5.2. Rseau rciproque __________________________________________________________________ 988.3.5.3. Appareillage utilis en cristallographie __________________________________________________ 98

8.3.6. Applications _________________________________________________________________________ 99

8.4. ANNEXE 4 - Vocabulaire des matriaux25 ____________________________________________99Nota: __________________________________________________________________________ 99

8.4.1. A __________________________________________________________________________________ 998.4.2. B _________________________________________________________________________________ 1008.4.3. C _________________________________________________________________________________ 1008.4.4. D _________________________________________________________________________________ 1008.4.5. E _________________________________________________________________________________ 1008.4.6. F _________________________________________________________________________________ 1008.4.7. G _________________________________________________________________________________ 1018.4.8. H _________________________________________________________________________________ 1018.4.9. I__________________________________________________________________________________ 1018.4.10. J__________________________________________________________________________________ 1018.4.11. K _________________________________________________________________________________ 1018.4.12. L _________________________________________________________________________________ 1018.4.13. M_________________________________________________________________________________ 1018.4.14. N _________________________________________________________________________________ 1028.4.15. O _________________________________________________________________________________ 1028.4.16. P _________________________________________________________________________________ 1028.4.17. Q _________________________________________________________________________________ 1028.4.18. R _________________________________________________________________________________ 1028.4.19. S _________________________________________________________________________________ 1038.4.20. T _________________________________________________________________________________ 1038.4.21. U _________________________________________________________________________________ 1038.4.22. V _________________________________________________________________________________ 1038.4.23. W ________________________________________________________________________________ 1038.4.24. X _________________________________________________________________________________ 1038.4.25. Y _________________________________________________________________________________ 1038.4.26. Z _________________________________________________________________________________ 103

8.5. ANNEXE 5 - Diagrammes Fe-C_____________________________________________________1048.5.1. Version 1: Diagramme fer+carbone simplifi26_____________________________________________ 1048.5.2. Version 2: Diagramme fer+carbone27 ____________________________________________________ 1058.5.3. Version 3: Diagramme fer+carbone28 ____________________________________________________ 105

Acier _______________________________________________________________________ 105

Composition des aciers_________________________________________________________ 106

Proprits des aciers ___________________________________________________________ 107

8.5.4. Version 4: Les diffrentes phases d'un acier29______________________________________________ 1078.5.4.1. Le diagramme d'quilibre est obtenu par refroidissement lent________________________________ 1078.5.4.2. Lors du refroidissement rapide d'un acier, _______________________________________________ 108

8.5.5. Version 5: Diagrammes d'quilibre30 ____________________________________________________ 108Diagramme fusion - solidification d'un alliage binaire: __________________________________ 108

Application aux alliages Fer - Carbone: ______________________________________________ 109

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8.5.6. Le Fer (d'aprs l'Universit du Maine) ____________________________________________________ 1098.5.6.1. Proprits physiques _______________________________________________________________ 1108.5.6.2. Proprits chimiques _______________________________________________________________ 110

8.6. Annexe 6 - Alliages binaires ________________________________________________________1118.6.1. Dfinitions _________________________________________________________________________ 112

8.6.1.1. Mtaux purs ______________________________________________________________________ 1128.6.1.2. Structure microscopique des mtaux purs _______________________________________________ 1128.6.1.3. Structure microscopique des alliages ___________________________________________________ 1128.6.1.4. Nature des alliages homognes _______________________________________________________ 1128.6.1.5. Nature des alliages htrognes _______________________________________________________ 112

8.6.2. Analyse thermique des alliages__________________________________________________________ 1138.6.2.1. Dfinition ________________________________________________________________________ 113Courbes de refroidissement des alliages binaires _________________________________________________ 113

8.6.3. Diagrammes de solidification des alliages binaires __________________________________________ 1148.6.3.1. Construction du diagramme __________________________________________________________ 1148.6.3.2. Diagramme solution solide unique : Or-Argent _________________________________________ 1148.6.3.3. Diagramme deux solutions solides ___________________________________________________ 115

8.6.3.3.1. Principe de construction ________________________________________________________ 115

Interprtation - diagramme cuivre-argent ____________________________________________________ 115

8.6.3.4. Prsence dun compos dfini (CCD) - diagramme magnsium-tain _________________________ 1158.6.4. Etude du diagramme simplifi fer-carbone_________________________________________________ 116

8.6.4.1. Diagramme fer-cmentite____________________________________________________________ 1168.6.4.2. Diagramme fer-graphite_____________________________________________________________ 1178.6.4.3. Remarque ________________________________________________________________________ 1178.6.4.4. Quelques caractristiques____________________________________________________________ 118

8.7. ANNEXE 7 - Spectre lectromagntique______________________________________________118

8.8. ANNEXE 8 - Systmes d'identification des matriaux __________________________________119

8.9. ANNEXE 9 - Mcanismes des ractions de polymrisation_______________________________1208.9.1. Raction d'addition ___________________________________________________________________ 120

8.9.1.1. Raction radicalaire ________________________________________________________________ 1208.9.1.2. Polymrisation cationique ___________________________________________________________ 1208.9.1.3. Polymrisation anionique____________________________________________________________ 1218.9.1.4. Ziegler-Natta (complexes) ___________________________________________________________ 121

8.9.2. Raction de condensation ______________________________________________________________ 1218.9.2.1. Phnoplastes______________________________________________________________________ 1228.9.2.2. Polyurthannes____________________________________________________________________ 123

8.10. LABORATOIRE 1 - Proprits des Polymres ________________________________________1248.10.1. Srie 1 _____________________________________________________________________________ 124

Comportement vis vis de la lumire ________________________________________________ 124

Comportement: la chaleur _______________________________________________________ 124

Solubilit ______________________________________________________________________ 124

8.10.2. Srie 2 _____________________________________________________________________________ 1248.10.2.1.Quelques tests d'identification des matires plastiques _____________________________________ 124

8.10.2.1.1. Test de densit _______________________________________________________________ 125

8.10.2.1.2. Test de solubilit______________________________________________________________ 125

8.10.2.1.3. Test au papier pH _____________________________________________________________ 125

8.10.2.2.Thermoplastique ou thermodurcissable _________________________________________________ 1258.10.2.3.Combustion ______________________________________________________________________ 125

8.10.3. Srie 332 ___________________________________________________________________________ 128Description des essais: _________________________________________________________ 128

8.10.3.1.Test de chauffage __________________________________________________________________ 1288.10.3.2.Test de densit ____________________________________________________________________ 1288.10.3.3.Test de Belstein ___________________________________________________________________ 1288.10.3.4.Test du solvant ____________________________________________________________________ 129

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8.10.3.5.Test du papier pH__________________________________________________________________ 1298.10.3.6.Test de combustion ________________________________________________________________ 129

8.11. LABORATOIRE 2 - Pourcentage de cuivre dans une pice de monnaie ___________________1318.11.1. Matriel et ractifs ___________________________________________________________________ 1318.11.2. Mode opratoire _____________________________________________________________________ 131

BIBLIOGRAPHIE ____________________________________________________________ 132

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CHAPITRE 1: TUDE DESCARACTRISTIQUES GNRALES DES

MATERIAUX MTALLIQUES

1.1. Liaisons mtalliques

Caractristiques des matriaux mtalliques! conductivit lectrique leve! conductivit thermique leve! mallables! opaques! ont un clat mtallique! ductibilit leve (laminage)

proprit que prsente un mtal tre tir en un fil trs mince

Ces caractristiques ne sont pas prsentent dans tous les mtaux et alliages, tandis quen prenantcomme caractristiques le type des liaisons des atomes, on peut mieux les caractriser.

La nature des liaisons qui existent au sein des matriaux ou des alliages mtalliques sont lesliaisons mtalliques.

