1. Campus centre
Sciences des Matériaux
Chapitre 3:
Equilibre de phases et thermodynamique
des solides
02/04/2013 Sciences des matériaux 1

2. Campus centre
Rappel
• L'atome est la « brique élémentaire » de la
matière.
• Un matériau est donc composé d'atomes.
• On dénombre une centaine d'atomes
différents, une centaine d'éléments.
• Atome, ses propriétés, leur organisation pour
former la matière permet de comprendre
les principales propriétés des différents
matériaux.
02/04/2013 Sciences des matériaux 2

3. Campus centre
Rappel
• Corps pur: corps ne pouvant pas être décomposé selon les techniques
physiques : décantation (laisser un liquide reposer), filtration, distillation
(chauffer un liquide pour l'évaporer)
• Molécule: plus petite quantité d'un corps pur
• Corps simple: corps pur ne pouvant pas être décomposé selon les
techniques chimiques : précipitation, dissolution (décomposition par un
liquide, par exemple l'eau, l'alcool, un acide), pyrolyse (décomposition par
la chaleur), électrolyse (décomposition par l'électricité)
• Atome : plus petite quantité d'un corps simple ; une molécule de corps
simple peut se composer de plusieurs atomes identiques
• Élément : ensemble d'atomes tous identiques
02/04/2013 Sciences des matériaux 3

4. Campus centre
Rappel
• Le tableau périodique:
02/04/2013 4

5. Campus centre
Rappel
• On distingue deux grandes catégories d'éléments : les métaux
et les non-métaux. La séparation est une ligne diagonale
allant du bore au polonium.
• L'hydrogène, aux très fortes pressions, cristallise et forme un
métal, mais ce phénomène n'ayant pas lieu dans les
conditions habituelles sur Terre, il n'est habituellement pas
considéré comme un métal.
• Pour fixer les idées sur l'abondance des éléments :
– l’élément le plus répandu dans l’Univers est l’hydrogène (étoiles et hydrogène interstellaire) ;
– l’oxygène et le silicium sont les éléments les plus répandus sur Terre (roches) ;
– le cœur de la Terre, le noyau terrestre, est composé de fer (80 %) et de nickel.
02/04/2013 Sciences des matériaux 5

6. Campus centre
Les liaisons chimiques
• La liaison covalente
• La liaison ionique
• La liaison métallique
• La liaison faible ou secondaire
• Le caractère mixte des liaisons
02/04/2013 Sciences des matériaux 6

7. Campus centre
Les liaisons chimiques
02/04/2013 Sciences des matériaux 7

8. Campus centre
Equilibre de phases et
thermodynamique des solides
• La matière change d'état selon la pression
et la température.
• Par exemple, l'eau pure sous pression
atmosphérique est sous forme de glace en
dessous de 0 °C et sous forme de vapeur au
dessus de 100 °C ; le phénomène est un peu
plus complexe puisque l'eau peut s'évaporer à
température ambiante, mais on n'a jamais
d'eau liquide au dessus de 100 °C.
02/04/2013 Sciences des matériaux 8

9. Campus centre
Les phases
• Les substances se présentent sous trois états physiques
distincts : la phase gazeuse, la phase liquide et la phase solide.
• Les trois phases se distinguent par l’espacement et la
mobilité des molécules.
Substance Mélange Substance pure Mélange
pure gazeuse homogène gazeux liquide homogène liquide
02/04/2013 9
Substance pure solide Mélange hétérogène solide

10. Campus centre
Equilibre de phases et
thermodynamique des solides
• On s’intéresse aux changements solide-liquide,
mais aussi les transformations à l'état solide,
toujours sous pression atmosphérique.
• Nous ne prendrons en compte que la
température et la composition chimique de la
matière.
• Diagramme de phases: c’est un diagramme
d’équilibre les variations de température sont
infinies est lentes.
02/04/2013 Sciences des matériaux 10

11. Campus centre
Diagramme de phases
Exemple: eau et sel
02/04/2013 Sciences des matériaux 11

12. Campus centre
Les transitions entre les phases
02/04/2013 Sciences des matériaux 12

13. Campus centre
Les transitions entre les phases
L'état d'équilibre d'un corps pur est déterminé par le triplet
(p, V, T) ou encore un point dans l'espace; l'ensemble des états
d'équilibre forme alors une surface.
02/04/2013 Sciences des matériaux 13

14. Campus centre
Diagramme de
phase d’un corps pur
Pression (kPa)
Point critique
Solide Liquide Gaz
Point triple
Température (°C)
02/04/2013 Sciences des matériaux 14

15. Campus centre
Diagramme de
phase d’un corps pur
Etat physique:
Pression (kPa)
400 Liquide
300
Gaz
Solide
200
100
-100 0 100 200 300
Température (°C)
02/04/2013 Sciences des matériaux 15

16. Campus centre
Diagramme de
phase d’un corps pur
Température de changement de phase:
Pression (kPa)
400 Liquide
300
Gaz
Solide
200
100
-100 0 100 200 300
Température (°C)
02/04/2013 Sciences des matériaux 16

17. Campus centre
Diagramme de phase
d’un mélange binaire
• Il existe une multitude de cas possibles, mais nous n'en verrons
que les trois principaux :
• Diagramme à fuseau unique, dit « à miscibilité complète » ;
• Diagramme à eutectique unique ;
• Diagramme à eutectique et à eutectoïde.
02/04/2013 Sciences des matériaux 17

