Alliage - Définition et Explications

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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...) principal, la plus importante partie du mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses...), 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,...) dans l'acier (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction...) ou la fonte, le silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si...) dans l'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13....), etc.

Généralement, quand l'élément d'alliage (Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments...) 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...) 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...) zinc (Le zinc (prononciation /zɛ̃k/ ou /zɛ̃ɡ/) est un élément...) (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...) 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...) 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...)

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,...) 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...) 160 pm Rhomboédrique
Antimoine (L'antimoine est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole Sb...) 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 représentation graphique utilisée en thermodynamique (voir...) 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...). Un certain nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) 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...) 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...). 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...) 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...) 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...) 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...) 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...) 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...). 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...) 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...) 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...) de mesure comme molarité serait déconseillé.

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