1.1.1. Les diffrents types de liaisons

Les plus courantes sont:! liaisons covalentes pures! liaisons covalentes polarises! liaisons ioniques

On peut diffrencier les diffrents types suivant llectrongativit ou plutt par la diffrencedlectrongativit entre les atomes:! liaison covalente pure: la diffrence d'lectrongativit est infrieure 0,5 ( 0,5)! liaisons covalentes polarises: 0,5 1,7! liaisons ioniques: 1,7

0

1

0,5Ionique

Covalentepure

0,5 1,7 4

Nbre d'lectron qui passent

Diffrenced'lectrongativit

Covalentepolarise

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1.1.2. Les liaisons mtalliques

Ce sont des liaisons particulires.On visualise les noyaux sur les mailles d'un rseau autour duquel circule un nuage d'lectron (lectronstrs dlocaliss).

Dans le cas d'un cristal mtallique, les lectrons de valence sont mis en commun entre tous lesatomes du cristal et forme un nuage lectronique. Cela explique les proprits mtalliques commela conductivit thermique et lectrique car il y a mouvement de particules, et aussi que tous lesmtaux sont solides temprature ambiante sauf pour le mercure et le gallium (Tf 30 C)

1.1.3. Les types de solides (type de liaisons)

1.1.3.1. Mtalliques

Ce sont des solides cristallins. Ils sont donc organiss.

1.1.3.2. Sels (liaisons ioniques)

" Solides trs ordonns, car il y a empilement de cations et d'anions." Les sels sont de trs mauvais conducteurs thermiques et lectriques car les cations et les

anions sont sur des positions fixes et que le courant lectrique est un dplacement departicules charges (isolant).

" Ils peuvent tre rendus conducteurs s'ils sont mis en solution ou s'ils sont fondus -> tatliquide.

" Les solides ioniques sont en gnral solubles dans l'eau." Ils sont trs peu volatils (passage difficile l'tat gazeux)." Temprature de fusion trs leve." Interactions Coulombiennes (+ et -)

1.1.3.3. Molculaires

Par exemple: glace, glucose, Iode (I2) et ure. Tous ne sont pas cristallins.

" C'est un empilements de molcules." Interactions par ponts hydrognes." Interactions de Van der Waals (entre les molcules).a" Temprature de fusion assez basse (par rapport aux solides ioniques ou aux solides

mtalliques)." Ils sont assez volatils car les liaisons hydrognes et les interactions de Van der Waals sont de

faible nergie et il ne faut pas beaucoup d'nergie pour les casser." Trs mauvais conducteurs thermiques et lectriques, mme en solutions ou fondus." Trs peu solubles dans l'eau.

a Voir Annexe 8.2 la page 91

Dr. Gilles OLIVE 11


1.1.3.4. Covalents

Tous ne sont pas cristallins.

" Les atomes qui les composent sont lis par des liaisons covalentes, comme par exemple lesCarbones du diamant ou du graphite.

" Temprature de fusion leve car liaisons et interactions de Van der Waals sont de fortesnergies.

" Trs peu solubles dans l'eau." Trs mauvais conducteurs thermiques et lectriques" Plus volatils que les autres.

REMARQUES SUR LES INTERACTIONS DE VAN DER WAALSVoir aussi Annexe 8.2. Elles sont de trois types:

" diple - diple" diple - diple induit" diple induit - diple induit

a) Les interactions diple-diple

Exemples: molcules d'HCl-HCl.

Le type de liaison dans une molcule d'acide chlorhydrique: covalente polarise.

H Cl+ -

H Cl+ -

Interact

ion

diple diple

b) Les interactions diple-diple induit

H Cl Ar+ -

e- H Cl Ar+ -

e-

Trop d'lectrons-

Manque des d'lectrons

+

Au dpart l'argon (qui est un gaz rare) n'avait pas de diple, mais en prsence de l'acide chlorhydrique(qui a un diple), l'argon va "crer" un diple. On dira qu'il est induit parce que cela est d audplacement des lectrons.

c) Les interactions diple induit-diple induit

Ar e- Ar-+

Ar e- Ar-+

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Au dpart, il n'y avait pas de diple sur les molcules d'argon, mais l'une influence l'autre et il y acration d'un diple induit sur chaque molcule d'argon.Cette interaction est toujours prsente.

1.2. Le rseau cristallin

1.2.1. Il existe 7 rseaux cristallins

qui ont t dcouverts par l'Abb Ren Juste Hay (1743-1822) minralogiste et cristallographefranais.

cubiquea

b

c

Cristal en forme de prisme donttoutes les faces sont des carrs.

a = b = c = = = 90

ttragonal ouquadratique

a

b

c

a = b c = = = 90

orthorhombiqueou rhombique

a

b

c

Cristal en forme de prisme droitdont la base est un losange ouun rectangle.

a b c = = = 90

monoclinique

a

b

c

Cristal en forme de prismeoblique, 2 faces rectangulaireset 4 faces en paralllogramme.

a b c = = 90

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triclinique

a

b

c

a b c 90

rhombodriqueou ternaire

b

c

a

Cristal en forme de prismeparalllipdique dont les facessont des losanges.

a = b = c = = 90

hexagonal

a

b

c

Cristal en forme de prisme dontles faces sont un polygone sixangles et six cts.

a = b c = = 90

= 60

Les mtaux sont gnralement:" cubique faces centres (CFC) comme par exemple le nickel, le cuivre, le platine, l'argent,

l'or, ...

Il y a un atome chaque sommet et un au centre de chaque face.

" cubique centr comme le chrome ou le fer.

Il y a un atome chaque sommet et un au centre du cube.

" hexagonal compact comme le zinc, le cadmium ou le magnsium.

Certains mtaux peuvent cristalliser sous diffrentes formes que nous appellerons forme allotropiques(mme lment, mais diffrentes formes de cristallisation). On trouve par exemple le soufre ou l'tain.

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Via le tableau priodique, on peut retrouver le rseau de cristallisation des lments.

1.2.2. Les proprits physico-chimiques

Elles peuvent tre diffrentes selon les faces dans un mme rseau. Si il y a diffrentes faces, il fautdonc les nommer via les indices de Miller qui sont des nombres entiers (h, k, l).b

En gnral, on utilise 3 indices dans le cubique et dans presque tous les rseaux, sauf l'hexagonal et lerhombodrique (4 indices dans trois directions de l'espace).

Dans un cube il y a trois types de "face":

" face (dessus ou dessous)" cot latral" face coupe le centre (Exemple 1, 2, 7, 8)

y

z

x

1 2

34

5 6

78

aa aa

a aaa

aaa

ag

" Dans la face comprenant les atomes 1, 2, 3, 4 (face)Ce plan n'est pas coup par l'axe des x on peut dire qui le coupe l'infiniCe plan n'est pas coup par l'axe des y on peut dire qui le coupe l'infiniCe plan est coup par l'axe des z il le coupe en a

soit , , a (ce qui correspond au P, Q, R de Hay)

eta1 ,1 ,1

(on prend l'inverse)

0, 0, 1 (on multiplie par a)

l'indice de Miller est (0, 0, 1)(h, k , l)

" Dans la face comprenant les atomes 2, 3, 6, 7 (cot latral), a, (0, 1, 0)

" Dans la face comprenant les atomes 4, 8, 6, 2a, a, (1, 1, 0)

" Dans la face comprenant les atomes 1, 6, 8a, a, a (1, 1, 1)

b Voir au chapitre 8.3.3.3 la page 98

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REMARQUES:1. Toutes ces faces sont des faces faible indice de Miller par rapport aux faces haut indice de

Miller (5, 5, 4)2. Les faces petit indice ont une grande densit atomique.3. Toutes les faces parallles ont les mmes indices de Miller et les mmes proprits.

1.2.3. Le nombre d'atomes par maille

Ce n'est pas vident pour certain. Pour s'aider, on peut se souvenir des cubes en bois qu'on avait quandon tait petit.

" CubiquePour viter de charger la figure, il doit y avoir devant encorequatre (4) mailles.

