Chapitre III METAUX ET ALLIAGES I – NOTIONS FONDAMENTALES 1 – Métal pur En métallurgie, un métal est pur lorsqu’il est présent à au moins 99% dans le composé. La plupart des métaux ne sont pas utilisés à l'état pur, mais sous forme d'alliage dont les propriétés mécaniques diffèrent ; leur limite d’élasticité, en particulier, est supérieure à celle du métal pur. 2 – Impureté Tout élément étranger à un métal est dit impureté s’il ne dépasse pas un seuil ou n’affecte pas la composition ou le comportement physicochimique du métal. Dans le cas contraire, il est appelé élément d’addition et entre volontairement dans la composition du métal. Cet élément étranger peut être inséré dans le métal de base sous forme de solution ou réagir avec le métal de base et former un composé nouveau. 2 – 1 – Solution solide Une solution solide est une situation où un élément est dispersé au sein d'un cristal. Les alliages binaires sont constitués d’un métal de base A et d’un métal d'addition B. Cependant, B n'est pas toujours métallique : l’exemple des aciers où l’élément d’addition, le carbone, n’est pas un métal. Suivant la nature de A et B et leurs proportions respectives, l'alliage prendra différentes formes. Si l'on peut ajouter des atomes B sans modifier la structure cristalline de A, on forme la solution solide AB (α). Dans certains cas, l'addition de B dans A est possible sans limitation ; les deux métaux sont miscibles en toutes proportions : A et B forment une solution solide continue (exemple : Au et Ag ; structures cubique à face centrée ; paramètres de maille : 0,408 nm et 0,409 nm). Il existe deux grandes classes de solution solide : les solutions solides interstitielles et les solutions solides de substitution. A – Solution solide de substitution C’est le cas où les rayons des atomes étrangers sont voisins de ceux des atomes du métal de base. Les atomes étrangers se logeront aux nœuds du réseau (Fig. 1-a). Les atomes étrangers remplacent les positions des atomes de base. B – Solution solide d’insertion Dans ce cas, les rayons des atomes étrangers sont plus petits que ceux du métal de base. Les atomes étrangers se logeront dans les vides du réseau (Fig. 1-b). Ces atomes sont : l’hydrogène H (0,30 Å), l’oxygène O (0,66 Å), l’azote N (0,71 Å), le carbone C (0,77 Å), le bore B (0,87Å). a - Solution solide de substitution b - Solution solide c - Solution solide mixte d’insertion Fig. 1 : Eléments en solution solide On parle de solution solide mixte, le cas où la solution solide présente les deux cas : substitution et insertion (Fig. 1-c). 2 – 2 – Composé intermétallique Pour une solution solide de A et B, quand il s’agit d’un transfert ou d’échange d’électrons entre les atomes A et B, on est conduit d’un composé intermétallique de combinaison AxBy où x et y sont respectivement les proportions d’atomes A et B pour former une combinaison chimique (combinaison chimiquement défini : CCD), tels que l’exemple : Al2Se3 ou Fe3C. Ce composé forme alors sa structure et sa forme indépendantes du réseau où il se constitue (Fig. 2). 3 – Phase Une phase est un domaine du matériau qui a des propriétés physiques et chimiques uniformes ; les solutions solides ou les composés définis sont des phases. Lorsque deux phases coexistent, on a affaire à un mélange biphasé. Il peut s'agir de deux phases liquides (eau + huile), d'un liquide et d'un solide ou de deux phases solides. Fig. 2 : Formation d’un composé chimiquement défini II – DIAGRAMME D’EQUILIBRE 1 – Définition Les diagrammes d’équilibre sont des représentations graphiques qui montrent, en fonction de la composition chimique, la température et la pression, la composition de phase et l’équilibre thermodynamique. Un métal contenant plus d’un composant est appelé alliage. Selon le nombre de composant, un alliage peut contenir : - deux composants, il est binaire, - trois composants, il est ternaire, - quatre composants, il est quaternaire. Ainsi, l’alliage sera étudié par un diagramme correspondant : binaire, ternaire ou quaternaire, respectivement. 2 – Diagramme d’équilibre binaire Le diagramme d’équilibre binaire décrit tous les domaines de phase en fonction de la température et de la composition chimique. Il est représenté par : - un axe horizontal donnant la variation de la composition du composant pur A (100%A – 0%B) jusqu’au composant pur B (100%B – 0%A), - un axe vertical au niveau de chaque composant donnant le repère de la température, - les courbes et les droites délimitant les domaines de phases. Un alliage binaire est un composé formé d’un métal de base et d’un deuxième élément d’ajout qui peut être un autre métal (laiton : Cu-Zn) ou un non métal tel que le carbone (acier : Fe-C). Les diagrammes d’équilibre peuvent avoir des représentations simples tels que l’alliage Cu-Ni ou des représentations complexes tels que l’alliage Cu-Sn (Fig. 3). Figure 3 : Exemples de diagrammes d’équilibre : Cu-Ni et Cu-Sn
