Alliage
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Introduction

Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments chimiques.

Un métal pur a des caractéristiques mécaniques relativement faibles. Le fait d'ajouter d'autres éléments permet de « durcir » (augmenter les caractéristiques mécaniques).Ces ajouts permettent également de modifier les caractéristiques chimiques des métaux (en particulier leur comportement à la corrosion) ou d'améliorer d'autres caractéristiques (facilité de mise en œuvre : coulabilité par exemple).

Le métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi...) principal, la plus importante partie du mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de...), est appelé « métal de base » ou « base ». Les éléments ajoutés volontairement sont appelés « éléments d'alliage » (ou d'addition) et les éléments non désirés sont appelés impuretés.

Les éléments d'alliages sont le plus souvent des métaux, mais peuvent également être d'autres éléments chimiques : le carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) dans l'acier (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction métallique (voir aussi l’article sur la théorie du soudage de l’acier) et de la...) ou la fonte, le silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) dans l'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse totale.), etc.

Généralement, quand l'élément d'alliage (Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments chimiques.) n'est pas un métal, sa proportion reste faible. Ainsi, la concentration de carbone est inférieure à 2% en masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la masse grave). Ces...) pour l'acier et inférieure à 7% en masse pour la fonte, alors qu'il est possible de faire un alliage cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses surfaces fraîches une teinte rosée à...) zinc (Le zinc (prononciation /zɛ̃k/ ou /zɛ̃ɡ/) est un élément chimique, de symbole Zn et de numéro atomique 30.) (laiton) avec 50% de chacun des éléments.

Un alliage peut être naturel, par exemple l'électrum, alliage d'or et d'argent (L’argent ou argent métal est un élément chimique de symbole Ag — du latin Argentum — et de numéro atomique 47.) natifs utilisé dans la Préhistoire et l'Antiquité : Varna, Asie (L'Asie est un des cinq continents ou une partie des supercontinents Eurasie ou Afro-Eurasie de la Terre. Il est le plus grand continent (8,6 % de la surface totale terrestre ou 29,4 % des terres émergées) et le plus...) Mineure, Ur, Égypte, etc.

Alliage binaire

Alliage binaire à une seule phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :)

Un alliage homogène est constitué d'une seule phase solide homogène. Pour obtenir un alliage homogène, il faut qu'il y ait miscibilité totale entre les éléments d'alliage. Il y a deux possibilités :

  1. Les deux éléments d'alliage sont solubles l'un dans l'autre quelles que soient leurs proportions respectives.
  2. La concentration de l'élément d'alliage est inférieure à la limite de solubilité.

Les règles de Hume-Rothery indiquent les conditions pour obtenir un alliage homogène avec solubilité totale à l'état solide.

Diagramme (Un diagramme est une représentation visuelle simplifiée et structurée des concepts, des idées, des constructions, des relations, des données statistiques, de l'anatomie etc....) de phases Bi-Sb.
Élément Rayon
atomique
Structure
cristalline
Bismuth (Le bismuth est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole Bi et de numéro atomique 83.) 160 pm Rhomboédrique
Antimoine 145 pm Rhomboédrique

Les alliages de bismuth et d'antimoine forment une solution solide (en dessous du solidus) dans tous les cas de figure et à toutes les températures. Le diagramme de phase (Un diagramme de phase est une expression utilisée en thermodynamique (voir Phase) ; elle indique une représentation graphique, généralement à deux ou trois dimensions,...) est un diagramme à un fuseau.

Diagramme de phases Cu-Ni

Quelques autres couples dont la miscibilité est bonne et permet d’obtenir des solutions solides homogènes à toutes températures : cuivre-nickel, cuivre-palladium, Argent-or, argent-palladium, molybdène-vanadium, molydène-tungstène, etc.

Certains alliages binaires solubles présentent aux plus basses températures un défaut de solubilité. Il apparaît sur le diagramme de phase un secteur où cohabitent deux phases, la première étant constituée d'une solution solide saturée de B dans A, la deuxième inversement de A dans B. C'est le cas par exemple du système cuivre-nickel qui présente en dessous de 322 °C une zone avec deux phases 1 et 2.

Alliage binaire à plusieurs phases

Un autre type de diagramme de phase binaire commun et relativement simple trouvé pour les alliages est un diagramme de phase binaire eutectique (Un eutectique est un mélange de deux corps purs qui fond et se solidifie à température constante, contrairement aux mélanges habituels. Il se comporte en fait comme un corps pur du...). Un certain nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de caractéristiques de ce diagramme de phase est important et mérite d'être signalé. Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) d'abord, trois régions monophasées sont visibles sur le schéma: α, β et liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.). Sur la figure à gauche, la phase α est une solution solide riche en cuivre, qui a pour soluté l'argent et présente une maille CFC (cubique à faces centrées). La phase β (solution solide) a aussi une structure CFC, mais le cuivre est le soluté.