Il y a donc: 1 81 . 8 = atome par maille

" Cubique faces centresPour viter de charger la figure, il doit y avoir devant encorequatre (4) mailles. Il manque aussi les atomes sur les facesverticales.

Il y a donc: 4 81 . 8

21 . 6 =

+

atomes par maille

" Cubique centrPour viter de charger la figure, il doit y avoir devantencore quatre (4) mailles.

Il y a donc: 2 11 . 1

81 . 8 =

+

atomes par maille

1.3. Les dfauts au sein des solides cristallins

1.3.1. Ponctuels

Ce sont des dfauts sur un atome.

Pour cet atomeChaque atome appartient 8 mailles, donc pour unhuitime dans une maille.

Il y a huit atomesdans une maille.

Compte dans 8 mailles

Compte dans 2 mailles

Cet atome appartient 8 mailles

Cet atome appartient 1 maille

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Il faut que le solide contienne des dfauts pour tre thermodynamiquement stable car en il faut del'entropie (dsordre). Tous les solides en contiennent normment, mais ils sont organiss et on peutmme en ajouter. Il y a environ 108 dfauts par mole de solides.

1.3.1.1. Les lacunes

Ce sont des positions non occupes par un atome.

1.3.1.2. Les dfauts auto-interstitiels

Il y a un atome en plus, de mme nature que les autres mais une place qui n'est pas prvue pour unatome. Par exemple dans le cas du fer, il y a un atome de fer en plus:

1.3.1.3. Les dfauts interstitiels trangers

Il y a un atome en plus, de nature chimique diffrente (trangre) une mauvaise position. Parexemple dans le cas du fer, il y a un atome de fer en plus:

Atome de cobalt Atome de fer

Cela peut parfois tre force, et a permet de changer les proprits mcaniques ou lectriques.

Si il y a beaucoup de dfauts, on parle de Solution solide interstitielle.

1.3.1.4. La substitution

Il y a un atome de nature chimique trangre la place d'un atome du dpart.

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+

+

Si il y a beaucoup de dfauts, on parle de Solution solide de substitution.

REMARQUE" On rappelle qu'il y a lectroneutralit au sein dans solide ionique. Donc, dans le cas des

lacunes, si on ajoute un atome tranger, l'lectroneutralit ne sera plus respecte: il faut doncun nombre pair de lacunes et au moins deux atomes de signes opposs pour respecterl'lectroneutalit. Par exemple, si on ajoute deux ions sodium (Na+), il faut apporter deux ionschlorure (Cl-).

" On nomme dfauts de SCHOTTKY lorsqu'il n'y a que des lacunes paires et dfauts deFRENKAEL lorsqu'il y a une lacune et un interstice.

1.3.2. Linaires

Ce sont des dfauts sur une range d'atomes.

Les atomes ne sont pas obligatoirement prsents ; on parlera alors de dislocation.Pour rappel, un monocristal est un solide parfait, alors que dans un solide rel il y a plus de dfauts, cequi fragilise le mtal.

Grce la puissance des ordinateurs, on peut dterminer les proprits mcaniques par calcul, pourpouvoir interprter certaines proprits des matriaux.

1.3.2.1. Dislocation coin

En chauffant et en refroidissant trs vite, il y a cration de dfauts. Effet sur une distance de vingtatomes.

La dislocation coin (edge dislocation)1, peut tre dcrit de la manire suivante: on enlve un demi-planatomique (vertical sur le dessin), les autres plans se resserrent donc pour "combler le vide". La zone deperturbation ou cur de la dislocation, est donc une zone dont le diamtre vaut quelques distancesinter-atomiques ; cette dimension (environ un millionime de millimtre) est trs petite devant celle del'objet. Les atomes n'tant pas leur place, la perturbation peut tre vue comme une dformationlastique autour de la dislocation, donc la dislocation est une "concentr" d'nergie lastique.

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Figure 1 - Arrangement des atomes au niveau du cur d'une dislocation

Le cristal se dforme sur toute sa largeur, donc le dfaut s'tend lui aussi sur toute la largeur. Ladislocation forme donc une ligne: autour de cette ligne, l'arrangement des atomes est perturb, maisloin de cette ligne, l'arrangement des atomes est normal - aprs tout, il ne manque jamais qu'une ranged'atomes sur quelques millions de milliards...

Figure 2 - La dislocation: une perturbation linaire de l'arrangement des atomes

Ainsi, lorsque cette ligne se dplace travers le cristal, il propage la dformation. Aprs son passage,le cristal exactement la mme structure qu'avant, il y a seulement une marche qui s'est cre lasurface de dpart de la dislocation. Lorsque la dislocation a travers de part en part le cristal, celui-ciprsente une marche de chaque ct, il a t cisaill de manire irrversible, mais sa structurecristalline est intacte.

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Figure 3 - Cisaillement irrversible du cristal lors du passage de la dislocation coin

Cependant, si la dislocation est une ligne, la structure mme du cur dtermine la facilit dedplacement de la dislocation et donc la facilit de dformation de l'objet ; ainsi, selon l'aspect que l'ontudie, on considrera la dislocation:

" parfois comme une ligne de largeur infinitsimale (objet de dimension 1) lorsque l'on regardela progression de la dformation l'chelle de l'objet ;

" parfois comme un tube (objet de dimension 3), lorsque l'on regarde les perturbations l'chelle de l'atome.

1.3.2.2. Dislocation vis1

La dformation prsente Figure 4 est la dislocation dite vis (screw dislocation): elle se propageperpendiculairement la dformation, la manire d'une fermeture glissire (Eclair). Elle porte sonnom car, si on fait le tour de la dislocation en suivant un plan atomique, on monte d'un niveau par tour, la manire du filet d'une vis.

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Figure 4 - La dislocation vis: une autre perturbation linaire de l'arrangement des atomes, propageantla dformation

La dformation propage est la mme dans le cas d'une dislocation vis ou coin, mais c'est lemouvement de la ligne qui change: dans la direction de la dformation dans le cas d'une coin,perpendiculairement la dformation dans le cas d'une vis.

1.3.3. De plan, de surface

Ce sont des dfauts sur tout un plan.

Si on a une solution idale, alors en superposant des mailles on aura des monocristaux. Mais avec dessolutions relles on aura un assemblage de monocristaux de nature diffrente.

La zone de rencontre de deux mailles (d'orientation diffrente) s'appelle le Joint de grain. C'est unezone trs fragile, cause de la dsorganisation partielle d'atomes l'approche des deux maillesd'orientation diffrente. Elle peut tre directe (passage d'une orientation directement une autre) ouavoir une zone de transition (mlange entre deux orientations diffrentes).

D'autres informations se trouvent au chapitre 8.1 la page 90.

1.4. Diagramme de phases

On les nomme aussi diagramme de changements d'tats.

T

P

Solide

Gazeux

Liquide

Point triple

Point critique

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1.4.1. Le corps pur (solidification)

C'est le cas d'un mtal seul.

La temprature est constante sur leplateau.

1.4.2. Mlange (solidification)

Dans le cas mtallique qui nous intresse, cela s'appelle un alliage.

Alliage: solution solide dont un des lments est mtallique.

La temprature est diffrente sauf l'eutectique et l'azotrope.

" Entre A et B: tout l'alliage estsous forme liquide." Entre B et C: les cristaux dela phase solide commencent." En C la phase liquidedisparait." Entre C et D tout est l'tatsolide.

Eutectique: mlange qui secomporte comme un corps pur du point de vue de la fusion.Azotrope: mlange liquide qui se comporte comme un corps pur du point de vue de l'bullition. On nepeut pas purifier par distillation.

Dans les deux cas, la temprature est constante au cours du changement d'tat.

Le graphique ci-dessus est fonction de la phase liquide et solide.

