Chapitre 2 matériaux

Sciences des matériaux 1

Sciences des Matériaux

Chapitre 3:

Equilibre de phases et thermodynamique des solides

12/04/2023

Campus centre

12/04/2023 Sciences des matériaux 2

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.

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

Campus centre

12/04/2023 4

Rappel

• Le tableau périodique:

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.

Campus centre


Les liaisons chimiques

• La liaison covalente • La liaison ionique • La liaison métallique• La liaison faible ou secondaire • Le caractère mixte des liaisons

Campus centre


Les liaisons chimiques Campus centre



• 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.

Campus centre

12/04/2023 9

Les phases Campus centre

• 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 pure gazeuse

Substance pure solide

Mélange homogène gazeux

Mélange homogène liquide

Substance pure liquide

Mélange hétérogène solide



• 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.

Campus centre


Diagramme de phasesCampus centre

Exemple: eau et sel


Les transitions entre les phasesCampus centre


Les transitions entre les phasesCampus centre

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.


Diagramme de phase d’un corps pur

Campus centre

Température (°C)

Pression (kPa)

Point triple

Point critique

Solide Liquide Gaz



Campus centre

Température (°C)

Pression (kPa)

100

200

300

400

-100 0 100 200 300

Liquide

Solide Gaz

Etat physique:



Campus centre

Température (°C)

Pression (kPa)

100

200

300

400

-100 0 100 200 300

Liquide

Solide Gaz

Température de changement de phase:


Diagramme de phase d’un mélange binaire

Campus centre

• 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.


Diagrammes à miscibilité complèteCampus centre


Diagramme à miscibilité partielleCampus centre


Diagramme à miscibilité partielle

Campus centre


La suite

• Diagramme de phase

Campus centre


Construction d’un 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

Campus centre


Construction d’un diagramme de phasesCampus centre

Alliage de composition ABMétal pur

Lorsqu’un métal pur en fusion est refroidi, sous pression constante, le changement de phase s’effectue toujours à une température fixe : le point de fusion

Pour réaliser un alliage, des proportions définies de constituants différents sont fondues et mélangées, puis l’ensemble est refroidi.


Construction d’un diagramme de phasesCampus centre

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.

http://umvf.univ-nantes.fr/odontologie/enseignement/diagramme/site/html/images/figure3.jpg



• Diagrammes de phases avec miscibilité totale à l’état solide

Campus centre

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.

12/04/2023 26


Diagrammes de phases avec miscibilité totale à l’état solide 1°Composition des phases

Campus centre

La composition massique global de l’alliage AB ?

Composition de l’alliage AB :

Température > liquidusliquidus>Température >Solidus Température < Ssolidus

AB



• Diagrammes de phases avec miscibilité totale à l’état solide2°proportion en masse de chaque phase:

Campus centre

Soit :

fs la proportion d’alliage solidefl 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

Règle de bras levier ou des segments inversés:

fs + fl = 1



• Diagrammes de phases avec miscibilité totale à l’état solide2°proportion en masse de chaque phase:

Campus centre

Température Cs Cl fs fs


Application 1


Application 1

• Remplir le tableau suivant sachant que la composition de l’alliage est : 40% sb et 60% Bi

Température Cs Cl fs fs


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


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



• Diagrammes de phases avec miscibilité partielle à l’état solide

Campus centre

Diagrammes avec point eutectiqueEutectique (v=0 ) en E: liquide « solide (A) + solide (B)

Eutectique simple Eutectique avec solution solide partielle




Campus centre

Péritectique (v=0 ) en P: solide AB —› liquide (L) + solide (B)




Campus centre



• 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

Campus centre



• 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

Campus centre


Application 3Campus centre


Application 3

• Le nom du point (0,6 ; 62)

Campus centre

Chapitre 2 matériaux

Education

Transcript of Chapitre 2 matériaux