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S.BENSAADA
METAUX ET ALLIAGES FERREUX
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PREFACE
La gense dune innovation technologique est constitue par lensemble des faits scientifiques
et techniques qui ont concouru sa formation. La connaissance approfondie de cette
phase pralable, difficile observer quand elle est en cours, mais pourrait se reconstituer,
posteriori, est essentielle pour tenter de prvoir et de diriger le flux des changements
techniques tout le long des diffrentes tapes des dveloppements scientifiques. Les matriaux en
gnral et les mtaux en particulier constituent un rle important pour tout dveloppement
industriel ou progrs technologique. Une grande partie de l'activit conomique des pays
industrialiss est rattache aux matriaux. Vu les exigences de l'industrie moderne, de
nombreux programmes de recherche sont en route pour le dveloppement d'autres matriaux
plus performants et moins coteux tels que les composites, les cramiques, les polymres etc.,
mais les alliages mtalliques occupent toujours une place importante, car les caractristiques de
ces derniers s'amliorent de jour en jour grce aux recherches.
Les proprits d'emploi des mtaux et alliages sont dtermines en grande partie par la
morphologie et le degr de dispersion des phases qui les constituent, c'est--dire par la
microstructure. Aujourd'hui matriser les microstructures en vue d'optimiser telle ou telle
proprit est ralisable par des traitements thermiques ou thermomcaniques appropris, qui
sont fonds sur les possibilits de transformations structurales.
Cet ouvrage traite les fondements technologiques de llaboration des mtaux non ferreux, leurs
dsignations ainsi que leurs transformations et les traitements thermiques subir. Elle expose
profondment les aspects purement mtallurgiques des sciences des matriaux. Ltudiant aura
simprgner de lensemble des techniques et des oprations ncessaires lextraction,
llaboration et laffinage des mtaux lgers et leurs alliages.
Lauteur
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1. Notions de cristallographie
La cristallographie est une science qui tudie les cristaux c-a-d la formation, la croissance, la forme
extrieure, la structure interne et les proprits physiques de la matire cristallise. Le mot cristal
son origine grecglace. C'est au 19me
sicle que la cristallographie se dgageaprogressivement dela minralogie et se rapprocha de la physique et de la chimie en devenant une science indpendante.
Les figures 1 et 2 reprsentent respectivement :
- des cristaux de neige.
- des cristaux de bloc d'aluminium refroidit, dont la surface est polie et attaque par un
agent chimique, les cristaux allongs sur le contour partir desquels le refroidissement
est parti et les petits grains de cristaux au cur.
Fi g. 1
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Fig.2
1.1.Corps cristallins et corps amorphes
Par structure cristalline on entend l'arrangement des atomes dans un cristal. Un cristal est dfini comme
tant un corps solide qui a une structure rticulaire et se composant d'atomes (ions) rpartis suivant une
succession dtermine qui se produit priodiquement dans les trois dimensions. L'absence de structure
rticulaire caractrise le corps amorphe. Les proprits des corps amorphes diffrent largement de celle
des corps cristallin. Les corps amorphe sont caractriss par la disposition chaotique de leurs atomes cequi donne une structure interne dsordonne (comme un liquide). Un corps amorphe n'a pas de forme
gomtrique naturelle, ils sont assimils des liquides figs.
Les corps amorphes sont caractriss par :
- L'absence d'une temprature de fusion nettement dtermine.
- L'isotropie (mmes proprits dans les diffrentes directions) surtout les proprits physiques.
- On trouve ainsi une diffrence caractristique dans les courbes de refroidissement des corps amorphes
et cristallin, le refroidissement des corps amorphes se traduit par une courbe dcroissante et continue
(fig.3) :
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M : dbut desolidification
N : fin de solidification Fig.3
Tandis que celui des corps crist al lin prsente un palier en temprature qui marque dbut et fin de
solidification (cristallisation) : Tous les corps solides peuvent tre amorphes ou cristallins, il existe un
grand nombre de corps solides amorphes. Les verres reprsentent un exemple bien connu des corps
amorphes, les Si04composants les verres sont dsorients les uns par rapport aux autres (fig.4) dans
un solide ils seraient rpartis rgulirement (fig.).
Fig.4 Fig.5
Structure amorphe Structure cristalline
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Aujourd'hui les solides amorphes reprsentent un grand intrt dans le domaine de la technologie. Les
semi-conducteurs amorphes peuvent remplacer des composants lectroniques. Des mmoires
d'ordinateurs ont ts labores partir de matriaux amorphes.
Dans le mme ordre d'ide, les liquides ne sont pas tous amorphes. Certains d'entre eux prsentent
une organisation priodique et les molcules s'orientent les unes par rapport aux autres au sein du
liquide. C'est le cas des cristaux liquides dont les proprits optiques dpendent troitement des
perturbations extrieures (temprature, pression, champ lectrique ou magntique). Il s permettent la
transformation de signaux de nature diverses en signaux optiques, le cas de la tlvision ultraplat
s'accrochant au mur.
1.2. Proprits des corps cristallins
Les corps cristallins sont caractriss par les proprits suivantes :
a) ils sont caractriss par une certaine anisotropie (les proprits physiques ne sont pas les mmes
dans les diffrentes directions) l'anisotropie peut tre constate l'chelle macro et microscopique.
b) Un matriau cristallin peut prsenter soit :
- un monocristal (cristal unique) par ex : cristal de quartz, de calate, de diamant etc...
- ou un polycristal ou une agglomration de petits cristaux (chantillon d'acier).
c) Les cristaux sont caractriss par des faces planes, des artes rectilignes et des sommets tels que :
F -i- S - A + 2 F: faces, S : sommets, A : artes. Les faces sont caractrises par deux lois :
Si l'on rapporte les diffrentes faces d'un cristal un systme de coordonnes 3 dimensions, la
position d'une face quelconque peut toujours tre exprime par trois nombres entiers simples. Si on
fait intervenir la notion du rseau tridimensionnel la position de tout point du rseau peut tre
indique par des coordonnes par rapport un systme d'axe dont l'origine est place en un nud du
rseau (fig.6).
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Fig.6
d) Constante des angles didres : l'angle form par deux faces dtermines est constant dans tous les
cristaux d'une mme espce chimique. Si nous coupons un cristal de quartz perpendiculairement
l'axe vertical on obtient plusieurs configurations mais avec des angles rigoureusement gaux (120),
(fig.7).
(fig.7) coupes transversales
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e) La plupart des cristaux se comportent d'une faon inattendue par rapport la lumire. Les
rayons lumineux se propagent des vitesses diffrentes dans les milieux cristallins.
f) Les proprits d'un cristal peuvent avoir la mme valeur dans plusieurs directions et l'on dcle
suivant ces directions une symtrie de diverses natures.1.3. Structure rticulaire
Pour expliquer les particularits observes dans les cristaux on doit admettre que tout corps
cristallin a une structure ordonne rticulaire qui est indpendante de la nature et de la forme des
particules matrielles lmentaires constituant le cristal. Donc pour reprsenter schmatiquement
une structure cristalline on emploie un rseau trois dimensions (fig.8), l'exemple du rseau de
NaCl.
O ion de Cl- et o ion de Na+
Fig.8
Un rseau cristallin est constitu par un assemblage d'atomes (ions) arrangs suivant un motif qui se
reproduit priodiquement dans les trois dimensions. Donc un rseau cristallin est un rseau spatial
imaginaire ayant pour nud les atomes (sommet des paralllpipdes) les droites passant par ces
nuds sont appel rangs. Tous les nuds sont groups dans des plans parallles quidistants
appels plans rticulaires, la distance entre deux plans voisins de la mme famille est la distance
interrticulaire.
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Tous les paralllpipdes qui ont pour sommets les nuds sont appels maille du rseau c-a-d le
volume minimal d'un cristal qui permet djuger de la structure atomique du volume tout entier
s'appelle maille cristalline lmentaire (fig. 10) :
Rseau cristallin + motif = structure cristalline
Fig.9
La maille lmentaire : c'est aussi le plus petit paralllpipde qui permet de
reproduire tous les rseaux tridimensionnels par translation continue de ces lments
suivant les trois directions. Un rseau cristallin d'un solide est compos d'un nombreinfini de mailles lmentaires l'intrieur desquelles les atomes sont disposs dans
un ordre bien dfini.
Motif :c'est la reproduction indfiniment et rgulirement des atomes ou ions dans le
cristal, l'ensemble rgulier de motifs est appel rseau.
- contrairement au motif le nud n'a pas de ralit physique.
- La range du rseau est un ensemble de nuds aligns, c'est une droite passant par des
nuds du rseau. La distance qui spare deux nuds conscutifs d'une range est appelepriode ou paramtre de range.
Maille du rseau : Le rseau est thoriquement infini, ainsi pour le dcrire, on choisit
une unit structurale qui le reproduit par translation. Cette unit c'est la maille
lmentaire. On distingue la maille simple ou primitive et la maille multiple.