Temps (h)

Temprature(C)

A

B

C

D

Temps (h)

Temprature(C)

Liquide

Solidel s

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Diagramme en fuseau

TATB

LIQUIDE

XA=0XB=1

XA=1XB=0

Teb la plus leve

Equilibr

e liq-vap

eurcou

rbe de r

ose

courbe

de bulle

s

GAZ

Dbut d'bullition

Tfusion A

Teb la plus basseCompos le plus volatil.

Tfusion B

Pour avoir une solution idale, il faut que les interactions entre une molcule A et une molcule Bsoient presque identique celles entre deux molcules A et deux molcules B.

Pour avoir se graphe (de fusion), il faut une phase homogne l'tat solide et liquide. Ce cas s'appliqueau diagramme cuivre-nickel.

Mais dans la ralit, on a une solution relle, c'est--dire non idale." Azotrope minimum (ou ngatif): temprature de l'azotrope plus basse que celles des

autres composs." Azotrope maximum (ou positif): temprature de l'azotrope plus haute que celles des

deux corps purs isols. Par exemple l'eau et l'acide chlorhydrique.

Pour de plus amples informations, le lecteur pourra consulter les syllabus de Chimie Industrielle.

TA

TB

T T

T

TB

TA

XZ = YZ

Liquide

Gaz

MinL G

L G

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Eutectique Pb-Sb

Liquide(Pb + Sb)

Liq + SbLiq + Pb

Solide (Pb + Sb)

100 % Pb 100 % Sb

Tfus Sb

Tfus Pb

t1

Eutectique

1*

2*

3*

Liquide(Pb + Sb)

Liq + SbLiq + Pb

Solide (Pb + Sb)

100 % Pb 100 % Sb

Tfus Sb

Tfus Pb

t1

Eutectique

1*

2*

3*

Avec courbe de refroidissement

Ci-dessus, t1 reprsente l'intersection entre la composition qu'on a et la courbe du liquidus.

Voyons en dtail trois points:1* A ce point on a 40 % de plomb et 60 % d'antimoine et on refroidit.

pour toutes les tempratures suprieures t1, tout est l'tat liquide t1, on a les premiers germes d'antimoine cristallins qui apparaissent et le liquide de plomb

et d'antimoine s'appauvrit en antimoine arrive l'eutectique (E), tout passe en phase solide la fin, on a des cristaux d'antimoine et des cristaux d'eutectique.

2* avant l'eutectique tout est liquide l'eutectique, tout reste liquide l'tat solide on a uniquement des cristaux d'eutectique.

3* avant t1 tout est liquide t1, on a les premiers germes plomb et du liquide de plomb et d'antimoine qui s'appauvrit en

plomb l'eutectique (E), tout passe en phase solide la fin, on a des cristaux de plomb et des cristaux d'eutectique.

Eutectique Ag-Cu

A

EB

C

D

G HXAg = 1XCu = 0

XAg = 0XCu = 1

solubilit maximale

1*

AEC: liquidusABEDC: solidusABG: solution solide de cuivredans l'argent (le cuivre a une certainesolubilit dans l'argent)CDH: solution solide d'argentdans cuivre (l'argent a une certainesolubilit dans le cuivre)

1* On abaisse la temprature jusqu' la courbe on a du liquide

Dr. Gilles OLIVE 24


ensuite c'est la phase mtallique de cuivre qui apparat jusqu' l'eutectique (E) et c'est l'eutectique qui prcipite.

On a fait ici des diagrammes simplifis, c'est--dire que le refroidissement est lent car il faut laisser letemps aux quilibres de s'installer. Les diagrammes rels sont un peu diffrents et sont fonction de lavitesse de refroidissement.

Dfinition: des composs intermtalliques sont des composs mtalliques qui s'assemblent.

1.4.3. Un exemple particulier des phases: Fe-C

1.4.3.1. Informations sur le fer pur

1.4.3.1.1. Plusieurs techniques pour obtenir du fer pur

" lectrolyse (la plus utilise)" oxydation slective" fusion slective

1.4.3.1.2. Dans le commerce, il y a diffrents types de fer qui se distinguent par leursimpurets

Noms des diffrents types defer Impurets

1/ ARMCO 0,015 % C ; 0,01 % Si ; 0,02 % Mn; 0,01 % P ; 0,02 % S ; 0,15 % O2/ CARBONYLE 0,01 % C ; traces Si ; pas Mn; traces P ; 0,04 % S ; 0,5 % O3/ ELECTROLYTIQUE 0,008 % C ; 0,007 % Si ; 0,002 % Mn; 0,06 % P ; 0,03 % S ; pas O4/ Refondu sous vide (le mieux) 0,001 % C ; 0,003 % Si ; pas Mn; 0,0005 % P ; 0,002 % S ; 0,0004 % O

1.4.3.1.3. Proprits du fer

1.4.3.1.3.1. Physico-chimique

1. Masse atomique: 55,847 g.mol-12. Volume atomique: 7,13. Plusieurs formes allotropiquesc:

" Fer alpha (Fe ): rseau cubique centr longueur arrte du cube: 0,2866 nm

" Fer gamma (Fe ): rseau cubique faces centres longueur arrte de la maille: 0,3656 nm

" Fer delta (Fe ): rseau cubique centr longueur arrte de la maille: 0,294 nm

c Pour rappel, cela veut dire diffrents types de formes cristallines.

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4. Densit 20 C: 7,875. Temprature de fusion: 1539 C6. Chaleur massique: 0,464 kJ/kg.K7. Coefficient de dilatation: 12,5 10-6 K8. Rsistivit lectrique: 9,9 10-6 .cm9. Conductivit thermique: 55,6 Watt/m.K

1.4.3.1.3.2. Physico-chimique

1. Rsistance la traction: 180 280 MPad2. Limite d'lasticit: 100 170 MPa3. Capacit d'allongement: 40 50 %4. Capacit de strictione: 80 90 %5. Duret: 45 55 HB

1.4.3.1.4. Courbe de refroidissement du fer

Temprature(C)

Temps

15391400

898

768

Fe

Fe

Fe

Fe

Ar4

Ar3Ar2 = point de Curie

devient ferromagntique

paramagntique

Le fer ayant plusieurs formes allotropiques on voit plusieurs changements d'tats sur le graphe." De 1539 1400 C, le fer cristallise sous forme de fer delta (Fe )." A 1400 C (Ar4), il y a recristallisation (Attention, c'est une modification allotropique)." De Ar4 Ar3, le fer cristallise sous forme gamma." Ar3: recristallisation." De Ar3 Ar2, le fer cristallise sous forme de Fe paramagntiquef." A Ar2, qui est le point de Curie, le Fe acquiert des proprits ferromagntiquesf.

d La fourchette de valeur dpend du traitement impos au mtal - (MPa: mga pascal)e Rtrcissement transversal d'une prouvette mtallique soumise l'essai de traction. La striction caractrise la ductilit dumtal.f Paramagntisme: proprit des substances qui s'aimantent, gnralement faiblement temprature ambiante, lorsqu'ellessont places dans un champ magntique extrieur. Ces corps sont attirs par les aimants.

Ferromagntisme: proprit de certaines substances (fer, cobalt, nickel) de prendre une forte aimantation, mme enl'absence de champ magntique extrieur. Les corps dous de ferromagntisme sont des aimants.

Diamagntique: se dit d'une substance qui, place dans un champ magntique, prend une aimantation de sens inverse.Elle est repousse par un aimant.

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Si maintenant, on met en face, la courbe de rchauffement du fer, on obtient alors:

Temprature(C)

15391400

898

768

Fe

Fe

Fe

Fe

Ar4

Ar3

Ar2 Ac2

Ac3

Ac4

Presque la mme

Presque la mme

Plus haut

" A la vue du graphe, on constate que les tempratures de changement d'tat sont lgrementdiffrentes lors du refroidissement et lors du rchauffement.

" Les diffrences de tempratures sont dues aux surfusions (en fait sursolidification) quiapparaissent lors du refroidissement.

