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Science et Génie des Matériaux Plan général 1.Objet de la science et du génie des matériaux. 2.Liaison chimique et propriétés des matériaux. 3.Défauts.

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1 Science et Génie des Matériaux Plan général 1.Objet de la science et du génie des matériaux. 2.Liaison chimique et propriétés des matériaux. 3.Défauts ponctuels et propriétés physico-chimiques des matériaux 4.Solutions solides et stœchiométrie. 5.Défauts linéaires et propriétés mécanique des matériaux. 6.Matériaux polycristallins et polyphasés : défauts plans. 7.Diffusion à l’état solide. 8.Diagrammes de phases. 9.Constitution et microstructure des matériaux. Bernard Pieraggi

2 Solutions solides et stœchiométrie Plan 1.Définitions 2.Solutions solides de substitution 3.Solutions solides d’insertion 4.Densité des solutions solides 5.Solutions ordonnées – Phases intermédiaires Bernard Pieraggi

3 4-1. Définitions Dans une solution solide, des constituants de nature différente partagent, en proportion variable, les sites d’une même structure cristallographique. Constituants = éléments, ions, molécules Exemple : 3 constituants différents Constituant A Constituant B Constituant C A et B répartis aléatoirement sur les nœuds d’un même réseau cristallin :Solution solide de substitution C répartis aléatoirement dans les espaces laissées entre les entités A et B :Solution solide d’insertion Les solutions solides sont des phases multiconstituées de composition variable

4 4-1. Définitions Solutions solides terminales et phases intermédiaires La solubilité de B dans la solution solide  riche en A, la solubilité de A dans la solution solide  riche en B, le domaine de stœchiométrie de la phase intermédiaire  dépendent des propriétés thermodynamiques des phases ,  et . Les structures cristallographiques des phases ,  et  sont différentes  = phase intermédiaire  = solution solide terminale ou primaire de B dans A  = solution solide terminale ou primaire de A dans B A pur B pur xBxB L T   ++ ++ 

5 4-1. Définitions La solubilité de B dans  et de A dans  et la largeur du domaine d'existence de la phase intermédiaire  dépendent de la stabilité thermodynamique de la phase  Plus une phase est thermodynamiquement stable, plus son domaine d'existence est étroit, plus la composition de la phase demeure proche de la composition stœchiométrique. G (J.mol -1 ) xBxB   x1x1 x2x2 Remarque : la solubilité de B dans la solution solide , la solubilité de A dans la solution solide , le domaine de stœchiométrie de la phase intermédiaire  dépendent des propriétés thermodynamiques des phases ,  et .

6 4-2. Solutions solides de substitutio Représentation schématique += + = + =

7 4-2. Solutions de substitution Règles de Hume-Rothery Conditions nécessaires : A et B : même type de liaison chimique A et B : même structure cristallographique A et B : électronégativité peu différente A et B : taille peu différente : règle des 15% Conditions insuffisantes Exemples : Ag-Cu, Ni-Cu r Cu = 0,1413 nm r Ag = 0,1597 nm r Cu = 0,1594 nm Cu-Au : solubilité continue Cu-Ag : solubilité limitée Solubilité continue Règle des 15% : r A, r B : rayon atomique La règle des 15% s'applique aussi aux solutions solides non métalliques

8 4-2. Solutions solides de substitution Solubilité limitée Fraction molaire > 0,05 Règle des 15% Faible différence d'électronégativité Règles nécessaires mais non suffisantes Valables pour les solutions non métalliques Cd In Li Bi Au Cu Be Si Ca Ge As Sb Ag Pb Al Tl Sn Zn Ga  R/R (%) III IV I V II Solubilité (at%) K Ca Na Li In Cd Tl Mg Pb Zn Be Ga Al Zr Sn Bi Sb Ge Si Ag Cu Fe Mn Ni Au solubilité > 5 at.% solubilité < 5 at.% 1,0 2,0 3,0 0,10 0,15 0,20 rayon atomique (nm) Electronégativité Solubilité dans le magnésium

9 4-3. Solutions solides d'insertion Empilement compact (cfc et hcp) Sites octaédriques cfc hcp 1 site/noeud r i = rayon de l'interstitiel r riri

10 4-3. Solutions solides d'insertion Sites tétraédriques 2 sites par noeuds cfc hcp

11 4-3. Solutions solides d'insertion Structure cubique centrée Sites octaédriques Sites téraédriques Les sites n'ont pas la symétrie cubique

12 4-3. Solutions solides d'insertion Solubilité des atomes en insertion Structure cfc et hcp : Structure cc : Seules les espèces de faible rayon peuvent entrer en insertion dans un réseau. Cas des métaux HONCB r (nm)0,0300,0660,0710,0770,087 Solubilité plus faible dans les structures CC H, O, C, N et B forment des solutions d'insertion avec les métaux

13 4-3. Solutions solides d'insertion

14 4-4. Masse volumique des solutions solides Solutions solides de substitution Solutions solides d'insertion Cas général - 2 constituants A et B de fraction molaire x A et x B v : volume de la maille cristalline n : multiplicité de la maille cristalline - Généralisation : - Elément solvant A, élément en insertion B x s : fraction molaire des constituants en substitution


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