alliage (suite)

Lorsqu’on incorpore à un métal de base un autre élément pour constituer l’alliage, plusieurs cas se produisent suivant la nature du métal de base (solvant) et celle de l’addition (soluté), et en raison de considérations liées à la structure atomique des deux éléments. Il peut alors se former :
— une solution solide primaire (ou cristaux mixtes), lorsqu’il se produit une miscibilité à l’état solide, les atomes de l’élément d’addition s’insérant dans le réseau du métal de base (solution solide d’insertion) ou se substituant aux atomes de ce réseau (solution solide de substitution), tout en conservant le même système cristallin, mais en modifiant les dimensions de la maille élémentaire ;
— une solution solide secondaire, ou phase intermédiaire, lorsque les deux éléments forment une série d’alliages sur une certaine étendue de composition, ayant les caractéristiques d’une solution solide, mais de structure cristalline différente de celle des constituants ;
— un composé défini, ou composé intermétallique, généralement de caractère métallique moins marqué et de composition précise, dont la proportion des éléments correspond à une combinaison définie.

Les solutions solides d’insertion se rencontrent lorsque l’élément d’addition possède un faible diamètre atomique et lorsque le métal solvant est un élément de transition ; c’est le cas pour la solution solide austénite de l’acier, les atomes de carbone ayant un diamètre atomique inférieur à 0,6 fois celui du fer γ.

Pour les solutions solides de substitution, l’étendue de ces phases a été définie par des règles énoncées dès 1926 par le physico-chimiste anglais William Hume-Rothery (1899-1968), en considérant les facteurs suivants :
— facteur dimensionnel : les diamètres atomiques des deux métaux ne doivent pas différer de plus de 14 p. 100 ;
— facteur électrochimique : leur affinité électrochimique doit être voisine ;
— facteur de valence : le soluté doit être de même valence ou de valence plus élevée que celle du solvant.

La limite de solubilité n’est pas en rapport direct avec la concentration en masse ou en atomes du soluté, mais avec sa concentration électronique :

qui atteint au maximum 1,4.

Pour les phases intermédiaires, celles qui présentent un caractère métallique relatif ont été appelées composés électroniques par Hume Rothery ; elles sont caractérisées par leur concentration électronique. Ainsi, pour les alliages de cuivre, les phases ayant une concentration électronique caractéristique possèdent le même système cristallin :

Solidification des alliages. Diagrammes d’équilibre binaires

Un alliage étant obtenu en général par la fusion d’un mélange préalable de plusieurs métaux à l’état solide, il est nécessaire de connaître les domaines de stabilité des phases solide, liquide et même gazeuse pour les diverses compositions. Il est également indispensable de connaître l’ensemble des réactions qui se produisent à l’état solide, en particulier sous l’effet de la température. Ces renseignements sont fournis par les diagrammes d’équilibre de phases, dérivés des diagrammes d’états des métaux purs. Les raisons théoriques expliquant les allures de ces courbes et certains points singuliers des diagrammes sont données par les études de physique théorique, entre autres par la thermodynamique appliquée aux phases en équilibre, par la loi de Josiah Gibbs (1839-1903), ou règle des phases, et par la loi d’équilibre des phases d’Henry Le Chatelier (1850-1936).

Pour un métal pur, l’équilibre des phases, constituant les trois états des corps, est représenté en fonction de la température et de la pression par le diagramme d’états, qui comporte un point T (point triple) d’équilibre des trois phases pour une température définie θ_T et une pression définie ϖ. Pour les métaux, θ_T est supérieure à la température ambiante (sauf pour le mercure) et ϖ inférieure à la pression atmosphérique. Le diagramme d’états tridimensionnel (concentration X, pression P, température T) pour des alliages de deux métaux est dérivé du diagramme bidimensionnel des métaux purs A et B (diagramme PTX).

Dans la majorité des cas, l’étude des alliages se poursuit à pression constante ; la pression atmosphérique et la section isobare du diagramme PTX constituent le diagramme TX d’équilibre des phases d’alliages binaires.

Ce diagramme, représentatif des phases existantes en fonction de la composition des alliages et de la température, correspond toujours à un équilibre physico-chimique stable ; il aide et oriente pour l’étude des alliages, mais ne représente pas parfois la constitution effective des alliages lorsque ceux-ci sont dans un état hors d’équilibre ou, par exemple, lorsque le refroidissement durant la solidification est trop rapide. Il délimite en particulier le domaine des phases solide et liquide suivant deux courbes qui précisent pour un alliage donné, au cours du refroidissement, le début de solidification pour le liquidus et la fin de solidification pour le solidus et inversement au cours du chauffage.

Dans un domaine à deux phases, le diagramme renseigne sur les proportions de phases présentes par application de la règle des mélanges. Si l’on suit le refroidissement de l’alliage de composition X à partir de l’état liquide obtenu par fusion des deux métaux A et B, solubles en toutes proportions, les premiers cristaux solides de concentration s₀ apparaissent à la température θ₀ de début de solidification. À une température plus basse θ, il y a en présence deux phases, l’une liquide, — de concentration l — et l’autre solide, — de concentration s —, dans le rapport des masses inverse de celui des segments correspondants sur l’isotherme considérée :

En poursuivant le refroidissement, les dernières gouttes de liquide disparaissent à la température θ₁ de fin de solidification, tout l’alliage devenant solide.