Science et génie des matériaux IV – transformations allotropiques David Horwat EEIGM – 3° étage David.horwat@ijl.nancy-universite.fr

Définition: L'allotropie (du grec allos : autre et tropos matière) est, en chimie, la faculté de certains corps simples d'exister sous plusieurs formes cristallines ou moléculaires différentes. Les transformation allotropiques sont induites par les conditions extérieures (température et pression). Carbone graphite Carbone diamant

Origine des transformations allotropiques A pression constante un matériau cherche à prendre la forme structurale qui permet de minimiser son enthalpie libre G = H - TS. H, l’enthalpie est l’énergie stockée dans les liaisons chimiques. Elle est fonction de la température et de la pression imposées (voir partie 3). S est l’entropie. Elle est liée au désordre, nous détaillerons sa signification et son influence dans la partie VI. Pour un corps donné toutes les structures sont a priori envisageables. La structure d’équilibre est celle qui présente la plus faible enthalpie libre. L’enthalpie libre G de chacune des structures possibles évolue avec la température

Transformation allotropique induite thermiquement à pression constante Origine des transformations allotropiques Transformation allotropique induite thermiquement à pression constante Enthalpie libre G G Ga -> b G Phase a Phase b Tc T Température Tc est la température critique à laquelle se produit théoriquement la transformation allotropique a <=> b

Notions de thermodynamique et de cinétique Le matériau est chauffé depuis les basses températures jusqu’à la température T La phase d’équilibre à la température T est la phase b. La transformation allotropique a->b est possible. Une énergie d’activation G* résiste à la transformation. La transformation se produit à la vitesse  

Le même type d’approche peut être appliquée pour les transformations allotropiques à température constante et pression variable.

Transformations allotropiques des métaux purs

Transformations sans changement de volume Influence de la température Transformations sans changement de volume 1340°C

Transformations avec changement de volume Influence de la température Transformations avec changement de volume Redevient CC

Structure quadratique centrée Structure cubique diamant Influence de la température Transformations avec changement de volume Structure quadratique centrée Structure cubique diamant V = 26 %

Influence de la température Certains métaux présentent plus de deux formes allotropiques par exemple:

Influence de la pression Energie libre G G G Phase a Phase  140 kbar Pression

Intérêt des transformations allotropiques Lorsque plusieurs formes allotropiques existent, il est possible de contrôler la structure d’équilibre par des traitements thermomécaniques Les conséquences pour les propriétés du matériau sont nombreuses : Affinement des grains Durcissement structural (voir partie 5) etc