Précipité
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Approche en métallurgie

En métallurgie, et en science des matériaux en général, on s'intéresse à deux phénomènes :

  • la formation des premiers cristaux lors de la solidification ;
  • la formation d'une nouvelle phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) solide alors que l'on est déjà en phase solide.

Dans les deux cas, la formation de cette phase hétérogène se fait en deux étapes :

  • germination (parfois désigné par l'anglicisme « nucléation ») ;
  • croissance.

En phase solide, après la croissance des précipités, ces derniers peuvent continuer d'évoluer par coalescence. Enfin, il existe également un mode de précipitation (En météorologie, le terme précipitation désigne des cristaux de glace ou des gouttelettes d'eau qui, ayant été soumis à des processus de condensation et...) particulier, la décomposition (En biologie, la décomposition est le processus par lequel des corps organisés, qu'ils soient d'origine animale ou végétale dès l'instant qu'ils sont privés de vie, dégénèrent sous l'action de facteurs...) spinodale.

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 combinaison des deux.)

Germination

Dans le cas de la solidification, la germination se fait en général lors du refroidissement.

Prenons le cas d'un corps pur (En chimie, un corps pur est composé d'un seul type de constituant (contraire : mélange). Il existe plusieurs types de corps purs.). Pour une pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) P donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un...), en dessous d'une 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...) Tf donnée (le point (Graphie) 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...), dépendant de la pression), seule la phase solide est stable, donc en théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une...), la température reste stable à Tf(P) le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) que tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) le liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) se solidifie (la solidification libère de la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !), la chaleur latente de fusion, qui compense la diminution de température).

Dans les faits, on assiste à de la surfusion : les cristaux créés à Tf sont dissous par l'agitation (L’agitation est l'opération qui consiste à mélanger une phase ou plusieurs pour rendre une ou plusieurs de ces caractéristiques...) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents...). Il faut que la température baisse suffisamment pour que ces micro-cristaux soient stables ; on peut amorcer la germination en mettant un inoculant (ce sont des grains ou atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement...) interstitiels amenés volontairement pour accélérer le processus de germination et rendre l'alliage (Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments chimiques.) plus résistant et plus dur; on parle aussi d'impuretés (des grains d'une composition différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une...) qui ne fondent pas et qui vont former l'amorce des cristaux)). Ces impuretés améliorent les caractéristiques de l'alliage formé car elles provoquent une formation plus élevée, et en plusieurs endroits, de germes qui eux donneront naissance aux grains.

Thermodynamiquement, la création d'un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon l'Union internationale de cristallographie, tout solide dont...) libère de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) mais en nécessite aussi du fait de la création d'une interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour pouvoir fonctionner correctement.) solide-liquide (tension superficielle) ; pour que la germination se fasse, il faut que celle-ci soit favorable thermodynamiquement, c'est-à-dire que l'énergie libérée par la mise en ordre des atomes compense la tension superficielle (La tension superficielle, ou énergie d'interface, ou énergie de surface, est la tension qui existe à la surface de séparation de deux milieux.).

Croissance

Précipitation en phase solide

La précipitation en phase solide a lieu au sein d'un alliage. En général, on a un métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des...) majoritaire M contenant une quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur...) minoritaire d'alliage A. Lorsque la concentration en élément d'alliage A est faible, on a une phase homogène constituée d'une solution solide de A dans M (voir l'article Défaut ponctuel).

Lorsque la concentration de A dépasse une valeur limite Cs(T), il y a formation de cristaux d'un alliage stœchiométrique, en général ordonné, de M et de A : MmAa (m et a étant les proportions stœchiométriques). Ce faisant, l'alliage s'appauvri en A, le processus s (Le processus S (avec S pour slow, lent en anglais) est un processus de nucléosynthèse de capture de neutrons par des noyaux atomiques qui permet ainsi de produire des éléments lourds à partir d'éléments plus légers. Il se produit à...)'arrête donc lorsque la concentration globale de A dans le M restant est devenue inférieurs à Cs(T). Si A est aussi un métal, MmAa est appelé « intermétallique ».

Si l'on augmente la température et que Cs(T) devient supérieur à la concentration de A dans la phase M, on assiste alors à une dissolution des précipités, toujours en phase solide.

Par exemple, un 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 construction mécanique.) ou une fonte est un alliage de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant...) contenant une faible proportion de 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 certaines conditions de température, il peut se former des précipités de carbure (Un carbure est un composé chimique du carbone avec un deuxième élément chimique autre que l’oxygène. Ils présentent donc une formulation générale de type CxXy.) Fe3C (cémentite)au sein de l'acier ou de la fonte.

Le phénomène est en fait plus complexe car il y a en général plusieurs éléments d'alliage qui influencent la stabilité des phases.

Germination

La précipitation en phase solide se fait également lors d'un refroidissement lent (une trempe (La trempe ou trempage est un traitement thermique consistant en un refroidissement rapide d'un matériau pour obtenir des propriétés mécaniques particulières. On applique ce...) peut empêcher la précipitation).

Dans le cas des alliages d'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.), localement, la sursaturation en élément d'alliage provoque une mise en ordre des atomes qui viennent former une zone dite de « Guinier-Preston » ou « zone G-P ». Cette zone de Guinier - Preston forme l'amorce de germe : ce n'est pas encore un cristal ordonné. Le mouvement des atomes de l'élément d'alliage a appauvri le mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de...) localement, et cet appauvrissement est compensé par une migration des atomes, la diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition »...). La zone de Guinier-Preston est donc alimentée en atomes d'élément d'alliage, et peut donc se transformer en germe (En botanique, un germe est un embryon de plante contenu dans une graine. Le terme désigne également une excroissance qui se développe depuis un tubercule. Germe est un...).

Comme dans le cas de la solidification, la tension (La tension est une force d'extension.) superficielle fait que la germination a lieu en dessous de la température de dissolution du précipité (En chimie et en métallurgie, un précipité est la formation d'une phase dispersée hétérogène dans une phase majoritaire. La formation...).

Croissance

Coalescence

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