" Si la vitesse est lente, les valeurs sont plus reproductibles que lors d'une vitesse rapide." La dernire remarque s'adresse particulirement Ar3 et Ac3 fortement dpendant des

vitesses de refroidissement et de rchauffement." Un changement allotropique d'une phase l'autre entrane une modification de volume:

" Fe -> Fe : il y a contraction" Fe -> Fe : il y a dilatation

" Le Fe est plus dense et plus dilatable que le Fe .Ex: dFe 910 C = 7,63 g.cm-3

dFe 910 C = 7,57 g.cm-3

dFe 20 C = 8,22 g.cm-3 on fige le mtal en refroidissant d'un coup.dFe 20 C = 7,93 g.cm-3

1.4.3.2. Alliage Fer-Carbone

Mais d'abord quelques considrations:" Le Fe dissout trs peu le carbone, alors que le Fe en dissout nettement plus." Le carbone peut se trouver sous la forme: d'une solution interstitielle

de graphite de carbure de fer cmentite (Fe3C)

Maintenant voici quelques dfinitionsg:" Aciers: alliages de fer et de carbone qui contiennent au maximum 1,7 % de carbone." Fontes: alliages de fer et de carbone qui contiennent de 1,7 6,6 % de carbone." Aciers non allis: pourcentage de carbone suprieur 6,6 %.

Nous sommes en face d'une difficult: il y a normment de graphes Fe-C. Chaques auteurs donne lesien, comme le lecteur pourra le constater en annexe (chapitre 8.5 page 104) g Le lecteur peut retrouver un glossaire plus complet au chapitre 8.4 la page 99.

Dr. Gilles OLIVE 27


Fe-C

III

III

IVV VI

VII

Temprature(C)

% C

E

Les graphes, mme simplifi sont souvent complexe cause de la superposition de deux systmes:" 1er systme: Fe-graphite

refroidissement lent: tat d'quilibre" 2me systme: Fe-cmentite

refroidissement rapide: systme mtastableh.

Graphique simplifi Fe-C

Fe-C: tout est l'tat liquide.I: mlange liquide + acierII: mlange liquide + cmentiteIII: domaine de mme quilibre quel'acierIV: mlange acier + cmentiteV: mlange acier + eutectique +cmentiteVI: mlange cmentite + eutectiqueVII: mlange Fe + acier

h Une lgre perturbation fait directement basculer le systme.

Dr. Gilles OLIVE 28


CHAPITRE 2: ETUDE DES PROPRITSPHYSIQUES, CHIMIQUES ET MCANIQUES

DES MATRIAUX

2.1. Proprits chimiques

Il en existe beaucoup mais je n'en citerai que deux: la solubilit et l'oxydabilit.

" Solubilit: c'est le nombre de mole de solut que l'on peut dissoudre dans un litre de solvant.On l'exprime gnralement en mol.l-1. Cela s'adresse aussi bien aux gaz qu'aux liquides et auxsolides.On dit qu'un compos est soluble si on peut dissoudre plus de 0,1 mol.l-1. On dira par contrequ'un compos est insoluble si on peut dissoudre moins de 0,1 mol.l-1.

Quels sont les paramtres influenant la solubilit ?La temprature, la pression, la nature du solut, du solvant et l'ajouts de certaines substances...

" Oxydabilit: savoir si dans les condition exprimentales, l'alliage ou le mtal va s'oxyder.Ce point est important pour les problmes de corrosion.

2.1.1. Oxydation par les acides

Il faut deux conditions pour qu'une raction chimique se produise:" L'nergie libre de Gibbs (G0) doit tre ngative (G0 < 0), soit la constante d'quilibre K

doit tre suprieure un (K > 1) et donc que la diffrence de potentiel (0) soit positive (0> 0)i.

" Et que la raction soit suffisamment rapide.

Pour rappel:G0 = -n F 0

i Pour mmoire, l'nergie libre de Gibbs est lie l'entropie et l'enthalpie par G = H - TS. Elle est aussi lie la

constante d'quilibre par RT

G- K ln

0= .

Nombred'lectronschangs

Constante de Faraday96500 C.mol-1

Diffrence de potentielentre les deux couples

Dr. Gilles OLIVE 29


2.1.1.1. Le fer se dissout-il dans une solution d'acide chlorhydrique ?

2(g)(aq)2

(aq)(s) H Fe H Fe ++++ Raction d'oxydo-rduction

2- H e 2 H 2 ++ 0 = 0,0 V

Fe e 2 Fe -2 ++ 0 = -0,47 V

0 = (Ractifs-Produits) = 0,0 - (-0,47) = 0,47 VComme 0 > 0 la raction se fait.

2.1.1.2. Et le cuivre ?

22 H Cu H 2 Cu ++ ++

2- H e 2 H 2 ++ 0 = 0,0 V

Cu e 2 Cu -2 ++ 0 = 0,34 V

0 = 0,0 - 0,34 = -0,34 VComme 0 < 0 la raction ne se fera pas. C'est bien connu que le cuivre est un mtal noble et qu'iln'est pas attaqu par les acides (sauf l'acide nitrique).

2.1.2. Oxydation par l'eau

2.1.2.1. Le sodium ragit-il avec l'eau ?

22 H NaOH OH Na 21

++

)(lectrons 2 Na) e 1 (Na - ++ 0 = -2,71 V-

2-

2 HO 2 H e 2 OH 2 ++ 0 = -0,83 V

0 = -0,83 - (-2,71) = 1,88 V0 > 0, la raction se produira donc.

2.1.2.2. Et le cuivre ragira-t-il avec l'eau ?

-2

22 HO 2 H Cu OH 2 Cu +++

+

Cu e 2 Cu -2 ++ 0 = 0,34 V-

2-

2 HO 2 H e 2 OH 2 ++ 0 = -0,83 V

0 = -0,83- 0,34 = -1,17 V

Dr. Gilles OLIVE 30


0 tant ngatif, la raction ne se fera pas. Heureusement, sinon il y aurai des problmes avec noscanalisations de distributions d'eau.

2.1.3. Observations

" Dans certains cas, les observations exprimentales peuvent-tre diffrentes de celles obtenuespar thorie: ceci est d aux problmes de cintique.

" Une premire attaque du mtal conduira la formation d'un film qui protgera le mtal contreles oxydations suivantes. Le mtal est protg de l'oxydation par passivation. Dans certainscas cela peut-tre un problme (de couche) qui empchera une oxydation ultrieure.

" L'exemple le plus connu est l'aluminium "non oxyd" par l'eau contrairement au fer, ce quipermet de conserver plus longtemps des vrandas en meilleur tat.

" Si l'oxydation du mtal ne peut pas se faire pour des raisons thermodynamiques (G0 > 0), lemtal est protg de la corrosion par immunit.

" C'est le cas de l'or, l'argent ou le platine." Lorsqu'on crit 0, le 0 indique que nous sommes dans les conditions standards Dans les

conditions non standard, les mtaux peuvent tre attaqus par l'eau, les acides alors qu'ils nel'taient pas dans les conditions standard.

2- H e 2 H 2 ++ 01E = 0,0 V

M en M -n ++M est un mtal

02E = x V 2E

OxydantRducteurln

nFRT - E E 0=

Ceci est la loi de Ernst avec n le nombre d'lectrons changs, R la constante des gaz parfaits(8,31 J/mol K) et F la constante de Faraday (96500 C/mol).

[ ]21 H1ln

2.965008,31.298 - 0 E

+=

[ ]+= n022

M1ln

2.965008,31.298 - E E

Les acides chauds et concentrs sont plus oxydants que les acides froids et dilus.

2.1.4. Diagramme de Pourbaix

C'est le diagramme du potentiel E0 en fonction du pH. Grce ce diagramme on peut dire les limitesd'oxydation d'un mtal et donc s'il y aura corrosion ou pas.

