Campus centre                  Sciences des Matériaux                         Chapitre 3:             Equilibre de phases ...
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Campus centre                     Diagramme de                   phase d’un corps purEtat physique:                       ...
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Campus centre                  Diagramme de phase                  d’un mélange binaire • Il existe une multitude de cas p...
Diagrammes à Campus centre                 miscibilité complète02/04/2013             Sciences des matériaux   18
Diagramme à Campus centre                 miscibilité partielle02/04/2013             Sciences des matériaux   19
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Application 2• Soit le tableau de solidus et liquidus du Ge-Si:Composition en %m de Si     Température Solidus           T...
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Construction d’un Campus centre                 diagramme de phases• Diagrammes avec point eutectoïde• Le mécanisme de la ...
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Campus centre                 Application 302/04/2013          Sciences des matériaux   39
Campus centre                 Application 3• Le nom du point (0,6 ; 62)02/04/2013          Sciences des matériaux   40
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Chapitre 2 matériaux

  1. 1. Campus centre Sciences des Matériaux Chapitre 3: Equilibre de phases et thermodynamique des solides02/04/2013 Sciences des matériaux 1
  2. 2. Campus centre Rappel• Latome est la « brique élémentaire » de la matière.• Un matériau est donc composé datomes.• On dénombre une centaine datomes différents, une centaine déléments.• 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. 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 lévaporer)• Molécule: plus petite quantité dun corps pur• Corps simple: corps pur ne pouvant pas être décomposé selon les techniques chimiques : précipitation, dissolution (décomposition par un liquide, par exemple leau, lalcool, un acide), pyrolyse (décomposition par la chaleur), électrolyse (décomposition par lélectricité)• Atome : plus petite quantité dun corps simple ; une molécule de corps simple peut se composer de plusieurs atomes identiques• Élément : ensemble datomes tous identiques02/04/2013 Sciences des matériaux 3
  4. 4. Campus centre Rappel• Le tableau périodique:02/04/2013 4
  5. 5. Campus centre Rappel• On distingue deux grandes catégories déléments : les métaux et les non-métaux. La séparation est une ligne diagonale allant du bore au polonium.• Lhydrogène, aux très fortes pressions, cristallise et forme un métal, mais ce phénomène nayant pas lieu dans les conditions habituelles sur Terre, il nest habituellement pas considéré comme un métal.• Pour fixer les idées sur labondance 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. 6. Campus centre Les liaisons chimiques• La liaison covalente• La liaison ionique• La liaison métallique• La liaison faible ou secondaire• Le caractère mixte des liaisons02/04/2013 Sciences des matériaux 6
  7. 7. Campus centre Les liaisons chimiques02/04/2013 Sciences des matériaux 7
  8. 8. Campus centre Equilibre de phases et thermodynamique des solides• La matière change détat selon la pression et la température.• Par exemple, leau 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 leau peut sévaporer à température ambiante, mais on na jamais deau liquide au dessus de 100 °C.02/04/2013 Sciences des matériaux 8
  9. 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. 10. Campus centre Equilibre de phases et thermodynamique des solides• On s’intéresse aux changements solide-liquide, mais aussi les transformations à létat 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. 11. Campus centre Diagramme de phases Exemple: eau et sel02/04/2013 Sciences des matériaux 11
  12. 12. Campus centre Les transitions entre les phases02/04/2013 Sciences des matériaux 12
  13. 13. Campus centre Les transitions entre les phasesLétat déquilibre dun corps pur est déterminé par le triplet(p, V, T) ou encore un point dans lespace; lensemble des étatsdéquilibre forme alors une surface. 02/04/2013 Sciences des matériaux 13
  14. 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. 15. Campus centre Diagramme de phase d’un corps purEtat 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. 16. Campus centre Diagramme de phase d’un corps purTempérature 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. 17. Campus centre Diagramme de phase d’un mélange binaire • Il existe une multitude de cas possibles, mais nous nen 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. 18. Diagrammes à Campus centre miscibilité complète02/04/2013 Sciences des matériaux 18
  19. 19. Diagramme à Campus centre miscibilité partielle02/04/2013 Sciences des matériaux 19
  20. 20. Campus centre Diagramme à miscibilité partielle02/04/2013 Sciences des matériaux 20
  21. 21. Campus centre La suite • Diagramme de phase02/04/2013 Sciences des matériaux 21
  22. 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 phases02/04/2013 Sciences des matériaux 22
  23. 23. Construction d’un Campus centre diagramme de phases Métal pur Alliage de composition ABLorsqu’un métal pur en fusion est refroidi, Pour réaliser un alliage, des proportionssous pression constante, le changement de définies de constituants différents sontphase s’effectue toujours à une température fondues et mélangées, puis l’ensemblefixe : le point de fusion est refroidi. 02/04/2013 Sciences des matériaux 23
  24. 24. Construction d’un Campus centre diagramme de phasesPour construire le diagramme de phase d’un alliage binaire A-B, il suffit d’enregistrer lescourbes de refroidissement pour chaque concentration de B dans A en partant de A, métalpur jusqu’à B, métal pur. 02/04/2013 Sciences des matériaux 24
  25. 25. Construction d’un Campus centre diagramme de phases • Diagrammes de phases avec miscibilité totale à l’état solideLa courbe de refroidissement du cuivre avec unpalier à 1084°C et la courbe de refroidissementdu nickel avec un palier à 1453°C. Entre cesdeux extrêmes, les alliages à différentesconcentrations présentent un intervalle desolidification non isotherme. De 0% de nickel à100% de nickel, les points d’inflexionsupérieurs qui correspondent au début de lasolidification forment une courbeappelée liquidus, les points d’inflexioninférieurs qui correspondent à la solidificationtotale forment une courbe appelée solidus. 02/04/2013 Sciences des matériaux 25
  26. 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 globalde l’alliage AB ? AB Composition de l’alliage AB :Température > liquidusliquidus>Température >SolidusTempérature < Ssolidus 02/04/2013 26
  27. 27. AB
  28. 28. Construction d’un Campus centre diagramme de phases• Diagrammes de phases avec miscibilité totale à l’état solide2°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 liquidePrincipe de conservation des masses fs + fl = 1Règle de bras levier ou des segments inversés:02/04/2013 Sciences des matériaux 28
  29. 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. 30. Application 102/04/2013 Sciences des matériaux 30
  31. 31. Application 1 • Remplir le tableau suivant sachant que la composition de l’alliage est :  40% sb et 60% BiTempérature Cs Cl fs fs 02/04/2013 Sciences des matériaux 31
  32. 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 141402/04/2013 Sciences des matériaux 32
  33. 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°C02/04/2013 Sciences des matériaux 33
  34. 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. 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. 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. 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+ß02/04/2013 Sciences des matériaux 37
  38. 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↔ß02/04/2013 Sciences des matériaux 38
  39. 39. Campus centre Application 302/04/2013 Sciences des matériaux 39
  40. 40. Campus centre Application 3• Le nom du point (0,6 ; 62)02/04/2013 Sciences des matériaux 40

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