Diagramme Cuivre Argent
Diagramme de phases Cu-Ag

Ainsi, la solubilité dans chacune de ces phases solides est limitée, en ce que, à tout température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du transfert de...) en dessous de la ligne BEG, la concentration d'argent qui peut se dissoudre dans le cuivre (pour la phase α) est limitée, et de même façon pour le cuivre en argent (pour la phase β). Le limite de solubilité de la phase α correspond à la ligne de démarcation, marquée CBA.

À des températures inférieures à 779°C (1434°F), la ligne de limite de solubilité solide qui sépare la phase α et la phase α + β régions est appelé une ligne Solvus, la frontière (Une frontière est une ligne imaginaire séparant deux territoires, en particulier deux États souverains. Le rôle que joue une frontière peut fortement varier suivant les régions et les...) entre le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) α et le champ α + L est la ligne de solidus (AB). Pour la phase β, deux lignes de solidus et Solvus existent également, HG et GF, respectivement. La ligne horizontale BEG, qui est parallèle à l'axe de composition et s'étend entre le maximum de solubilité de ces positions, peut aussi être considérée comme une ligne solidus, elle représente la température la plus basse à laquelle une phase liquide peut exister pour tout alliage de cuivre-argent qui est à l'équilibre.

Il y a aussi trois régions de deux phases trouvées dans le système cuivre-argent. Comme l'argent est ajouté au cuivre, la température à laquelle les alliages deviennent totalement liquides diminue au long de la ligne liquidus (ligne AE); ainsi, la température de fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance...) du cuivre est réduit par l'ajout d'argent. C'est le même principe pour les alliages dont le composé majoritaire est l'argent: l'introduction de cuivre réduit la température de fusion complète au long de la ligne liquidus FE. Ces lignes liquidus répondent au point (Graphie) E sur le diagramme de phase, par le biais de qui passe également la ligne horizontale isotherme BEG. Point E est le point eutectique, qui est désigné par la composition CE et de la température TE; pour la système cuivre-argent, les valeurs de la CE et TE sont 71,9 wt% Ag et 779°C (1434°F), respectivement.

Une importante réaction a lieu dans un alliage de composition «CE» cependant elle change la température en passant par TE. Sur le refroidissement, une phase liquide est transformé en deux phases solides (α et β) à la température TE, la réaction inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y...) se produit sur le échauffement . C'est ce qu'on appelle une réaction eutectique (eutectic signifie facilement fondu), et CE et TE représentent les composition et température eutectiques, respectivement. Souvent, la ligne solidus horizontale à TE est appelé isotherme eutectique. La réaction eutectique, sur le refroidissement, est similaire à la solidification (La solidification est l'opération au cours de laquelle un liquide passe à l'état solide. Cela peut se faire par refroidissement (cas le plus courant), par augmentation de la pression, ou bien par une...) des composants purs en ce que la réaction à terme à une température constante, ou isométriquement, à TE. Toutefois, le produit solide de la solidification eutectique est toujours deux phases solides, alors que pour un simple composant, une seule phase se forme. A cause de cette réaction eutectique, les diagrammes de phase similaires à ceux de la figure du diagramme Ag-Cu sont qualifiées de diagrammes de phase eutectiques.

Dans la construction de diagrammes de phases binaires, il est important de comprendre que un ou au maximum deux phases peuvent être en équilibre dans une région de phase. Pour un système eutectique, trois phases (α, β et L) peuvent être en équilibre, mais seulement à points au long de la ligne eutectique.

Il y a des milliers de combinaisons possibles pour diagrammes de phases avec plusieurs phases. Certaines des principales caractéristiques des diagrammes de phases comprennent points congrus, où une phase solide se transforme directement en liquide. Il y a aussi le peritectoid, un point où les une solide se trasnforme en une phase liquide et une autre phase solide lors du chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un matériau.). L'inverse de cela, lorsque un phase solide se transforme en deux phases solides au cours de chauffage, est appelé le eutectoïdes.

Un diagramme de phase complexe d'une grande importance technologique est celle de la fer-carbone système de moins de 7% de carbone.

L'axe des X d'un tel schéma correspond à la concentration variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle est utilisée pour marquer un rôle dans une formule, un prédicat ou un algorithme. En...) du mélange. Comme les mélanges sont généralement loin d'affaiblir et leur densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme...) en fonction de la température est généralement inconnu, la mesure préféré est concentration molaire. Un basé sur le volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) de mesure comme molarité serait déconseillé.

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