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4.1.4 Propriétés chimiques GCI 116 - Matériaux de lingénieur Les propriétés chimiques des matériaux Plan 4.1 Propriétés des matériaux A -Miscibilité totale.

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1 4.1.4 Propriétés chimiques GCI Matériaux de lingénieur Les propriétés chimiques des matériaux Plan 4.1 Propriétés des matériaux A -Miscibilité totale B -Miscibilité partielle C - Diagrammes complexes Des Matériaux Sections sauf sauf formules

2 4.1.4 Propriétés chimiques GCI Matériaux de lingénieur Définitions * Les matériaux utilisés sont rarement des corps purs - ex.: alliages, acier, etc. * Composant - corps chimiquement pur (T f définie) - ex.:élément simple (Fe, Cu, Al, C, etc.) composés de proportions fixes (NaCl. Al 2 O 3, etc.) * Phase - régions homogènes dun corps caractérisée par une structure et un arrangement atomique identique - ex.: H 2 O à 0°C; H 2 O + huile * Constituant - phases mélangées mais non confondues - ex.: leutectique

3 4.1.4 Propriétés chimiques GCI Matériaux de lingénieur * Diagramme déquilibre - sert à représenter les domaines de stabilité des phases en fonction de plusieurs variables : >>> la température >>> la composition (% massique) >>> la pression obtenue par des changements lents Diagramme de phase typique pour un seul composant Permet de représenter les domaines de stabilité des phases et les conditions déquilibre entre plusieurs phases

4 4.1.4 Propriétés chimiques GCI Matériaux de lingénieur Pour ce qui est des phases liquides et solides, la pression na que peu dinfluence et peut être négligée, ce qui permet détudier sous un diagramme 2D leffet de la température et de la composition. Diagramme dun système binaire

5 4.1.4 Propriétés chimiques GCI Matériaux de lingénieur A. Miscibilité totale Système binaire Miscibilité = formation dun mélange parfaitement homogène. Donc une miscibilité totale à létat solide signifie que, lorsque le système est solidifié, il ne reste quune seule phase en présence. À une température donnée, la composition des phases en équilibre est donnée par les intersections de lisotherme avec le liquidus et le solidus. Donc à i, pour un alliage ayant une composition C 0, la phase solide a une composition C S tandis que la phase liquide a une composition C L Lintervalle de solidification est donné par L - S

6 4.1.4 Propriétés chimiques GCI Matériaux de lingénieur * Solidification dun corps pur - elle seffectue à température constante ex.:Cu 1083°C Ni 1453°C Température Temps L S L + S * Solidification dun mélange - elle seffectue sur un intervalle de température ex.: Mélange 50% Cu 50% Ni entre 1320°C et 1230°C Température Temps L S L + S Vidéo 5.0

7 4.1.4 Propriétés chimiques GCI Matériaux de lingénieur Température Composition ? C0C0 CLCL CSCS Liquide Solide L + S fSfS f L (proportion de liquide) f tot = f L + f S = 1 lLlL lSlS T Suivant la loi de la conservation de la masse et la règle des bras de levier (valide pour les domaines biphasés des diagrammes binaires), il est possible de calculer les proportions relatives de chacune des phases. - analogie avec une balance

8 4.1.4 Propriétés chimiques GCI Matériaux de lingénieur Pour garder léquilibre, F = 0 f L + f S = 1 M = 0 f L l L = f S l S ou,l S = C O - C S l L = C L - C O Fraction solide Fraction liquide Nous obtenons donc par substitution:

9 4.1.4 Propriétés chimiques GCI Matériaux de lingénieur Exemple - alliage 40% Cu - 60% Ni à 1300°C CSCS CLCL COCO

10 4.1.4 Propriétés chimiques GCI Matériaux de lingénieur Donc, en résumé, le diagramme déquilibre donne une représentation graphique du domaine de stabilité des phases. Dans un domaine biphasé, il donne... (a) les phases en présence (L, S) (b) la composition de chacune des phases en équilibre à une température donnée (c) la proportion des phases en présence dans le cas dun alliage de composition C 0

11 4.1.4 Propriétés chimiques GCI Matériaux de lingénieur Règle générale, pour que deux composants soient entièrement miscibles à létat solide, quatre conditions doivent être remplies: (a) différences de diamètres atomiques inférieures à 15% (b) mêmes structures cristallines (c) valences égales (d) électronégativités semblables