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a) Maille simple ou primitive
Dont les sommets sont constitus de huit nuds tous voisins quelque soit la range considre, elle ne
contient de nuds ni dans son volume, ni sur ses faces, ni sur ses artes. On dsigne la maille
primitive par la lettre P, il y a autant de maille P que de nuds dans le rseau, en effet chaque nud
est commun huit mailles P et chaque maille P correspond huit nuds. A chaque maille on peut
donc associer un nud.
Fig.10
Si chaque nud est commun 8 mailles P donc cette dernire contient : 1 / 8 x 8 = 1 atome
Pour toute maille lmentaire :
- Les nuds l'intrieur des mailles comptent pour 1.
- Les nuds aux sommets des mailles comptent pour 1/8.
- Les nuds sur les artes des mailles comptent pour 1/4.
Les nuds sur une face de maille comptent pour 1/2.
La figure 11 ci-dessous nous montre une coupe schmatique d'une maille cubique faces
centres montrant la proportion 1/8 au niveau de chaque sommet et la proportion 1/2 pour chacun
des atomes situs sur les faces.
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.
Fig.11
b) Mailles multiples
Dans la catgorie des mailles multiples en plus des huit sommets du paralllpipde, elles
contiennent des nuds dans le volume ou sur les faces, d'o on distingue :
Maille multiple centre
Elle est dsign par l'abrviation I elle contient des nuds aux sommets et un nud au centre du
paralllpipde, c'est une maille double.
Sommets :
Fig.12
8x1/8=1
et 1 au centre
au total 1 + 1 = 2
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1.4. Systmes cristallins (les 14 rseaux de Bravais)
A partir de la maille cristalline lmentaire on peut dcrire de faon simple les systmes cristallins
existant dans la nature. En combinant les diffrentes relations entre les paramtres a, b, c et les
angles a, P, y du tridre de rfrence (paramtres angulaire), Bravais a dtermin 14 rseaux
tridimensionnels fondamentaux. Ils sont de quatre modes diffrents (multiplicit).
- Rseaux simples ou primitifs P.
- Rseaux bases centres A, B ou C selon le type de faces centres.
- Rseaux centrs I.
- Rseaux faces centres F.
Fig.15
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Les sept systmes cristallins qui existent et qui forment les rseaux de Bravais sont (fig.16):
A : Systme triclinique : Le cristal fondamental est un paralllpipde oblique. Il n'admet qu'un
seul centre de symtrie l'intersection des diagonales. 11 possde donc :
1 centre de symtrie.
a # b #c
# # (#90, ingaux, mais voisins de 90).
1 seul mode qui est le pr imit if
B: Systme monoclinique : Le cristal fondamental est un prisme droit sur une base rhombique
(en losange) inclin dans une seule direction. Il admet :
1 centre de symtrie.
1 seul axe de symtrie.
a # b #c
== 90
=90
. 2 rseaux de Bravais : primitif (P) et bases centres (C).
C : Systme orthorhombique: La forme gomtrique est un prisme droit base rectangulaire. Il
possde :
3 axes d'ordre 2
1 seul axe de symtrie
(a = b) # c
= = = 90
4 rseaux de bravais : primitif (P), bases centres (C), centr (I), et faces centres
(F).
D: Systme quadratique: Lecristal fondamental est un prisme droit a base carre. il
admet :
3 axes d'ordre 4
4 axes d'ordre 2 : dont deux sont orthogonaux entre eux.
(a = b) # c
= = = 90
2 rseaux de Bravais : primitif (P) et centr (I).
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E : systme cubique :La forme fondamentale est un cube. Il a :
3 axes d'ordre 4
4 axes d'ordre 3
6 axes d'ordre 2
a = b = c
= = = 90
3 rseaux de Bravais : primitif (P), centr (I), et faces centres (F)
F : Systme rhombodrique: la gomtrie fondamentale est limite par 6 losange gaux. Il admet :
1 centre de symtrie
1 axe d'ordre 3
3 axes d'ordre 2 a = b = c
= = # 90
1 seul rseau de Bravais : primitif (P).
G : Systme hexagonal: le cristal est un prisme droit base hexagonale. Il a :
1 centre de symtrie
1 axe d'ordre 6
6 axes d'ordre 2 (a = b) # c
= = 90 , = 120
1 seul rseau de Bravais : (P).
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Fig.16
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Le rseau de la majorit des mtaux utiliss dans l'industrie s'tablit d'aprs un des systmes
suivant symtrie leve et empilement compact des atomes : cubique centr, cubique faces
centres et hexagonal.
Les mtaux qui ont le rseau
Cubique centre :
Rb, K, Na, Ti, TL, Zr, Ta, W, V, Fe,Cr, Nb, Ba, etc..
Cubique faces centres :
Caa, Ce, Sra , Th, Pb, Se, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Rh, Ir, Fe, Cu, Coetc..
Hexagonal
Hf, Mg, Ti, Cd, Re, Os, Ru, Zn, Co, Be, Ca, V, La, TL, Zretc..
Un rseau hexagonal est compos d'atomes placs aux sommets et au centre des bases hexagonales
du prisme, trois atomes se trouvent dans le plan mdian du prisme, donc il compte 17 atomes.
Fig.18
Le rseau hexagonal ne contient pas d'atomes au plan mdian. La maille lmentaire d'un
rseau hexagonal compte 6 atomes :
1 2 x 1 / 6 + x 2 + 3 = 6 atomes
1.5 Densit du rseau
La densit du rseau cristallin c-a-d le volume occup par les atomes qu'on peut considrer comme
des sphres suffisamment rigides est caractrise par l'indice de coordination ou coordinence, terme
qui indique le nombre d'atomes situs une distance gale et minimale de l'atome considr, plus la
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coordinence est grande, plus l'empilement des atomes est compact. La distance minimale entre les
atomes d'une maille lmentaire cubique correspond a3/2, c'est la distance qui spare l'atome
considr de ses 8 voisins, on en dduit que la coordinence de ce rseau est gale 8 (C8) et le
coefficient d'empilement (rapport du volume occup par les atomes au volume de la maille)
vaut 68%.
Fig. 19
Pour une maille cubique faces centres, la coordinence est gale 12 (Cl2), chaque atome
comptant 12 voisins situs une distance minimale d= a3/2, ce qui correspond la compacit
maximale de l'empilement sous forme de sphres.
Fig.20
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L'indice de coordinence du rseau hexagonal compact dont le rapport C/a = 1,633 est 12(H12) ce
qui correspond galement une densit maximale. Lorsque la valeur de C/a se distingue nettement
de 1,63 (cas du zinc et du cadmium) la coordinence du rseau hexagonal est gale 6.
Fig.21
1.6. Notions des plans ou faces cristallographiques
On peut dterminer la position dans l'espace de chaque face cristallographique au moyen de trois
nombres entiers. Pour cela on prend comme axes de coordonnes trois artes de la maille
lmentaire et comme unit de longueur les modules de trois vecteurs de base de la maille Z.
Fig.22
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En 1838 Weis proposa une mthode qui consiste aprs avoir dfini le tridre de rfrence
dterminer dans l'espace l'orientation de chaque face cristalline l'aide de trois caractristiques
numriques p, q, et r. On peut reprer les faces du prises dans le systme d'axes de coordonnes ox,
oy et oz par a1 b1 c1 et a2b3 c6 (fig.23). La face a1 b1 C1 intercepte une seule quidistance sur
chacun des axes ox oy oz (fig.23).
Oa1, Ob1 et Oc1 o le rapport p :q :r = 1 :1 :1
a2b3 c6ou le rapport p :q :r = 2 :3 :6
L'ensemble de ces trois nombres (1 ,1 ,1) pour la premire face et (2,3,6) pour la deuxime face
sont les indices de Weiss des deux faces.
Fig.23
En 1839 Miller proposa une mthode beaucoup plus commande qui est actuellement d'un emploi
universel; il a remplac les caractristiques numriques de Weiss p, q, r par leur inverse 1/p, I/q, 1/r,
en gnral on obtient 3 fractions infrieures l'unit et dont les rapports rciproques sont exprims
par trois nombres entier premiers ente eux appels indice de Miller et nots (hkl):
h=1/p , k = l/q , l=1/r
Donc les indices de Weiss sont (2, 3, 6) et ceux de Miller hkl = (1/2, 1/3, 1/6)
Remarques :
a) Les indices de faces ou de plans sont toujours mis entre parenthses sans sparation.
b) Un indice ngatif par exemple (-h) est dsign par (h), (-2)-> (2).
c) Un plan parallle un axe le coupe l'infini, son indice de Miller (valeur rciproque)
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correspond cet axes est 1/QO = 0.
d) Une famille de plans (h k 1) est dsigne par une accolade {hkl} .
Exemple de notation pour les plans d'un cube (fig.24)
Fig.24
Chaque plan du cube ne coupe qu'un seul axe, les segments tant gaux.