18. Diagrammes à
Campus centre
miscibilité complète
02/04/2013 Sciences des matériaux 18

19. Diagramme à
Campus centre
miscibilité partielle
02/04/2013 Sciences des matériaux 19

20. Campus centre
Diagramme à
miscibilité partielle
02/04/2013 Sciences des matériaux 20

21. Campus centre
La suite
• Diagramme de phase
02/04/2013 Sciences des matériaux 21

22. Construction d’un
Campus centre
diagramme de phases
• Les courbes du diagramme de phases
déterminent
• les limites de domaines dans lesquels peuvent exister
des phases
• la composition
• les proportions de ces différentes phases
02/04/2013 Sciences des matériaux 22

23. Construction d’un
Campus centre
diagramme de phases
Métal pur Alliage de composition AB
Lorsqu’un métal pur en fusion est refroidi, Pour réaliser un alliage, des proportions
sous pression constante, le changement de définies de constituants différents sont
phase s’effectue toujours à une température fondues et mélangées, puis l’ensemble
fixe : le point de fusion est refroidi.
02/04/2013 Sciences des matériaux 23

24. Construction d’un
Campus centre
diagramme de phases
Pour construire le diagramme de phase d’un alliage binaire A-B, il suffit d’enregistrer les
courbes de refroidissement pour chaque concentration de B dans A en partant de A, métal
pur jusqu’à B, métal pur.
02/04/2013 Sciences des matériaux 24

25. Construction d’un
Campus centre
diagramme de phases
• Diagrammes de phases avec miscibilité totale à l’état solide
La courbe de refroidissement du cuivre avec un
palier à 1084°C et la courbe de refroidissement
du nickel avec un palier à 1453°C. Entre ces
deux extrêmes, les alliages à différentes
concentrations présentent un intervalle de
solidification non isotherme. De 0% de nickel à
100% de nickel, les points d’inflexion
supérieurs qui correspondent au début de la
solidification forment une courbe
appelée liquidus, les points d’inflexion
inférieurs qui correspondent à la solidification
totale forment une courbe appelée solidus.
02/04/2013 Sciences des matériaux 25

26. Construction d’un
Campus centre
diagramme de phases
Diagrammes de phases avec miscibilité totale à l’état solide
1°Composition des phases
 La composition massique global
de l’alliage AB ?
AB
 Composition de l’alliage AB :
Température > liquidus
liquidus>Température >Solidus
Température < Ssolidus
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27. AB

28. Construction d’un
Campus centre
diagramme de phases
• Diagrammes de phases avec miscibilité totale à l’état solide
2°proportion en masse de chaque phase:
Soit :
 fs la proportion d’alliage solide
fl la proportion de l’alliage liquide
Cs la composition de la phase solide
Cl la composition de la phase liquide
Principe de conservation des masses fs + fl = 1
Règle de bras levier ou des segments inversés:
02/04/2013 Sciences des matériaux 28

29. Construction d’un
Campus centre
diagramme de phases
• Diagrammes de phases avec miscibilité totale à l’état solide
2°proportion en masse de chaque phase:
Température Cs Cl fs fs
02/04/2013 Sciences des matériaux 29

30. Application 1
02/04/2013 Sciences des matériaux 30

31. Application 1
• Remplir le tableau suivant sachant que la composition de
l’alliage est :
 40% sb et 60% Bi
Température Cs Cl fs fs
02/04/2013 Sciences des matériaux 31

32. Application 2
• Soit le tableau de solidus et liquidus du Ge-Si:
Composition en %m de Si Température Solidus Température liquidus
0 938 938
10 1005 1147
20 1065 1226
30 1123 1278
40 1178 1315
50 1232 1346
60 1282 1367
70 1326 1385
80 1359 1397
90 1390 1408
100 1414 1414
02/04/2013 Sciences des matériaux 32

33. Application 2
• Faire le diagramme d’équilibre
• Identifier chaque région
• On mélange 8.43g de Si et 14.52g de Ge
– Déterminer la fraction massique globale du Si
– Déterminer la nature et la composition massique de chaque phase à
1200°C
– D2terminer les masses des phases en présence à 1200°C
02/04/2013 Sciences des matériaux 33

34. Construction d’un
Campus centre
diagramme de phases
• Diagrammes de phases avec miscibilité partielle à l’état solide
Diagrammes avec point eutectique
Eutectique (v=0 ) en E: liquide « solide (A) + solide (B)
Eutectique simple Eutectique avec solution solide partielle
02/04/2013 Sciences des matériaux 34

35. Construction d’un
Campus centre
diagramme de phases
• Diagrammes de phases avec miscibilité partielle à l’état solide
Péritectique (v=0 ) en P: solide AB —› liquide (L) + solide (B)
02/04/2013 Sciences des matériaux 35

36. Construction d’un
Campus centre
diagramme de phases
• Diagrammes de phases avec miscibilité partielle à l’état solide
02/04/2013 Sciences des matériaux 36

37. Construction d’un
Campus centre
diagramme de phases
• Diagrammes avec point eutectoïde
• Le mécanisme de la transformation eutectoïde est très
ressemblant à la transformation eutectique, mais au cours de
cette transformation, c’est une phase solide qui se transforme
simultanément en deux nouvelles phases solides (Le
diagramme de phases Fer-Carbone est présenté en
annexe). y↔α+ß
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38. Construction d’un
Campus centre
diagramme de phases
• Diagrammes avec point péritectique
• Dans une transformation péritectique, une phase
liquide et une phase solide se transforment en
une seule phase solide de composition définie. Le
point péritectique (point P, figure 13) est
invariant, à température fixe avec un équilibre
entre les trois phases.
α+L↔ß
02/04/2013 Sciences des matériaux 38

39. Campus centre
Application 3
02/04/2013 Sciences des matériaux 39

40. Campus centre
Application 3
• Le nom du point (0,6 ; 62)
02/04/2013 Sciences des matériaux 40