Alliage

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


Catégories :

Alliage - Métal - Matériau

Définitions :

  • mélange de métaux et ou métalloïdes pour en perfectionner certaines qualités Bronze = Cuivre + Étain (Mnémo : un bonze qui crame, on l'éteint). Laiton = Cuivre + Zinc (Mnémo : on boit du lait sur le zinc du bar). Acier = Fer + Carbone (jusqu'à 1, 5%). Fonte = Fer + Carbone (de 2 à 5%). (source : villemin.gerard.free)
  • Mélange de métaux permettant de perfectionner le matériau d'un cadre (alliage d'aluminium par exemple) (source : aspttvttchalons)
  • produit métallurgique résultant de la combinaison de plusieurs métaux. Les alliages permettent d'obtenir diverses caractéristiques : dureté, souplesse, légèreté, conductivité, anticorrosion, facilité de fusion, aptitude à l'usinage… (source : rhoul)

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

Un métal pur a des caractéristiques mécaniques assez faibles. Le fait d'ajouter d'autres éléments sert à «durcir» (augmenter les caractéristiques mécaniques[1]). Ces ajouts permettent aussi de modifier les caractéristiques chimiques des métaux (en particulier leur comportement à la corrosion) ou de perfectionner d'autres caractéristiques (facilité de mise en œuvre : coulabilité par exemple).

Le métal principal, principale partie du mélange, est nommé «métal de base» ou «base». Les éléments ajoutés volontairement sont nommés «éléments d'alliage» (ou d'addition) et les éléments non désirés sont nommés impuretés.

Les éléments d'alliages sont le plus fréquemment des métaux, mais peuvent aussi être d'autres éléments chimiques : le carbone dans l'acier ou la fonte, le silicium dans l'aluminium, etc.

Généralement, lorsque l'élément d'alliage n'est pas un métal, sa proportion reste faible. Ainsi, la concentration de carbone est inférieure à 2% en masse pour l'acier et inférieure à 7% en masse pour la fonte, tandis qu'il est envisageable de faire un alliage cuivre-zinc (laiton) avec 50% de chacun des éléments.

Un alliage peut être naturel, par exemple l'électrum, alliage d'or et d'argent natifs utilisé dans la Préhistoire et l'Antiquité : Varna, Asie Mineure, Ur, Égypte, etc.

Alliage binaire

Alliage binaire à une seule phase

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 de phases Bi-Sb.
Élément Rayon
atomique
Structure
cristalline
Bismuth 160 pm Rhomboédrique
Antimoine 145 pm Rhomboédrique

Les alliages de bismuth et d'antimoine forment une solution solide (en dessous du solidus) dans l'ensemble des cas de figure ainsi qu'à l'ensemble des températures. Le diagramme de phase 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 apparait 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 seconde inversement de A dans B. C'est le cas par exemple du dispositif 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 assez simple trouvé pour les alliages est un diagramme de phase binaire eutectique. Un certain nombre de caractéristiques de ce diagramme de phase est important et mérite d'être signalé. Dans un premier temps, trois régions monophasées sont visibles sur le schéma : α, β et liquide. 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 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 nommé une ligne Solvus, la frontière entre le champ α et le champ α + L est la ligne de solidus (AB). Pour la phase β, deux lignes de solidus et Solvus existent aussi, HG et GF, respectivement. La ligne horizontale BEG, qui est parallèle à l'axe de composition et couvre entre le maximum de solubilité de ces positions, peut aussi être reconnue 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 également trois régions de deux phases trouvées dans le dispositif cuivre-argent. Comme l'argent est ajouté au cuivre, la température à laquelle les alliages deviennent complètement liquides diminue au long de la ligne liquidus (ligne Æ) ; ainsi, la température de fusion 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 diminué la température de fusion complète au long de la ligne liquidus FE. Ces lignes liquidus répondent au point E sur le diagramme de phase, par le biais de qui passe aussi 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 dispositif 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 se produit sur l'échauffement. C'est ce qu'on nomme une réaction eutectique (eutectic veut dire aisément fondu), et CE et TE représentent les composition et température eutectiques, respectivement. Fréquemment, la ligne solidus horizontale à TE est nommé isotherme eutectique. La réaction eutectique, sur le refroidissement, est comparable à la solidification des composants purs en ce que la réaction à terme à une température constante, ou isométriquement, à TE. Cependant, le produit solide de la solidification eutectique est toujours deux phases solides, tandis que pour un simple composant, une seule phase se forme. A cause de cette réaction eutectique, les diagrammes de phase identiques 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 dispositif eutectique, trois phases (α, β et L) peuvent être en équilibre, mais uniquement à points au long de la ligne eutectique[2].

Il y a des milliers de combinaisons envisageables 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 également le peritectoid, un point où les une solide se trasnforme en une phase liquide et une autre phase solide lors du chauffage. L'inverse de cela, quand un phase solide se transforme en deux phases solides au cours de chauffage, est nommé l'eutectoïdes.

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

L'axe des X d'un tel schéma correspond à la concentration variable du mélange. Comme les mélanges sont le plus souvent loin d'affaiblir et leur densité selon la température est le plus souvent inconnu, la mesure préféré est concentration molaire. Un basé sur le volume de mesure comme molarité serait déconseillé.

Structure

Alliage homogène

Un alliage homogène peut être ordonné (les atomes de différentes natures suivent une alternance stricte) ou désordonné (les différents atomes occupent des places aléatoires).

Alliage ordonne desordonne.png

En général, on a un métal majoritaire, les autres métaux sont nommés «éléments d'alliage». Les atomes des éléments d'alliage peuvent prendre la place des atomes du métal majoritaire, on parle alors de «substitution» ; ils peuvent aussi se glisser entre les atomes de l'alliage majoritaire, on parle d'«insertion». Quand un métal est présent en faible teneur dans un alliage, on parle fréquemment de solution solide.

Alliage solution solide.png

Alliage hétérogène

Quand la teneur en élément d'alliage augmente, on peut avoir formation de deux phases : une phase contenant peu d'éléments d'alliage, et une phase à forte teneur en éléments d'alliage. Les cristallites à forte teneur sont nommés «précipités».

Alliage precipite.png

Les précipités sont fréquemment des alliages ordonnés, qu'on nomme «intermétalliques». Les intermétalliques ainsi constitués sont quelquefois ensuite étudiés comme alliages propres, comme un nouveau matériau, et on essaie d'en produire comme tel et non plus comme précipités.

Exemples

Principaux alliages

Alliages de fer

Alliages de cuivre

Alliages d'aluminium

Ils sont aussi nommés alliages légers compte tenu de la masse volumique de l'aluminium comparée à celle des autres métaux.

Pour plus de détail voir les deux articles ci-dessous :

Alliages moins connus

Alliages pour des applications spécifiques

Références

  1. Henri Godfroid, Métallurgie pour mécaniciens : Propriétés générales des alliages, leur traitement thermique, La Chapelle-Montligeon, Impr. de Montligeon, coll. «Société de publications mécaniques», Paris, 1950 (réimpr.  1959), In-8° (240 x 160), 378 p., fig., pl. 2 000 fr. [D. L. 4455]
    (Notice BNF no FRBNF32174558x) (Notice BNF no FRBNF321745598)
     
  2. Fundamentals of Materials Science and Engineering / William D. Callister Jr. Wiley editor. 2001 pp 292-295

Notes

  1. La désignation usuelle française TA6V est basée sur l'ancienne norme NF A 02-004 actuellement annulée, sa désignation chimique est Ti Al 6 V.

Voir aussi

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"de l'alliage de laiton."

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