Pour les faces avant, droite, suprieure ont respectivement ( 1, , ) ; ( , 1,); (, ,1) les valeursinversement proportionnelles aux segments tranchs sont respectivement 1,0,0 ; 0,1,0 ; 0,0,1 mais
il est d'usage de mettre les indices des plans h k 1 entre parenthses et de ne pas les sparer par des
virgules (1 0 0), (0 1 0), (0 0 1) pour les faces arrires, gaucheet infrieure ont respectivement (100),
(010), (001).Le rseau cubique, en plus des plans de cube compte des plans octadriques (fig.24)
(111) et des plans dcadrhombique (fig.24) (110 ).
1.7. Indices de directions
On entend par direction cristallographique, la ligne droite qui joint au minimum 2 nuds. Pour
dterminer les indices de direction dans un systme d'axes de coordonnes, on choisit la ligne
parallle la direction et qui passe par l'origine. Pour la suite on dtermine les coordonnes du nud
le plus proche, les nombres ainsi dtermins sont appels indices cristallographiques de direction et
sont nots [uvw]. Les droites de direction sont toujours perpendiculaires aux plans qui ont leurs
mmes indices (fig.25)
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Fig.25
Exemples avec solutions
Exemple 1 : Donner les dfinitions des termes suivants, relatifs un cristal cubique parfait : Face,
arte, sommet, axe diagonal, axe principal
Rponse 1 :
- Face surface plane extrieure dlimitant le cristal.
- Arte ligne d'intersection de deux faces continues.
- Sommet point sur lequel se joignant 3 faces contigus du cube.
- axe diagonal ou secondaire -droite joignant deux sommets diamtralement opposs.
- Axe principal droite joignant le centre de deux faces apposes.
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Rponse 2 : les indices de Miller sont hkl qui remplacent les caractristiques numriques
de Weiss p q r : h = 1/p k = 1/q 1 = 1/r
Donc on obtient trois fonctions infrieures l'unit et dont les rapports rciproques sont exprims
par trois nombres entiers premiers :
Face ABC : p = + 2 q = - 3 r = + 3
(hkl) = (1/p 1/q 1/r) = (1/2,-1 /3, 1/3)
hkl = (1/2-1/3 l/3).6= (3 2 2)
Face EFG : p = - 1 q = + 3 r = - 2
(1/p, 1/q, 1/r) = (-1,1/3,-1/2)
hkl -(-1 m-U2).6= (6 2 3)
Exemple 3 :dans le systme cubique suivant :
a) Indexer les 6 faces du cube.
b) Indexer les faces AEGC, EDG, AFGDI
c) Identifier les faces (100), (1 10), (110), (101)
d) Indiquer les directions [l l0], [l 1 l], [010], [101]
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Rponse 3 :
a) les six faces du cube : AEFB = (100), DCGH = (100), BFGH = (010), AEHD ABCD = (001),
EFGH = (001).
(p q r) = (1, , ) => (hkl) = [1/p, 1/q, 1/r ] = [ 1/1, 1/, 1/]
b) les faces AEGC, EDG, AFGD :
AEGC = (110), EDG = (1, 1, 1) AFGD = (011)
c) (100) = AEBF, (110)= AEGC, (110)=FBDH, (l0l) = ABGH
d) [l 10]= HF [l 11] =HB [010]= HG [101]= HA
Exemple 4
a) indexer les directions schmatises par les flches.
b) indexer les plans HGFE, HUE, HCBE, HKLE, HDAE.
Fig.29
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Rponse 4
EA[100],ED[101],HE[001],EC[111], HB[111], AF[110],EF[010]
Les plans :
HGFE = (100), HIJE = (1/2 10), ),
Exemple 5 :
Indexer les 8 faces d'une maille hexagonale lmentaire.
Fig.30
Rponse 5
Faces latrales
abhg = (1010)
bcih= (0110)cdji = (1100), edjk = (1010)fekl = (0110)
afig= (1100)
Bases
abcdefa = (0001), ghijklg= (0001)
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Exemple 6
Soit une maille cristalline cubique faces centres ayant une arte a = 4 dterminer :
a) le nombre d'atomes par unit de surface dans le plan (110) et (111).
b) La densit d'atomes par unit de longueur suivant les directions [110] et [111].
c) Rponse 6
Maille CFC avec les plans (110) et (111)
110
Fig.31
a) Nombred'atomesparunitdesurface
plan (1 10)
Nombred'atomescentredesfaces:2.(1/2)=1]=2
Nombre d'atomes sommets : 4.( 1/4) = 1]
Surface du plan a.a2+ a2= a22
d'o le nombre d'atomes par unit de surface
N1=2 / a2 2= 89000 atomes /cm2
111)
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plan (111)
Nombre d'atomes des faces : 3. (1/2) = 3/2
= 2
Nombre d'atomes sommets : 3. (1/6) = 1/3
Fig.32
La direction [110]
Longueur du vecteur : r = a2+ a2/2 = a2 /2
Densit d = 1/r = 3,54.107atomes/cm2
La direction [l 1 l] :
Longueur du vecteur : r = a2+ a2+ a2=a3
Densit d = 1/r = 1, 44. 107atomes/cm2
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Exemple 7
Soit le systme cubique centr et le systme cubique faces centres.
a) Indiquer dans chacun des cas, le plan de densit atomique maximale.
b) Indiquer les directions cristallographiques de densit atomique maximale.
Rponse 7
Fig.33
- Systme CC et CFC :
a) Plans de densit atomique maximale :
Systme CC : ce sont les plans diagonaux qui passent par latome central, et il y a 6:1674, 2385 , 1278 , 3456 , 3751 , 2684
Systme CFC : ce sont les plans diagonaux de type (111), et il ya 4 :425 ,361 ,752 ,861
b) Directions cristallographiques de densit atomique maximale :
Systme CC : ce sont les direction qui passent par P atonie centrale, et il y a 4 :17 ,28 , 46,35
Systme CFC :ce sont les directions qui passent par les atomes centrs dans les faces et il en a
3 dans le plan ( 1 1 1 ) : 16 , 18 , 68
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Exemple 8
Dterminer le nombre d'atomes par maille lmentaire des rseaux suivants :
a) cubique simple C.S
b) cubique centr CC
c) cubique faces centres C.F.C
d) hexagonal compactRponse 8
Nombre d'atomes par maille lmentaire :
a) Maille cubique simple CS : il y a 8 atomes disposs aux sommets et appartenant chacun 8
mailles voisines dans la proportion 1/8. Donc la maille cubique simple contient :
8. (1 /8)= 1 atome/maille
Proportion 1/8
Fig.34 coupe schmatique d'une maille CS
b) Maille cubique centre CC : dans ce cas, on a la mme disposition que dans le cas prcdent
plus un atome entier plac au centre de la maille. Soit au total :
8.(1/8) + 1 - 2 atomes/maille
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D : densit
N : nombre d'atomes par maille
VA : volume de l'atome
Vmaille: volume de la maille
Pour une maille primitive simple le nombre d'atome est 8.1/8 = I atome
VA= 4/3 .r 3
Vm= a3= (2.r)3 a = 2.r longueur de l'arte
D=NVa/Vm =1. 4/3 .r 3 / (2.r)3 = /6=0,523
La maille cubique simple est remplie avec 52,3% d'atomes. La mme mthode peut tre
applique pour dterminer la densit dans le cas des rseaux CC, CFC et HC.
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2. Etablissement des diagrammes dquilibre
Les diagrammes dquilibre reprsentent ltat physique et ltat des phases d'un alliage endpendance de la composition chimique et de la temprature. La majorit des diagrammes
dquilibre connus, sont valables pour une pression dun atmosphre et sont dtermins grce
aux courbes de refroidissement. Ces diagrammes sous une forme graphique,, commode,
indiquent la composition des phases et la structure de l'alliage en fonction de la temprature et de
la concentration. Les diagrammes dquilibre sont construits partir des conditions dquilibre
ou des conditions assez proches de celles-ci. Leur dtermination, se basant sur la mesure des
proprits qui varient en fonction des transformations de phases, tels que les variations delongueurs, la susceptibilit magntique, la rsistance lectrique, lenthalpie et autres grandeurs
en dpendance de la temprature.
Un tat dquilibre correspond la valeur minimale de l'nergie libre. Dans les conditions
dquilibre, la temprature et la pression donnes, lnergie libre dun systme ne doit pas
changer, cest dire, le travail des forces internes doit tre nul. L'tat dquilibre des alliages est
dit galement stable parce quil ne subit pas dautovariations dans le temps. Cet tat ne peut
sobtenir qu de trs faibles vitesses de refroidissement ou avec un chauffage dune grandedure.
Dailleurs, il est rare que pratiquement, on ralise un quilibre rel. Dans la grande majorit des
cas, les alliages se trouvent ltat mtastable, c'est dire, l'tat dans lequel la stabilit des
alliages est limite et les interventions extrieures les font passer lautre tat plus stable, car
l'nergie des alliages est plus grande que leur nergie minimale.
2.1. Phases dans les alliages
Les alliages sobtiennent, soit par fusion, soit par frittage de deux ou plusieurs lments.
Laddition un mtal pur, dun ou de plusieurs lments, mtalliques ou non, peut modifier
profondment ses proprits. Les substances qui forment les alliages sont
appeles : composants. Selon le nombre de composants, un alliage peut tre :
- Binaire (2 composants).
