Science et génie des matériaux IV – transformations allotropiques
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Science et génie des matériaux
IV – transformations allotropiques
David Horwat
EEIGM – 3° étage
Définition: L'allotropie (du grec allos : autre et tropos matière) est, en chimie, la faculté de certains corps simples d'exister sous plusieurs formes cristallines ou moléculaires différentes.
Les transformation allotropiques sont induites par les conditions extérieures (température et pression).
Carbone graphite Carbone diamant
Origine des transformations allotropiques
A pression constante un matériau cherche à prendre la forme structurale qui permet de minimiser son enthalpie libre G = H - TS.
H, l’enthalpie est l’énergie stockée dans les liaisons chimiques. Elle est fonction de la température et de la pression imposées (voir partie 3).
S est l’entropie. Elle est liée au désordre, nous détaillerons sa signification et son influence dans la partie VI.
Pour un corps donné toutes les structures sont a priori envisageables. La structure d’équilibre est celle qui présente la plus faible enthalpie libre.
L’enthalpie libre G de chacune des structures possibles évolue avec la température
Origine des transformations allotropiques
G
G
Température
Enthalpie libre G
Tc
Phase Phase
Tc est la température critique à laquelle se produit théoriquement la transformation allotropique <=>
Transformation allotropique induite thermiquement à pression constante
G->
T
Notions de thermodynamique et de cinétique
La phase d’équilibre à la température T est la phase La transformation allotropique -> est possible
Une énergie d’activation G* résiste à la transformation. La transformation se
produit à la vitesse
Le matériau est chauffé depuis les basses températures jusqu’à la température T
Le même type d’approche peut être appliquée pour les transformations allotropiques à température constante et pression variable.
Transformations allotropiques des métaux purs
Influence de la température
Transformations sans changement de volume
1340°C
Transformations avec changement de volume
Influence de la température
Redevient CC
Transformations avec changement de volume
Influence de la température
V = 26 %
Structure cubique diamant Structure quadratique centrée
Influence de la température
Certains métaux présentent plus de deux formes allotropiques par exemple:
Influence de la pression
G
G
Pression
Energie libre G
140 kbarPhase Phase
Intérêt des transformations allotropiques
Lorsque plusieurs formes allotropiques existent, il est possible de contrôler la structure d’équilibre par des traitements thermomécaniques
Les conséquences pour les propriétés du matériau sont nombreuses :
• Affinement des grains
• Durcissement structural (voir partie 5)
etc