Pour tracer ce type de diagramme on pose:" le mtal solide est stable dans l'eau" le non-mtal est sous forme de cation

1 atm (gaz)

Coefficientstchiomtrique

(solide)

Dr. Gilles OLIVE 31


(car solide)

" toutes les substances dissoutes valent 10-6 mol.l-1.j

2.1.4.1. Cu/H2O

Nous allons prendre pour exemple le couple Cu/H2O. Nous sommes donc en prsence de:(aq)

-242(s)(aq)

2(s) Cu(OH)et Cu(OH) ,Cu ,Cu

+

Potentiel E0(V)

pH

Cu mtallique

+0,34 V

Cu2+ (aq) Cu(OH)2 (s)

Cu(OH)4 (aq) 2-

1

2

3

4

5

6

7

Passivit

Immunit

est thermodynamiquement stable

si la couche forme protge contreles oxydations suivantes

Voyons en dtail chaque transformation:

1.

Il s'agit d'une raction d'oxydorduction: cela dpend uniquement du potentiel. On va donc appliquer nouveau la loi de Ernst.

[ ]+=

=

2

0

Cu1ln

2.965008,31.298 - 0,34

OxydantRducteurln

nFRT - E E

On voit donc que le potentiel de dpend que de la concentration en ion cuivrique.

j Pour les autres concentrations on prendra: pour les solides 1 M, pour les gaz 1 M et pour les liquides 1 M si il ne sont pasen milieu aqueux.

Cu(s) Cu2+ + 2 e-

Dr. Gilles OLIVE 32


10-6 mol.l-1

2.

Il s'agit cette fois d'une raction de mtathsek. Cette raction ne dpend que du pH parce que:

[ ][ ]22 HOCu Ks ; Ks1 K +==

10-6 mol.l-1

On voit que grce aux deux quations on peut calculer la concentration en ion hydroxyde et donc lepH.

3.

C'est de nouveau une raction de mtathse ... Elle dpend uniquement du pH ( cause de HO-). Pourrappel on prendra la concentration en hydroxyde de cuivre II gale 1 M, parce que cet hydroxyde estsolide.

[ ][ ] 1.HOCu(OH) K 2

-24

=

4.

Cette raction est une raction d'oxydorduction. Elle dpend donc du potentiel. Mais elle dpend aussidu pH cause des ions hydroxydes: la ligne de sparation n'est plus horizontale. On utilisera doncl'quation de Ernst.

5.

Toujours une raction d'oxydorduction qui dpend du potentiel et du pH. La pente est plus raide etplus sensible qu'au 4. car ici (5.) il y a 4 hydroxydes (HO-).

6.

Les deux quations ci-dessus sont gales.

7.

rducteur

Les deux droites parallles 6. et 7. dpendent du potentiel et du pH.

k Raction de mtathse: raction o il n'y a pas de variation d'tages d'oxydation, comme ici dans une raction deprcipitation. C'est l'inverse d'une raction d'oxydorduction.

Cu2+ + 2 HO- Cu(OH)2

prcipit

Cu(OH)2 (s) + 2 HO- Cu(OH)42-

Cu + 2 HO- Cu(OH)2 + 2 e-

Cu + 4 HO- Cu(OH)4 + 2 e-2-

2 H+ + 2 e- H2

2 H2O + 2 e- H2 + 2 HO

-

Oxydant

O2 + 4 H+ + 4 e- 2 H2O E

0 = 1,23 V pour 1 M

Dr. Gilles OLIVE 33


Elles sont parallles parce qu'elles ont toutes les deux un rapport gal un:2 H+ et 2 e- rapport = 1

et 4 H+ et 4 e- rapport = 1

Comme on l'a dit plus haut, le diagramme de Pourbaix permet de prdire les limites d'oxydation d'unmtal. Par exemple on peut dfinir si un mtal est noble ; il ne s'oxydent pas dans l'eau cause desconditions thermodynamique: quand sa zone d'immunit recouvre entirement la zone de stabilitde l'eau (c'est--dire entre les deux droites parallles).C'est presque le cas du cuivre dans notre exemple.

2.1.4.2. Exercice: Zn/H2O

Voil vous allez tracer prcisment le diagramme de Pourbaix pour le couple Zn/H2O. Les diffrentesformes du zinc dans l'eau sont: (aq)

-242(s)(aq)

2(s) et Zn(OH) Zn(OH), Zn,Zn

+ . Les chelles pour lediagramme seront de 0 14 pour l'axe X des abscisses (pH) et de -1,5 +1,5 V pour l'axe Y desordonnes (E).

De plus on prendra: [ ] M 1 Zn2 =+[ ] M 1 Zn(OH) -24 =

Si la concentration (en oxydant) est gale un et la temprature gale 25 C, on prendra alors E = E0.Par contre si la concentration (en oxydant) est diffrente de un ou la temprature est diffrente de 25C, on devra utiliser l'quation de Ernst.

Voil, maintenant fermez ce syllabus et essayez de tracer le diagramme de Pourbaix.

Dr. Gilles OLIVE 34


E

pH

-0,76 V 1

1.

Dpend uniquement du potentiel. Zn est le rducteur (E.O. = 0) et Zn2+ est l'oxydant (E.O. = +2). Dansce cas:

E = E0 = -0,76 V (car [Zn2+](oxydant)=1 et T = 25 C)

2.

Raction de prcipitation ne dpendant que du pH. Donc calcul [HO-], [H+] et pH.

[ ][ ]

[ ][ ][ ] [ ][ ][ ] [ ]

[ ] 5,94 ==

===

==

==

=

=

==

+

+

+

+

+

Hlog- pH

mol.l 1,14.10 8,781.10

10 HO10 H

mol.l 8,781.10 7,71.10 HO

M 17,71.10

ZnKs HO

10 HOH eau)(voir tabl 7,71.10 Ks

HOZn Ks ; Ks1 K

1-6-9-

14-14-

1-9-17-

17-

2

2

14-

17-

22

E

pH

-0,76 V 1

2

5,94

a

3.

Raction de mtathse ne dpendant que du pH. Cette raction a une constante d'quilibre K = 0,05.Mais attention, cette raction n'est pas une raction de prcipitation.De plus [Zn(OH)2] = 1 parce que c'est un prcipit donc solide.

Zn(s) Zn2+

(aq) + 2 e-

Zn2+ + 2 HO- Zn(OH)2

Zn(OH)2 (s) + 2 HO- Zn(OH)42-

Dr. Gilles OLIVE 35


[ ][ ][ ]

[ ][ ][ ][ ][ ][ ] [ ]

[ ] 14,65 ==

===

=

==

===

=

=

+

+

+

Hlog- pH

mol.l 2,23.10 4,4710

HO10 H

10 HOH mol.l 4,47 20 HO

20 0,05

1 K1 HO

HO1.

1 K

HOZn(OH)

Zn(OH) K

1-15-14-14-

14-

1-

2

2

22

24

A 14,65, le pH est impossible pour cet hydroxyde basique: il n'y aura donc pas de deuxime droiteverticale. Ceci est un peu normal car les hydroxydes amphotres on souvent un deuxime pH lev.

4.

Cette raction dpend donc du potentiel, mais aussi du pH. On va la "dcouper" en deux.

a) Zn(s) Zn2+

(aq) + 2 e- (qui n'est autre que la rcation 1.)

b) Zn2+ + 2 HO- Zn(OH)2 (qui n'est autre que la raction 2.)

a)

[ ]+=

=

2

0

Zn1ln

2.965008,31.298 - 0,76- E

OxydantRducteurln

nFRT - E E

[Zn2+] = 1 M jusqu'au point a. Aprs ce point, il prcipite: il faut donc calculer [Zn2+].Rappel: La concentration en rducteur est gale 1, car le zinc est solide.