- Ternaire (3 composants).
- Quaternaire (4 composants), etc.
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Les phases sont les parties homognes du systme. Elles sont caractrises par :
- La composition chimique, le type de rseau cristallin et les proprits rsultantes.
- La prsence d'une surface de sparation avec les autres parties du systme appele
interface.
- Un changement brusque de composition et de proprits lors du passage travers cette
interface.
Parmi les phases, on distingue :
- Les solutions solides.
- Les solutions liquides
- Les combinaisons chimiques (type AnBn).
Ltat d'quilibre dun systme correspond la valeur minimale de l'nergie libre G dans les
conditions normales dquilibre (temprature T, pression P). L'nergie libre doit tre constante et
le travail des forces internes doit tre nul.
dG (T, P) = 0
L'quilibre des alliages est dit stable lorsquil ne subit aucun changement spontan dans le
temps. Cet tat ne peut sobtenir qu de trs faibles vitesses de refroidissement ou de chauffage.
Dailleurs ltat dquilibre rel est rarement obtenu. Dans la plupart des cas, lquilibre estmtastable nanmoins son tat est proche de ltat stable.
Les mtaux ltat fondu, ont un grand pouvoir dissolvant vis vis de l'tat solide. C'est ainsi
par exemple, que le mercure qui est liquide, la temprature ambiante peut dissoudre lor qui ne
fond qu 1063C. Aprs dissolution, le liquide obtenu est plus ou moins homogne, il est appel
alliage liquide.
2.2. Rgle des phases ou loi de GibbsQuand un corps fond, il y a changement de phase (et de rseau), puisqu'il passe de ltat solide
ltat liquide. La rgle des phases tablit la relation entre le nombre de degrs de libert V
(variance), le nombre de composants C et le nombre de phases :
V = C - + n
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La variance dsigne le nombre de facteurs dquilibre indpendants que lon peut faire varier
arbitrairement sans que le nombre et la nature des constituants physico-chimiques varient.
n = nombre de facteurs extrieurs (temprature, pression).
Si on se limite aux diagramme de phases mtalliques, on prend n=1, parce que la pression dans
ce cas ninflue pas de manire signifiante sur les points de transformation et lon obtient alors :
V = C - + 1
Comme la variance ne peut tre infrieure zro, ni un nombre fractionnaire, on en dduit
que :
C - + 1 > 0 soit < C + 1Autrement dit, le nombre de phases dun alliage en quilibre ne peut dpasser le nombre de
composants C + l, cela veut dire qu'un systme binaire ne peut avoir plus de trois phases en
quilibre, un systme ternaire ne peut avoir plus de quatre, etc.
- Lorsque V = 0, le systme est dit invariant : la transformation de l'alliage commence et
se termine le mme temprature et la mme composition.
- Lorsque V = 1, le systme est dit monovariant.- Lorsque V = 2, il est dit bivariant, etc.
2.3. Cristallisation des matriaux mtalliques
Pour ltude des transformations de phases il nest pas exig dacqurir la quantit de
chaleur exacte en calorie, mais il est suffisant darrter la variation de la temprature en fonction
du temps sous forme de courbes de refroidissement. Cette mthode est introduite par TAMMAN
et dsigne par l'analyse thermique. Le principe d'une analyse thermique est reprsent sur la
figure 38.
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1. Four de fusion.
2. Verre de protection des thermo-
lments.
3. Thermo-lments.
4. Thermostat pour maintenir la
temprature constante
5. Thermomtre.
6. Instrument de mesure de la tension
thermique.
(fig. 38)
Pour la dtermination des lignes de phases dans le diagramme dquilibre, une srie dalliages,
avec diffrentes compositions du systme tudier, sont fondus et successivement refroidis avec
lenregistrement des courbes de refroidissement correspondantes dans un intervalle de temps
dtermin.
Si on refroidi un corps ne subissant aucune transformation, on pose :
- T : temprature du corps.
- T0: temprature ambiante.
- C : capacit calorifique du corps.
Une faible baisse de temprature dT correspond au dgagement d'une quantit de chaleur dq telle
que :
dq = - C.dT
Si lon admet que la quantit dq est proportionnelle au temps dt, dune part et la diffrence detemprature T = T - T0, dautre part, on peut crire :
dq = - c.dT = K( T - T0).dt
DT K K
T=
Cdt T = T0. exp -
Ct
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Cela veut dire que la variation de la temprature du corps en fonction du temps est une fonction
exponentielle, (fig. 39). Si le corps tudi subit une transformation avec changement de phase,
un dgagement de chaleur se produit et modifie lallure de la courbe de refroidissement.
Courbe de refroidissement : T = f (t).
(1) : sans changement de phase.
(2) : avec changement de phase
entre T1et T2
T1: indique le dbut de la transforma-
tion et T2la fin de cette transformation
(fig. 39)
Pour tudier la cristallisation dun corps, on le fond, puis on le place ltat liquide dans un
creuset, lui mme enferm dans une enceinte isotherme, afin de limiter la vitesse de
refroidissement. La temprature lintrieur du creuset est mesure laide dun thermocouple
qui est reli un enregistreur, ce dernier permet de tracer la courbe de refroidissement T = f(t).
2.3.1. Cristallisation dun mtal pur
Pour un mtal pur, la temprature reste constante pendant toute la dure de la solidification
conformment la rgle des phases. En effet entre T1et T2, le corps est ltat liquide, il y a unseul constituant (le corps pur) et une seule phase (la phase liquide).
V = 1 1 + 1 = 1
Il y a un seul degr de libert, par consquent, on peut choisir, son gr, la temprature dans cet
intervalle sans affecter lquilibre physico-chimique.
A la temprature T1, apparaissent les premiers cristaux solides. Ainsi, la constituant reste la
mme, alors quil y a deux phases : le corps liquide et le corps solide.
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V = 1 2 + 1 = 0
La variance est nulle et la temprature reste constante pendant toute la dure de la solidification.
Ceci est traduit par un palier sur le courbe T = f(t), appel palier de solidification. La
longueur de ce palier est proportionnelle la quantit de mtal solidifi.
Les mtaux l'tat pur, ne cristallisent que difficilement.. La cristallisation ne samorce quen
dessous de la temprature de fusion Tf, voir (fig. 93). On dit que le mtal est en surfusion.
Lorsque le refroidissement est trs lent, le niveau de surfusion est faible et la cristallisation se
produit une temprature voisine de celle de ltat d'quilibre. Le degr de surfusion est
dtermin par la nature et la puret du mtal. Le plus souvent T = (10 30C), sauf pour les
mtaux trs purs, par exemple T(Sn) = 118C et T(Sb) = 135C.
La figure 40 reprsente une courbe de refroidissement dun systme mono-constituant pur.
fig. 40
La cristallisation commence par la formation de germes et se poursuit avec leur dveloppementet l'augmentation de leur nombre.
La figure 41, schmatise les tapes de cristallisation dun mtal au cours du refroidissement.
Tant que les cristaux en formation s'accroissent librement, leur forme gomtrique est rgulire,
mais lorsqu'ils entrent en contact avec dautres cristaux, leur forme rgulire se perturbe et la
croissance se poursuit dans la direction qui laisse passer le liquide dalimentation. Les cristaux
primitifs deviennent irrguliers et prennent lappellation de grains ou cristallites.
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fig. 41
2.3.2. Cristallisation dun alliage
Par alliage, on entend un mlange homogne de deux mtaux A et B. A ltat liquide, la
solubilit de la plupart des mtaux qui forment une solution liquide monophase est illimite. Il
n'y a que quelques mtaux comme le fer et le plomb qui, l'tat liquides sont presque non
miscibles lun dans l'autre et se sparent en fonction de leur densit en deux couches.
La cristallisation dun alliage ne se poursuit quen cas de surfusion et de formation de germes
stables (aptes la croissance). La composition des phases d'un alliage dcoule de celle de la
solution liquide mre. C'est pourquoi les fluctuations structurales et nergtiques dun alliage ne
suffisent pas pour produire un germe stable.
La solidification dun alliage impose en plus, des fluctuations de concentrations, il s'agit des
carts momentans de la composition chimique, de petits volumes isols par rapport sa
composition moyenne. L'origine des fluctuations est, sans doute, lie la migration des atomes
par diffusion, suite lagitation thermique de la solution liquide.
L'analyse thermique dans ce cas, permet de suivre la solidification dun alliage de l'tat liquide
l'tat solide. Un exemple du type de courbe de refroidissement qui en rsulte est schmatis par
la figure 42.
A la temprature T1, dbute la solidification qui se manifeste sur la courbe T - t, par un
changement de pente. Entre T1 et T2, on a un domaine biphas : une phase solide qui se
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Exemple de diagramme de phase d'une substance pure
fig. 43
2 .5. Diagrammes d'quilibre
Pour la dtermination des lignes de phases dans le diagramme dquilibre, une srie dalliages
avec diffrentes compositions du systme tudier sont fondus et successivement refroidis aveclenregistrement des courbes de refroidissement correspondantes dans un intervalle de temps
dtermin (analyse thermique).
