Science et génie des matériaux

IV – transformations allotropiques

David Horwat

EEIGM – 3° étage

David.horwat@ijl.nancy-universite.fr

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