On ne change pas le signe (-0,76) mme si la raction est inverse.

b) [ ][ ][ ] [ ]

[ ]22

2

22

HO.Ks1ln 0,0128 - 0,76- E

HO

Ks Zn

HOZn Ks

+

+

=

=

=

On va calculer la concentration en ions hydroxydes pour diffrents pH. On prendra des pH suprieursau point a c'est--dire 5,94.

On va faire par exemple le calcul pour pH = 10.

Zn + 2 HO- Zn(OH)2 + 2 e-

Dr. Gilles OLIVE 36


[ ][ ][ ][ ]

0,99- 7,71.10

)1.(10ln 0,0128 - 0,76- E

M 10 1010 HO

10 HOH 10 H

17-

24-

4-10-

14-

14-

-10

==

==

=

=

+

+

E

pH

-0,76 V 1

2

5,94

a 4

5.

Comme pour 3. le calcul montre un pH au-dessus de 14 (14,65), cette courbe n'existe pas non plus.Si le pH avait t infrieur 14, on fait le mme calcul qu'au 4. sauf qu'on prend K au lieu de Ks caron n'a pas de solide dans ce cas si. Il nous faut donc la valeur de K et on considre que [ ] 1 Zn(OH)24 = l.6.

Dpend du potentiel et du pH.

l a) Zn(s) Zn2+

(aq) + 2 e- (qui n'est autre que la rcation 1.)

b) Zn2+ + 4 HO- Zn(OH)4 (qui n'est autre que la raction 3.)2-

a) [ ][ ]

=

+

=

210

ZnZn

OxydantRducteurln

nFRT - E E

b) [ ][ ][ ]

[ ] [ ][ ][ ]404

-242

42

-24

HOK.ln nFRT - E E

HOK

Zn(OH) Zn

HOZn

Zn(OH)

+

+

=

=

= K

Calcul de [HO-] pour diffrent pH.

Zn(s) + 4 HO- Zn(OH)4 + 2 e

-2-

2 H+ + 2 e- H2

2 H2O + 2 e- H2 + 2 HO

-

Oxydant

Rducteurou

Dr. Gilles OLIVE 37


2 H+ + 2 e- H2

[ ]2

0

H1ln 0,0128 - 0,0 E

OxydantRducteurln

nFRT - E E

+=

=

On prendra deux valeurs de pH: 0 et 14. Et pour rappel, pH = -log[H+]

" pH = 0

[ ]V

11ln 0,0128 - 0,0 E

10 H

2

0

0==

= +

" pH = 14

[ ]V

)(101ln 0,0128 - 0,0 E

10 H

214-

14

0,83-==

= +

C'est le E0 de la raction

E

pH

-0,76 V 1

2

5,94

a4 6

7.

Dpend du potentiel et du pH.

[ ][ ][ ] [ ]442

22

H1.1ln 0,0064 - 1,23

HOOHln

.965008,31.298 - 1,23 E

++==

4

La aussi on prendra deux valeurs de pH: 0 et 14.

O2(g) + 4 H+ + 4 e- 2 H2O E

0 = 1,23 V pour 1 M

H2 gaz ; P 1 Atm

2 H2O + 2 e- H2 + 2 HO

-

O2(g) + 4 H+ + 4 e- 2 H2O E

0 = +0,82 V pour 10-7 M

Car liquide

Gaz -> P = 1 atm

Dr. Gilles OLIVE 38


" pH = 0

[ ]V

(1)1ln 0,0064 - 1,23 E

10 H

4

0

1,23==

= +

" pH = 14

[ ]V

)(101ln 0,0064 - 1,23 E

10 H

414-

14

0,40+==

= +

6. et 7. dfinissent la zone de stabilit de l'eau. Elles sont parallles parce qu'elles ont toutes les deuxun rapport gal un:

2 H+ et 2 e- rapport = 1et 4 H+ et 4 e- rapport = 1

Le diagramme de Pourbaix Zn/H2O lui-mme:

Potentiel E(V)

pH

- 0,76 1

2

3

45

6

7

a

- 1,5

0

1,23

+1,5

5,94 14

2.2. Proprits physiques

2.2.1. Conductivit lectrique

On mesure le rsistivit (.m) au lieu de la conductivit. La conductivit lectrique dpend fortementde la temprature.

Loi de Pouillet:Sl. R =

Rsistance

Rsistivit

Section

Longueur

Dr. Gilles OLIVE 39


( )siemens : Unit. 1en R1 L =

Pour rappel, L est la conductance.

lS

1

R1 L ==

I = L . E (avec I le courant en ampre et E la diffrence de potentiel en volt)

Il existe 3 types de mtaux en fonction des proprits lectriques

" Conducteurs: conductivit trs leve, elle diminue quand la temprature augmente(car les noyaux vibrent plus, ce qui fait baisser la mobilit lectronique).

" Isolants: conductivit trs faible (conduisent trs peu l'lectricit)." Semi-conducteurs: conductivit trs leve basse temprature, ils deviennent conducteurs

trs basse temprature. On augmente la conductivit en ralisant desdopages p(+) et n(-). Le germanium et le silicium sont des semi-conducteurs par exemple.

2.2.2. Conductivit thermique

On chauffe d'un cot du matriau et on attend de voir de l'autre ct le temps ncessaire pour que lachaleur se propage. Son unit est le W/m K. Elle dpend bien videment de la temprature.

dT a )t-(tk Q 12=

Avec Q la chaleur, t1 et t2 la temprature d'un ct et de l'autre en C, d l'paisseur ou la distance, a lasection et T le temps.

2.2.3. Masse volumique et densit

" La masse volumique () est la masse par unit de volume.

Vm = en kg.m-3 (ou g.l-1) avec 1 g.ml-1 = 1000 kg.m-3 = 1000 g.l-1

" La densit sert comparer la masse volumique des corps avec celle de la rfrence.

OH

xx

2 d = pour les solides et les liquides

air

xx

d = pour les gaz.

On donne toujours la densit pour la masse volumique de la substance x 20 C rapporte la massevolumique de l'eau 4 C (car la densit de l'eau est maximale 4 C), note 504d .

m

m Remarque: il y a plus de liaison hydrogne dans la glace que dans l'eau, ce qui explique dglace < deau.

conductivit spcifique

Dr. Gilles OLIVE 40


Mais on peut calculer facilement de faon thorique la densit. Certains programmes, mme simples,de mcanique molculaire, comme EMO du Dr. Blaive peuvent calculer de faon thorique la densitd'un mtal. On peut aussi la calculer lorsqu'on a obtenu une structure X d'une molcule.

PARAMTRES POUR CALCULER LA MASSE VOLUMIQUE D'UN MTAL:

1. calcul de la masse d'un atome de mtal (masse atomique/nombre d'Avogadro)2. dtermination du systme cristallin3. calcul du nombre d'atomes par maille4. dtermination de la masse d'une maille (c'est la masse d'un atome multipli par le nombre

d'atome dans la maille)5. calcul du volume d'une maille (souvent il s'agit (long. arrte)3)

6. calcul de la masse volumique par maille uned' volume

maille uned' masse =

Nous allons prendre comme exemple l'Argent (masse molaire: 107,8682 g.mol-1):

1. masse d'un atome = 2310.02,68682,107 = 1,86.10-22 g

2. systme cubique faces centres - longueur = 4,0862 0,0002 10-8 cm (= 4,0862 10-10 m)3. 4 atomes par maille (

21.6

81.8 + )

4. masse d'une maille = 1,86.10-22 x 4 = 7,44.10-22 g = 7,44.10-25 kg5. volume d'une maille = (4,0862 0,0002 10-10)3 = 6,82274 10-29 m3

6. 29--22

6,82274.107,44.10 = = 10,9.103 kg.m-3 ou 10,9 g.cm-3

La valeur relle est de 10,5 g.cm-3.Les valeurs obtenue par calcul sont toujours suprieures aux valeurs relles car on ne tient pas comptedes lacunes.