Le refroidissement doit seffectuer trs lentement, afin davoir, le plus possible, ltat
dquilibre. Dans le domaine de transformation de phases, la variation de la temprature avec le
temps montre une allure discontinue. II apparat des points de flexion et darrt dans la courbe de
refroidissement.
Un type de courbe de refroidissement, pour diffrents alliages dun systme, dont les composantssont totalement miscibles l'tat solide et liquide, est reprsent sur la figure 44.
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fig.44
Les valeurs de temprature-concentration, donne les points avec lesquels les lignes de limites de
phases peuvent tre construites et les domaines dexistence de chaque phase peuvent tre
reprsents graphiquement. Les conditions pour que apparaissent les points de flexion et d'arrt
dans les courbes de refroidissement sont dtermines par le nombre de phases se trouvant en
quilibre les unes avec les autres, cest dire, par le nombre de degrs de libert du systme.
Pour la dtermination des transformations des phases ltat solide, on utilise le plus souvent,
outre lanalyse thermique, le procd de dilatomtrie, surtout dans le cas o on ne peut pas
obtenir les rsultats envisags avec l'analyse thermique. Cette mthode est utilise pour lamesure des variations des volumes spcifiques lis avec la transformation des phases. On ne
mesure pas directement la variation, mais la dpendance de la temprature suite aux variations de
volumes (variation de dimensions) de l'prouvette.
A cause des dimensions des longueurs mesurer, qui sont relativement petits (10-4 10-5mm),
on utilise des mthodes d'enregistrement avec amplification mcanique, optique ou lectronique.
La figure 45 reprsente la courbe dilatomtrique du fer.
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fig.45
La diminution du volume (raccourcissement de l'prouvette), lors de la transformation des phases
et (cubique centr) en phase (cubique faces centres), est due l'empilement trs compact
de la phase . Les tempratures de transformation des phases et sont diffrentes selon quil
sagisse d'un chauffage ou dun refroidissement.
Les tempratures de transformation obtenues partir des courbes de dilatomtrie, peuvent tre
dvales lorsque la composition est modifie par l'addition dautres lments dalliages.
Les mthodes reprsentes pour la dtermination des points de transformation de phase sont
valables uniquement pour les systmes pour lesquels ltat dquilibre thermodynamique, peut
tre mis au point dans un intervalle de temps trs court.
Si l'tat d'quilibre nest atteint quaprs un temps trs lent cause de la vitesse de raction qui
est trs faible (dans le cas des systmes de silicates), dans ce cas, on utilise la mthode de trempe
qui consiste refroidir le systme dans un milieu de trempe l'eau, l'huile, etc.
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Les phases obtenues pour les diffrentes tempratures lquilibre sont fixes pour chaque
prouvette la temprature ambiante Elles peuvent tre identifies laide du microscope ou par
rayon X.
2.5.1. Principaux types de diagrammes dquilibre du systme binaire
2.5.1.1. Diagramme d'quilibre dun systme avec miscibilit totale des composants
ltat solide et liquide.
Le type de ce diagramme est reprsent sur la figure 46 avec la courbe de refroidissement et
structure de la miscibilit des composants A et B.
fig.46
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Les lignes liquidus et solidus dlimitent dans ce diagramme trois domaines :
Dans le domaine I, et aux tempratures suprieures la ligne liquidus, se prsente
uniquement une phase qui est le liquide homogne.
Dans le domaine II, entr le liquidus et le solidus, existent le liquide et les cristaux mixtes
comme phase thermodynamiquement stable.
Dans le domaine III, au dessous de la ligne solidus, o se trouve seulement une phase
solide, les cristaux mixtes de substitution dont les paramtres du rseau sontlinaires et dont la
composante A pure peut passer dans la composante B pure. Pour un systme homogne, la loi de
Gibbs donne une relation entre le nombre de composants K, le nombre de phases P et le nombre
de degr de libert F.
F = K + 2 P
Le nombre de degrs de libert F signifie le nombre de grandeurs d'tat (pression, temprature,
concentration) quon peut choisir librement et lesquelles peuvent varier indpendamment lune
de lautre sans que le nombre de phases varie.
Si on considre la pression constante (P = cst), lquation de Gibbs peut scrire :
F = K + 1 P
Pour ce systme, on peut dterminer le nombre de degrs de libert dans chaque domaine. Pourle domaine I, o (K = 2, P = 1) et F = 2, cela signifie que la concentration et la temprature
peuvent tre choisies librement dans ce domaine. Les mmes rapports se trouvent dans le
domaine II, o le nombre de degrs de libert F = 1 (pour K = 2 et P = 2). Cela signifie qu'on
peut varier librement une seule grandeur d'tat soit la temprature ou la concentration. Si on
considre la courbe de refroidissement dun alliage L (figure ci-dessous) avec une composition
C, l'tat dquilibre, on peut constater les phnomnes suivants :
Dans le domaine I, il existe un liquide homogne, sa composition correspond la concentrationC ou 1 - C correspondant respectivement la composante B ou A dans l'alliage. Lors du
refroidissement, et lorsque le point P1, de la ligne liquidus est atteint, il y a prcipitation des
cristaux mixtes partir du liquide.
La composition de ces cristaux mixtes est C1, elle est dtermine sur les coordonnes de
concentrations du point P1, reprsentant lintersection de P1P1 avec la ligne solidus. La vitesse
de refroidissement diminue avec lnergie libre de cristallisation. La courbe de refroidissement
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C2- CmL=
C2- C2
C - C2mC =
C2- C2
mC C - C2
mL C2- C
Donc le diagramme dquilibre permet, non seulement, de dfinir le nombre et type de
phases existant pour les diffrentes tempratures et concentration mais aussi de dterminer
les quantits de ces phases dans la structure. La miscibilit totale des deux composantes
ltat solide et liquide prsente un cas limite de la formation dalliages.
2.5.1.2. Diagramme dquilibre dun systme avec miscibilit totale des composantes
ltat liquide et non miscibilit totale ltat solide.
Le diagramme dquilibre, les courbes de refroidissement des alliages L1et L3, ainsi que leur
structure sont reprsents sur la figure 47.
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fig.47
Ils existe quatre lignes limites de phases formant quatre domaines spars. Au dessus de la ligne
liquidus, TSA, E et TSBexiste le domaine du liquide homogne Les tempratures de solidification
des composantes pures TSAet TSBdiminuent avec l'addition de la deuxime composante.
La temprature du liquidus de lalliage en dpendance de la concentration peut tre dtermineselon Roozeboom, partir du point de solidification de la composante B pure.
TSB. UBTSC =
UB - R.TSB.LnC
TSB: temprature de solidification de la composante B.
Tsc : temprature de liquidus de l'alliage.R : constante des gaz.
UB: chaleur de fusion molaire de la composante B.
C : concentration de la composante B dans l'alliage.
La mme expression est valable pour la composante A. Cette relation nous fournit des courbes
qui dcroissent avec laugmentation de la concentration de la deuxime composante. Elles se
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coupent au point E du diagramme dquilibre. Le point E dsigne le point eutectique et auquel se
trouvent trois phases en tat dquilibre, lune avec lautre (liquide, phase A et phase B).
En utilisant la loi des phases, on obtient ce point K = 2, P =3, et le nombre de degrs de libert
F = 0.
Si on considre lallure de la courbe de refroidissement de l'alliage L1avec la concentration CE..
L1est un alliage eutectique, la temprature TE, il y a cristallisation des phases solide A et B.
Les phases solides des composantes A et B sont identiques, car les composantes reprsentent une
non miscibilit totale ltat solide.
La courbe de refroidissement de cet alliage prsente un point darrt la temprature eutectique
TE cause de F = 0, cest dire la temprature TEreste longtemps constante jusqu ce que la
totalit du liquide soit consomme selon la raction eutectique :
T, P = const.
L A +B
Puisque la temprature de solidification de leutectique se trouve trs au dessous de la
temprature de solidification des composantes pures, il se forme une infinit de germes de
cristallisation qui sempchent de saccrotre et ce qui donne, le plus souvent, une structure
lamellaire grains fins, tels que lexemple des aciers hypereutectodes reprsents sur la
figure 48.
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fig.48
Les alliages eutectiques sont les plus utiliss dans lindustrie, cause de leur point de fusion
faible, leur structure fine et leurs bonnes proprits mcaniques. Au dessous de le ligne liquidus,
deux phases spares lune de lautre par leutectique, o les cristaux de la composante A et B setrouvent en tat d'quilibre avec le liquide. La rgle de phase de Gibbs donne pour les deux
domaines de phases, le nombre de degr de libert F = 1.
Si on commence le droulement du refroidissement de l'alliage L2avec la concentration C2 et
lorsque lalliage L2 aura atteint Ie point P1 de la ligne Iiquidus, cet instant, commence la
prcipitation des cristaux de la composante pure B partir du liquide cause de la chaleur libre
de cristallisation, la vitesse de refroidissement de lalliage diminue et un point dinflexion
apparat dans la courbe de refroidissement.