12 4.1.4 Propriétés chimiques GCI Matériaux de lingénieur B. Miscibilité partielle Si les règles de miscibilité ne sont pas entièrement satisfaites, on aura une miscibilité partielle ou encore la formation de composés intermédiaires. Transformations eutectiques Diagramme plomb - étain - à létat liquide miscibilité complète - à létat solide, solubilité maximale à 183°C Sn dans Pb : 18% Sn Pb dans Sn : 2,5% Pb

13 4.1.4 Propriétés chimiques GCI Matériaux de lingénieur Point eutectique (E) à ce point, trois phases sont en équilibre à 183°C; degré de liberté nul 1 phase liquide (62% Sn) 2 phases solides : (18% Sn) (97,5% Sn) Point eutectique

14 4.1.4 Propriétés chimiques GCI Matériaux de lingénieur Eutectique (C E = 62 % Sn)Hypoeutectique (18 % Sn < C < 62 % Sn) Hypereutectique (62 % Sn < C < 97,5) Solidification dalliages de différentes compositions (a) composition eutectique C = C E = 62% Sn C E = 62% Sn constituant eutectique :solide biphasé, agrégat des phases et de composition moyenne C E : noir : blanc à 183°C

15 4.1.4 Propriétés chimiques GCI Matériaux de lingénieur (b) composition hors eutectique siC C E : hypereutectique ex.: alliage hypoeutectique 30% Sn microstructure 225°C 184°C L 20°C : noir : blanc C = 30% Sn

16 4.1.4 Propriétés chimiques GCI Matériaux de lingénieur (b) composition hors eutectique (suite) Résumé et microstructure

17 4.1.4 Propriétés chimiques GCI Matériaux de lingénieur (c) composition dun alliage monophasé ex.: Sn < 18% C = 10% Sn à la température ambiante :solide biphasé, phase (phase principale) phase précipitée limite de solubilité de Sn dans Pb entre 130°C et 400°C, miscibilité complète microstructure 300°C 200°C L 20°C

18 4.1.4 Propriétés chimiques GCI Matériaux de lingénieur Exemple: alliage Ag-Cu

19 4.1.4 Propriétés chimiques GCI Matériaux de lingénieur

20 4.1.4 Propriétés chimiques GCI Matériaux de lingénieur C. Diagrammes complexes Phases intermédiaires Diagramme plomb – bismuth - phase intermédiaire - point péritectique : transformation dune phase solide et dune phase liquide en une nouvelle phase solide unique (L+ ) Point péritectique Point eutectique

21 4.1.4 Propriétés chimiques GCI Matériaux de lingénieur Diagramme cuivre - magnésium - phases intermédiaires et - 3 diagrammes distincts, chacun présentant une transformation eutectique

22 4.1.4 Propriétés chimiques GCI Matériaux de lingénieur Diagramme fer-carbone Aciers et fontes %C 2% fontes Phases : ferrite (c.c.) : austénite (c.f.c.) : ferrite (c.c.) Fe 3 C : cémentite eutectique eutectoïde

23 4.1.4 Propriétés chimiques GCI Matériaux de lingénieur Ferrite (phase - solution solide de C (max 0,02%) dans le fer de structure cubique centrée Austénite (phase - solution solide de C (max 2,1%) dans le fer de structure cubique à faces centrée Cémentite - carbure de fer Fe 3 C (max 6,68% C) Perlite - mélange «eutectoïde» de lamelles de ferrite et de cémentite créé par la décomposition de lausténite (0,8% C) Transformations allotropiques Transformations eutectiques L + Fe 3 C Transformations péritectique L + Transformations eutectoïde + Fe 3 C

24 4.1.4 Propriétés chimiques GCI Matériaux de lingénieur Diagramme ternaire Exemple : ciment hydraulique Vidéo 5.19

25 4.1.4 Propriétés chimiques GCI Matériaux de lingénieur Diffusion (section 5.3) Les changements de composition entre les différentes phases au cours du refroidissement (ou du chauffage) des matériaux ne peut être expliqués que par des mouvements datomes. Cest la DIFFUSION - phénomène activé thermiquement Les atomes en substitution ont besoin de lacunes pour se déplacer. Les atomes en insertion nont pas besoin de lacunes.

26 4.1.4 Propriétés chimiques GCI Matériaux de lingénieur Application de la diffusion -Homogénéisation -Traitements thermiques -Soudage et brasage - Dopage des semi-conducteurs - Modification chimique des verres - Frittage Vidéo 5.28


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