2.3. Proprits mcaniques

On a verra qu'une, la duret. Mais d'abord une dfinition:Duret: capacit d'une substance solide rsister une dformation ou une abrasion de

surfacemesure de la rsistance la la pntration locale du matriau (en MPa, mga-pascal)

Il existe dix matires de bases. Historiquement, Mohs a tablit une chelle pour classer les matriauxd'aprs leur duret.

1. Talc2. Gypse3. Calcite4. Fluorine5. Apatite

6. Orthose7. Quartz8. Topaze9. Corindon10. Diamant

Le premier matriau qui griffe le matriau inconnu nous donne la valeur de la duret.

Dr. Gilles OLIVE 41


2.3.1. La duret de Mohs

La premire notion de duret (1822) provient du minralogiste allemand Friedrich Mohs quirecherchait un paramtre pour dfinir les minraux.Il propose une chelle de 10 classes de duret relative base sur la rsistance la rayure par rapport des matriaux donns, le talc et le diamant tant les extrmes.

Duret Minral Exemples1 Talc Trs fragile2 Gypse se raye l'ongle ~2.2 ongle3 Calcite Fragile ~3.2 cuivre4 Fluorite se raye par le cuivre

5 Apatite Moyennement dur ~5.1 lame de couteau~5.5 verre6 Orthoclase se raye par le verre ou l'acier ~6.5 aiguille d'acier7 Quartz Dur8 Topaze9 Corindon Trs dur10 Diamant

La duret est une grandeur anisotrope, variant avec les directions cristallographiques ; il est difficile des'en servir comme caractristique absolue.Il existe, de plus, une duret apparente de certains agrgats friables: l'ocre rouge se raie l'ongle, maisest forme de fins grains d'hmatite rayant le verre.La texture peut galement donner un rsultat faux. Par exemple, si la structure est grains fins, on peutconfondre une rayure et l'arrachement de petits grains.De plus l'chelle n'est pas linaire, ce qui n'est pas adapt la mesure des matriaux industriels commel'acier.

Il faut bien distinguer tnacit et duret: ainsi le diamant, le plus dur des corps naturels connus, peutenace, se casse facilement grce son excellent clivage octadrique.

Aujourd'hui, la duret est mesure grce l'empreinte que laisse un pntrateur dans un matriau sousune force donne.Il existe diffrents essais selon la forme du pntrateur et la nature de la mesure de l'empreinte (surfaceou profondeur). Et dans l'industrie, on utilise principalement trois techniques diffrentes pour mesurerla duret.

Dans tous les cas, la duret est donne en mgapascal (MPa) puisqu'elle est le rapport d'une force enNewton (N) sur une surface calcule en millimtres carrs (mm2).Les deux premires mesures sont des mesures de surface, mors que la troisime est une mesure de profondeur.

2.3.2. Brinell

" On imprime dans la pice une bille en acier ou en carbure.La bille possde un diamtre D et on applique une charge F sur la bille. On mesure le diamtre del'empreinte d aprs la suppression de la Force.

Dr. Gilles OLIVE 42


F

D d

La plus grande valeur que peut prendre d est D.

La valeur de Brinell est 0,102SF

avec F la force exerce sur la boule en Newton et S la surface en

mm2 d'enfoncement dans le matriau.

" Technique essentiellement applique dans les ateliers ou dans les chanes de production carce sont des mesures assez faciles raliser.

HB = INDICE DE DURET BRINELL

L'essai consiste appliquer une force F Newton sur une billeen acier ou en carbure, de diamtre dtermin D mm.Maintenir la pression pendant 15 30 s selon le mtal.Mesurer le diamtre d mm de l'empreinte obtenue. On endduit la valeur de HB en MPa par la formule indique.

On doit l'essai Brinell l'ingnieur mtallurgiste sudois Johan Brinell (1849 - 1925). Il s'appliqueaux mtaux "peu durs". La norme Brinell de duret a t dite ds 1924.

2.3.3. Vickers

" On imprime un pntrateur en diamant en forme de pyramide droite, et on va exercer unecharge F et on va mesurer la diagonale de l'empreinte laisse sur la surface aprs enlvementde la charge.

Pointe enfonce

Diagonale

La valeur de Vickers est 0,102SF

avec S la surface en d'enfoncement dans le matriau. On remarque

que c'est la mme que pour Brinell.

" Technique utilise en laboratoire car les pntrateurs sont de trs petites tailles, ce qui donnedes petites empreintes, qu'il est plus facile de voir au microscope et sur une surface de trsbonne qualit (propre).

" Utilise essentiellement pour les mtaux trs trs durs.

Dr. Gilles OLIVE 43


HV = INDICE DE DURET VICKERS

L'essai consiste appliquer une force F Newton sur unepyramide base carre en diamant d'angle au sommet 136.Maintenir la pression pendant 15 s. Mesurer la diagonale dmm. On en dduit la valeur de HV en MPa par la formuleindique.

C'est l'essai le plus prcis des trois essais de duret, et celui qui a le domaine d'applications le plustendu. Pour des matriaux rugueux on peut nanmoins prfrer l'essai Brinell.

La duret Vickers a t conue dans les annes 1920 par les ingnieurs de la socit Vickers enAngleterre.

2.3.4. Rockwell

" On imprime dans la pice un pntrateur (bille ou cne en diamant) de type normalis.

Cela s'effectue en trois parties:1. on applique une charge2. on augmente la charge applique3. on applique de nouveau la charge initialeOn mesure alors la surface cre par le pntrateur

" Technique trs simple et rapide en routine mais moins prcise que les deux autres essais.

HRC (OU HRB) = INDICES DE DURET ROCKWELL

L'essai consiste appliquer une force de 100 N sur un cne en diamant 120.Le cne s'enfonce d'une profondeur e0 mm. On applique une force de 100 N +F, avec F = 1400 N, pendant 3 8 s, le cne s'enfonce d'une profondeur e1 mm.On supprime la force F, le cne reste enfonc d'une profondeur e2 mm. La

profondeur rmanente (e2 - e0) mm permet le calcul de HRC selon la formule indique.

L'essai est le mme que le prcdent sauf qu'on utilise une bille d'acier de 1,6mm et que F est gale 900 N. On obtient HRB selon la formule indique.L'intrt des indices Rockwell par rapport l'indice Brinell est qu'ils peuvent selire directement sur un cadran gradu.

La norme de duret Rockwell date de 1932.

2.3.5. Essais de duret.

(NF A 03-152)La duret caractrise la rsistance qu'un matriau oppose la pntration d'un corps dur.L'essai de duret consiste crer une empreinte sur une pice par un pntrateur soumis une forcedtermine.C'est un moyen de contrle non destructif, utilis en contrle final car il est possible d'obtenir, partird'un indice de duret, une bonne approximation de la rsistance la traction.

Dr. Gilles OLIVE 44


Correspondances approximatives de quelques indices de duret entre eux et avec Rm.

(Tableau d'aprs la norme allemande DIN 50-150)HV HB HRC Rm HV HB HRC Rm HV HB HRC Rm HV HB HRC Rm

155 147 495 230 219 740 310 295 31,0 995160 152 510 235 223 755 320 304 32,2 1030

90 85 285 165 156 530 240 228 20,3 770 330 314 33,3 106095 90 305 170 162 545 245 233 21,3 785 340 323 34,4 1095100 95 320 175 166 560 250 236 22,2 800 350 333 35,5 1125

105 100 335 180 171 575 255 242 23,1 820 360 342 36,6 1155110 105 350 185 176 595 260 247 24,0 835 370 352 27,7 1190115 109 370 190 181 610 265 252 24,8 850 380 361 28,8 1220120 114 385 195 185 625 270 257 25,6 865 390 371 39,8 1255125 119 400 200 190 640 275 261 26,4 880 400 380 40,1 1290

130 124 415 205 195 660 280 26

chimie des materiaux

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