La prcipitation des cristaux de la composante B continue augmenter avec la diminution de la
temprature, ce qui fait changer la composition du liquide. Lorsque le point P2 de la ligne
liquidus est atteint, la concentration est C2. Selon lquation de Roozboom, la temprature de
solidification du liquide diminue avec la diminution de la concentration de la composante B.
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Au point P3, la temprature de solidification TE de leutectique est atteinte et le liquide restant,
possde la composition eutectique CE, ce moment se prcipitent simultanment les cristaux de
la composante B et A, c'est dire la solidification du liquide restant, seffectue eutectiquement.
Dans la courbe de refroidissement de l'alliage L2apparat la temprature TE, un point darrt o
P = 3, K = 2 et F = 0.
Dans la structure de lalliage L2 existe cot des cristaux primaires de la composante B,
leutectique se composant de cristaux fins des composantes A et B. Les rapports analogues sont
valables pour les alliages intervalle de concentration 0 C CE, dans ce cas, les cristaux
primaires sont composs de A et de leutectique. Pour le point P2, on peut dterminer la quantit
de cristaux B selon lexpression :
Quantit de cristaux B C2 C2
Quantit du liquide restant
=
1 C2
De la mme faon, les quantits de A, B et de leutectique peuvent tre dtermines.
2.5.1.3. Diagramme dquilibre dun systme avec miscibilit complte des composants
ltat liquide et miscibilit partielle ltat solideLes systmes ou diagrammes dquilibre dj envisags, sont des cas limites de miscibilit
complte et de non miscibilit l'tat solide. Il existe dautres systmes qu'on va considrer dans
cette partie, dont les composantes sont miscibles seulement une tendue limite, et le plus
souvent, utiliss en pratique.
Dans un tel systme, (fig. 49), on peut constater la prsence de deux nouvelles phases et c.
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fig. 49
Les cristaux mixtes possdent le rseau fondamental du rseau cristallin de la composante A,
de mme que les cristaux mixtes possdent le rseau fondamental du rseau cristallin de la
composante B. Ces deux cristaux peuvent apparatre comme cristaux mixtes de substitution oudintercalation et sont thermodynamiquement stables seulement pour certains domaines de
concentrations en dpendance de la temprature.
Dans le diagramme, (fig. 102), apparat une sparation eutectique. La ligne liquidus TSAETSBde
ce diagramme, prsente principalement la mme allure comme dans le systme avec miscibilit
complte. L'allure de la ligne solidus est donne par la courbe TSAM1M2TSB. La sparation du
liquide homogne seffectue selon la raction :
T, P = const.
L +
Cette raction est diffrente de celle dj tudie dans les diagrammes dquilibre prcdents o
elle est donne sur la totalit du domaine de concentration de 0 jusqu' 1, mais seulement dans
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l'intervalle C C C o C et C sont les concentrations dquilibre dans les phases de
cristaux mixtes et la temprature eutectique TE.
Dans les intervalles de concentration 0 < C < Cet C< C < 1, le liquide se solidifie selon lesystme miscibilit totale ltat liquide et solide. A ltat solide, apparat dautres lignes
limites de phases avec les courbes M1C et M2C qui donnent les limites de solubilit des
cristaux mixtes et pour le composantes A et B.
Au point M1, et la concentration C, les cristaux mixtes possdent la solubilit maximale
pour la composante B, avec la diminution de la temprature, diminue le nombre datomes B
solubles dans le rseau cristallin de la composante A, ils se diffusent alors dans le domaine du
rseau cristallin o lnergie est favorable.Dans cette position, la concentration C, augmente et se forme le rseau cristallin de la
composante B, et les cristaux mixtes se sparent sous la forme de sgrgation.
Les limites de solubilit sont, le plus souvent, dtermines par les mthodes de mesures
magntiques ou radiographiques. Les ractions de dmixtion (sparation) peuvent s'effectuer non
seulement dans le liquide homogne mais aussi ltat solide sous la forme de raction
eutectique.
T, P = const.
+
Un autre type de raction pouvant seffectuer pour les trois phases se trouvant en tat dquilibre,
lune avec lautre, est la raction pritectique. Elle est caractrise par la prcipitation des
cristaux mixtes du liquide, par exemple, la raction des cristaux mixtes en cristaux mixtes .
Le diagramme dquilibre d'un systme pritectique est reprsent par la figure 50.
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fig. 50
Dans lintervalle de temprature TSB > T > TP, se prcipitent les cristaux mixtes partir du
liquide homogne. Leur concentration d'quilibre varie suivant la ligne TSBM2 et atteint, la
temprature T = TP, la valeur maximale C. La composition du liquide varie suivant la ligne
TSBM1et possde an point M1la valeur CS.
Lorsque la temprature pritectique TP est atteinte, il y a transformation (recomposition) des
cristaux mixtes avec le liquide en cristaux mixtes dont la concentration dquilibre prend la
valeur C. La loi de phase donne pour le point pritectique P, le nombre de degrs de libert F =
0 avec C = 2 et P = 2.
Les courbes de refroidissement des alliages dont la composition se trouve dans l'intervalle Cs
C C(L1, L2, L3) doivent possder un point d'arrt. La temprature reste longtemps constante,
jusqu'a ce que le liquide ou les cristaux mixtes sont consomms la transformation
pritectique. Les alliages dont la composition se trouve dans l'intervalle C C C (L1),
possdent une grande quantit de cristaux mixtes , lesquels sont consomms avec le reste du
liquide lors de la transformation pritectique.
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Aprs solidification, la structure est compose de cristaux mixtes forms lors de la
transformation pritectique et de reste de cristaux mixtes . Les alliages qui ne sont pas compris
dans lintervalle de concentration Cs C C se solidifient selon le systme miscibilitcomplte, dont la prcipitation des cristaux mixtes seffectue dans lintervalle 0 < C < CS et
celle de dans l'intervalle C< C < 1.
A ltat solide, la solubilit des cristaux mixtes se rtrcit suivant la ligne PC, et pour
suivant la ligne M2C'.
La structure contient des sgrgations de cristaux mixtes et dont la quantit est donne sur le
rectangle de structure de la figure 50.
2.5.1.4. Diagramme dquilibre dun systme avec phases intermtalliquesLes composantes dun systme peuvent former une ou plusieurs phases intermtalliques ayant la
forme gnrale AmBn (m, n = 1, 2, 3, ). Le nombre et la forme des lignes limites de phases
dans le diagramme dtat dpendent principalement des proprits des phases intermtalliques,
lesquelles sont dtermines par les composantes A et B.
Le rseau cristallin des phases intermtalliques est trs compliqu et plusieurs possibilits
peuvent exister, notamment :
a. La phase intermtallique se cristallise partir du liquide et peut dissoudre dans son
rseau les atomes des composantes A et B dans un tendu limit, donc dans un certain
domaine de concentration, ou elle peut aussi exister sous la forme de la composition
CAmBn.
b. La phase intermtallique se forme ensuite la transformation pritectique, comme suite
dune raction entre deux liquides.
La figure 51 montre le diagramme dtat dun systme avec phases intermtalliques AmBn, et
caractrise la composition moyenne. Pour AmBn, correspond la concentration CAmBn et pour
laquelle on a un maximum dans la ligne liquidus.
Plus la temprature de fusion de la phase intermtallique est leve, plus lnergie de sa
formation est grande. La courbe de refroidissement dun alliage avec composition AnBm et la
temprature TSV, est caractrise par la prsence d'un point darrt.
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Diagramme dquilibre dun
systme avec miscibilit complte
des composantes A et B l'tat
liquide et miscibilit partielle ltat
solide et dans lesquelles la phase
intermtallique se forme jusquau
point de fusion V(AmBn).
Le comportement dune phase
intermtallique lors de la
solidification est le mme que celui
du mtal pur. Le diagramme dtat
peut se dcomposer en deux
diagrammes de solidification
eutectiques, dont le premier se
compose de la composante A et V et
l'autre de la composante V et B. Lors
de la solidification, les mmes
process seffectuent dans chaque
diagramme.
(fig. 51)
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de leur faible teneur en silice (< 5%).
La composition chimique moyenne dune bauxite rouge est la suivante :
Al2O3: 53 %, SiO2 : 4 %, H2O : 13 %, Fe2O3: 25 %, Ti O2: 3 %
Les bauxites blanches servent la fabrication de ciment, dabrasif et de produits rfractaires. La
bauxite se prpare le plus souvent selon le procd BAYER et selon les tapes suivantes :
a. Concassage de la bauxite :
La bauxite est concasse et ventuellement broye aprs schage.
b. Attaque de la bauxite par la soude (Na OH) concentre :
L'opration seffectue dans des autoclaves une temprature T = 170C et une pression de 7
atmosphres. La bauxite est dissoute sous forme daluminate de sodium. Le fer ne se dissout pas,
tandis que lacide silicique passe dans les silicates de Na et Al :
Na OH + Al (OH)3 Na A1O2+ 2H2O
Ce qui entrane une perte en Al et NaOH. Lopration se fait gnralement en marche continue
par passage travers une srie dautoclaves pour une dure de 6 8 heures. La lessive obtenue
contient en plus de la soude concentre, 270g de Al2O3par litre.
c. Sparation de laluminate de sodium et prcipitation de lalumine :
La lessive est extraite des autoclaves pour tre dilue afin dobtenir une bonne concentration dureste de la solution et de la boue. Apres dilution, concentration et filtrage, on obtient une liqueur
claire dans laquelle laluminium est dissous, elle est en voue ensuite aux rservoirs de
prcipitation o s'effectue a 60C, lopration inverse de la raction de dissolution :
Na AlO2+ 2H2O Al (OH)3 Na OH
La cristallisation de AI (OH)3pur, seffectue trs lentement. En cinq jours, il y a dpt denviron
60 % de 1alumine contenue dans laluminate. Pour acclrer le processus de dpt, on ajoute
la liqueur claire, de 1hydroxyde daluminium solide (moyens de gnration).A la fin, Al (OH)3cristallis, est aspir et filtr de la lessive et sch, ensuite achemin vers les
fours rotatifs. Le rsidu de filtration subit lopration de concentration par vaporation avant
dtre utilis comme soude concentre.
d. Calcination de lalumine :
Laluminium hydrat, aprs schage, subit une calcination dans les fours rotatifs une
temprature de 1200C, on obtient de lalumine avec une teneur en Al2O3de 99,2 99,5 %.
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e. Electrolyse de lalumine :
Du fait de la grande affinit de laluminium pour loxygne, laluminium ne peut tre rduit par
les rducteurs habituels (C ou Co) et lon a recours llectrolyse. La dcomposition
lectrolytique de lalumine, seffectue dans un bain de cryolite Na3AIF6, une temprature de
920 950C. La cryolite pure, se fond 1000C, alors que lalumine fond 2000C.
Durant llectrolyse, la cryolite dissout de lalumine, cet effet on ajoute du Al2F3 pour la
neutralisation des lments alcalins accompagnant lalumine, ainsi que pour avoir un lectrolyte
caractre acide faible et enfin pour diminuer la temprature de fusion de llectrolyte.
Lune des exigences envers la composition chimique de lalumine est surtout la teneur de Fe2O3,
qui doit tre infrieur 0,04 % et celle de SiO2 < 0,3 %, car ces deux composs sont plus nobles
que laluminium et peuvent tre spars avec laluminium durant llectrolyse.
Ce qui diminue la puret de lalumine est llectrolyse proprement dite, effectue dans un four,
(fig. 52), avec une masse en carbone jouant le rle de cathode et fermant le fond du four la
partie suprieure, o sont places les anodes (anodes prcuites ou anodes continues).
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fig. 52
La tension de travail est de 4,5 volts et lamprage est de 30.000 100.000 Ampres.
Laluminium saccumule sur le fond du four et forme pratiquement la cathode et de temps en
temps, il est recueilli et coul en lingots ou dans des mlangeurs. Pour llaboration dune
tonne daluminium, on a besoin de :
- 2000 kg dalumine.
- 30 kg de cryolite.
- 30 kg de fluoride dalumine.
- 550 kg danode en carbone.
- 15 20 MWH de charge lectrique.
Laluminium obtenu a une puret de 99,2 99,9 % et les impurets essentielles sont : Fe et
Si et en faible quantit, Cu, Mg, Ti, Na.
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Pour l'laboration de l'aluminium pur a 99,99 %, il est ncessaire de procder une
deuxime lectrolyse. Laluminium pur, possde une rsistance chimique trs leve. Les
alliages daluminium grande rsistance sont plaqus par de laluminium pur, afin de
combiner la bonne rsistance la corrosion avec la rsistance de l'alliage.
L'aluminium pur, peut avoir un clat grce aux diffrents procds de trempage. L'oxydation
anodique est le traitement superficiel le plus important pour l'aluminium. Il s'agit du
renforcement du film doxyde naturel par la voie lectrolytique, donc laugmentation de
laction de protection contre la corrosion et lamlioration de la duret et du comportement
contre lusure. Dans le tableau ci-dessous est indiqu la composition chimique de
laluminium pur selon TGL
Quantit en %Type
Total Fe Si Cu Zn Ti Autres
Al 99,99 R 0,01 0,005 0,005 0,003 0,005 0,002 0,001
Al 99,95 R 0,05 0,025 0,020 0,015 0,005 0,005 0,005
Al 99,9 R 0,10 0,05 0,04 0,03 0,005 0,01 0,001
Al 99,8 0,20 0,12 0,10 0,01 0,04 0,03 0,01
Al 99,7 0,30 0,16 0,10 0,01 0,05 0,03 0,01
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Un conducteur daluminium, compar avec un autre en cuivre, peut avoir la mme rsistance, la
moiti de son poids, mais 1,3 fois plus grand. Donc lutilisation de laluminium dans
llectrotechnique est trs limite cause du diamtre des conducteurs.
Les figures ci-dessous, montrent :
- Figure 53 :la dpendance de la conductibilit lectrique en fonction de la temprature
de recuit.
Courbe a : 0,13 % Si et 0,30 % Fe.
Courbe b : 0,12 % Si et 0,50 % Fe.
Courbe c : 0,64 % Si et 0,10 % Fe.
fig. 53
- Figure 54 : linfluence des diffrents lments dalliages, dissous dans les cristaux
mixtes, sur la conductibilit spcifique de laluminium T = 20C.
- Figure 55 :linfluence du degr de puret de laluminium sur la rsistance spcifique
lectrique et sur la conductibilit lectrique.
-
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fig. 54 fig. 55
3.3.2. Caractristiques mcaniques
A cause de sa structure du type CFC, l'aluminium pur est trs bien dformable froid et chaud,
il est donc trs ductile. Cette plasticit leve ltat recuit rend trs ais le corroyage, par
contre, son usinage tant mal ais. L'aluminium se prte bien toutes les modalits de soudage
sous gaz inerte tels que l'argon ou lhlium (gaz de protection), sinon laluminium s'oxyde
facilement et forme une pellicule de Al2O3.
Sa faible duret et sa faible limite lastique sont dfavorables pour son emploi en mcanique.
Les proprits mcaniques de laluminium dpendent :
- Des traitements mcaniques (forgeage, laminage, etc.).
- Des traitements thermiques (trempe, recuit, etc.).
- Des lments daddition (Fe, Cu, Mn, Zn, Mg, Si).
A titre dexemple :
- Les proprits mcaniques de laluminium (99,6 %) coul sont :
R (rsistance la traction) = 70 100 N/mm.
R 0,002 (limite lastique) = 30 40 N/mm.
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A (allongement) = 15 25 %.
HB (duret brinell) = l5 25 HB.
E (module dlasticit) = 67500 N/mm.
- Les proprits mcaniques de laluminium (haute puret) recuit :
R = 50 N/mm.
R 0,002 = 15 N/mm.
A = 50 %.
E = 71000 N/mm.
Une dformation plastique froid de laluminium industriel augmente sa charge de rupture
jusqu 150 N/mm mais lallongement baisse jusqu 6 %.
Linfluence du fer et du silicium sur les proprits mcaniques de laluminium ltat de
recristallisation (aprs un traitement thermique de 5 heures 420C) est montre sur la figure 56.
fig. 56
Le silicium augmente la limite dlasticit et la rsistance de laluminium plus que le fer. Tandis
que le fer amliore lallongement, cela est expliqu par la prcipitation des particules fines et
htrognes de AI3Fe dans lalliage binaire AI-Fe, qui seront transforms en grain fins lors du
recuit de recristallisation.
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Les grains fins donnent essentiellement une plasticit meilleure que celle des gros grains. Le fer
stabilise la grosseur des gros grains de recristallisation et amliore les proprits mcaniques et
surtout la valeur de lallongement et celle de rupture. Le cuivre aussi amliore la rsistance,
tandis que le zinc et le magnsium, avec de petites concentrations, ne montrent aucun effet.
A cause de la faible rsistance ltat recuit dadoucissement, les produits en aluminium pur et
trs pur subissent un durcissement froid rpt.
- Al 99,99 % : 0,2= 15 25 N/mm et ZB= 40 60 N/mm.
- Al 99,5 % : 0,2= 35 45 N/mm et ZB= 70 90 N/mm.
3.3.3. Tenue la corrosion
Le phnomne de la tenue la corrosion est expliqu par la formation dune pellicule (0,7 m)
non soluble dans leau et protgeant le mtal contre les milieux oxydants et une ventuelle
attaque chimique. L'aluminium est trs rsistant conte linfluence atmosphrique et contre
beaucoup de produits de lindustrie chimique et alimentaire.
Le tableau ci-dessous donne une ide sur la tenue de la corrosion de laluminium et de ses
alliages (sans couche de protection) pour les diffrents milieux.
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3.4. Alliages daluminium
3.4.1. Influence des lments dalliages sur les proprits de laluminium
L'aluminium pur, non alli possde des proprits mcaniques faibles, afin damliorer ces
proprits, on est conduit ajouter les lments daddition lors de sa fusion, tels que Mg, Mn,
Cu, Si, Ni, Ti, Zn, Co, etc. Ces lments entrent en solution solide ou formant des prcipits qui
entranent des composition dalliages industriels. L'avantage des alliages daluminium est quils
permettent davoir une bonne rsistance mcanique tout en conservant une faible masse
volumique.
a. Addition de Mg : Les alliages forms, possdent une rsistance mcanique moyenne.
Ils sont utiliss dans le domaine de placage, lorsque avec laluminium, il savre difficile. Ils
sont faciles polir et conservent longtemps leur poli cause de la haute rsistance chimique.
b. Addition de (Mg + Mn) : Ces deux lments augmentent la rsistance mcanique sans
modifier la dformabilit. Ils se prtent bien lemboutissage et au polissage.
c. Addition (le (Cu + Si) : Ce sont des alliages de fonderie, prsentant une bonne
coulabilit et conviennent surtout pour les pices compliques.
d. Addition de (Co + Ti + Zn) : Accroissent la rsistance mcanique sans altrer la
coulabilit, laddition de Cu et de Zn facilite lusinage.e. Addition de (Mg + Zn + Cu) : Ils sont aptes aux traitements mcaniques et prsentent
une rsistance mcanique maximum. La prsence de cuivre les rend durcissables chaud.
3.4.2. Traitements thermiques des alliages daluminium
Pour assurer le durcissement des alliages daluminium, a recourt la trempe et au vieillissement.
Les structures hors dquilibre et les dfauts de structure produits par la dformation qui
dgradent la plasticit de lalliage sont limins en appliquant le recuit.
3.4.2.1. Trempe et vieillissementAvec labaissement de la temprature, la solubilit dans laluminium, de la plupart des
composants, diminue, ce qui permet dutiliser la trempe et le vieillissement pour durcir les
alliages.
a. Trempe des alliages daluminium :
La trempe structurale des alliages daluminium a des buts et des effets totalement diffrents
de la trempe martensitique des aciers. Le cycle thermique de ce traitement comprend :
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- Le chauffage jusqu la temprature de dissolution totale ou partielle des phases
intermtalliques en excs dans l'aluminium.
- Le maintien cette temprature.- Le refroidissement suffisamment rapide (hypertrempe) jusqu' la temprature ambiante
pour obtenir une solide sursature.
- Le maintient isotherme ultrieur qui conduit au durcissement de lalliage. Celui-ci est
ralis, soit la temprature ambiante (vieillissement naturel ou maturation), soit une
temprature suprieure (appel vieillissement artificiel ou simplement vieillissement).
Pour mieux comprendre les mcanismes de durcissement structurel engendr par la trempe,
prenons lexemple de lalliage Al 4 %-Cu. Daprs le diagramme Al-Cu, (fig.149), la trempe desalliages AI-Cu est dtermine par la ligne abc qui passe au dessus de la ligne de solubilit limite
des alliages contenant une teneur en cuivre < 5,6 % et au dessous de ligne eutectique (584C)
pour les alliages contenant une plus grande quantit de cuivre ( > 5,6%).
Lors de la chauffe pour trempe des alliages titrant 5,6 % Cu, la phase excdentaire en Al 2 se
dissout compltement et le refroidissement rapide ultrieur ne fixe que la solution solide
sursature qui contient autant de cuivre quil y a dans lalliage. Pour une teneur en cuivre > 5,6
%, la structure des alliages aprs trempe, se composera de solution solide sursature dont la
composition correspond au point b et de cristaux de la combinaison CuAl 2 non dissoute au
chauffage.
Diagramme d'quilibre AI Cu
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fig. 57
La dure de sjour, la temprature de trempe ncessaire pour la dissolution des phases
intermtalliques, dpend de ltat structural de lalliage, du type de four et de lpaisseur de la
pice.
Exemple :pour des paisseurs 0,5 150 mm, le temps de chauffage tant de :
- Fours de salptres : sjour de 10 80 min.
- Four lectrique circulation force dair : sjour 30 210 min.
- Pices moules : 2 15 heures.
Aprs la trempe, les alliages de forge sont refroidis leau froide et les moulages de forme
leau porte de 50 100C, pour liminer le gauchissement et la formation de tapures. Aprs la
trempe, les alliages, tout en possdant une faible rsistance (R, R0,002), acquirent une lasticit
leve (A, Z).
b. Vieillissement des alliages tremps :
La trempe est suivie dun vieillissement qui reprsente est un maintient lambiante pendant
quelques jours (maturation) ou un maintient pendant 10 24 heures une temprature accrue
(vieillissement artificiel ou par revenu). Le vieillissement saccompagne de dcomposition de la
solution solide sursature qui va de pair avec le durcissement de lalliage.Si la distribution des atomes de cuivre dans le rseau de lalliage est statiquement uniforme, la
dcomposition de la solution solide sursature se produit en plusieurs stades, en fonction de la
temprature et de la dure du vieillissement.
Le vieillissement naturel (maturation 20C) ou artificiel (durcissement par le revenu basses
tempratures, infrieures 100 ou 150C), ne rvle pas la dcomposition de la solution solide
avec isolation de la phase en excs ces tempratures. Les atomes de cuivre se dplacent
seulement lintrieur du rseau cristallin de la solution solide de trs faibles distances etsaccumulent suivant les plans {l00} en agrgats bidimensionnels lamellaires ou disques dits
zones de GUINIER-PRESTON (GP1)comme le montre la figure 58.
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fig. 58
Au sein de chaque cristal, ces zones longues de quelques dizaines dangstrms (30 60 ) et de
5 10 dpaisseur se repartissent plus ou moins rgulirement. La concentration du cuivre
dans les zones GP1 est plus faible que dans CuAl2(54 %).
En portant lalliage aprs maturation en quelques secondes ou minutes 230 ou 270C et en le
refroidissant rapidement, on supprime totalement le durcissement et lalliage acquiert nouveau
les proprits quil avait directement aprs trempe. Ce phnomne a reu le nom de restauration.Ladoucissement la restauration est du au fait qu ces tempratures, les zones GP1 sont
instables et cest pourquoi elles se dissolvent dans la solution solide, alors que les atomes de
cuivre se redistribuent de nouveau plus ou moins rgulirement dans le volume de chaque cristal
de la solution solide, tout comme aprs la trempe.
Le maintient ultrieur de l'alliage lambiante, conduit nouveau la formation des zones GP1
et son durcissement. Pourtant aprs la restauration et le vieillissement qui la suit, les proprits
anticorrosives de lalliage se dgradent, ce qui rend plus difficile lutilisation de la restauration
dans des buts pratiques.
Le sjour durable 100C, ou pendant quelques heures 150C, conduit a la formation des
grandes zones de Guinier Preston GP2, (fig.59) (10 40 dpaisseur et 20 300 de
diamtre) avec une structure ordonne diffrente de celle de la solution solde .
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fig.59
La concentration du cuivre dans ces zones correspond la teneur dans CuAl2. Avec
laugmentation de la temprature de vieillissement, le processus de diffusion, transformations
structurales ainsi que le durcissement lui mme, deviennent plus rapides. Le maintient pendant
plusieurs heures aux tempratures 150 200C, conduit au droit des zones GP2, la formation
de particules disperses (lamelles fines) de la phase intermdiaire dont la composition
chimique (CuAl2) alors que son rseau cristallin est diffrent, (fig.60).
fig. 60
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La phase est lie par cohsion la solution solide (fig.61) ; Laugmentation de la temprature
jusqu 200 250C, provoque la coalescence de la phase mtastable et la formation de la phase
stable, de la sorte, la maturation ne donne lieu qu la formation des zones GP1. Dans le cas du
vieillissement par revenu, la succession des transformations structurales peut tre schmatise de
la forme suivante.
GP1 GP2 (CuAl2)
fig. 61
Cela ne signifie, pourtant pas quune formation se transforme sur place en une autre. Il se
peut que lapparition de la formation ou de la phase successive se produit aprs dissolution de la
formation initiale.Le meilleur durcissement des alliages sobtient avec les alliages MgZn2, Mg2Siet la phase S (Al2CuMg) de structure complexe et de composition diffrente de celle de la
solution solide .
3.4.2.2. Recuit des alliages daluminium
Ses modalits sont :
- Recuit dhomognisation.
- Recuit de recristallisation.
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- Recuit dadoucissement (aprs trempe et vieillissement pralable)
a. Recuit dhomognisation
Ce traitement est appliqu aux lingots avant corroyage pour liminer la sgrgation deudutique
qui conduit la formation dune solution solide inhomogne et au dpt des inclusions
eutectiques fragiles hors dquilibre CuAI2, A12CuMg (phase 5), Mg2Si, Al2Mg3Zn3(phase T),
etc... aux joints des grains et entre les branches de dendrites, (fig.62).
fig.62
Au cours de lhomognisation, la composition des cristallites de la solution solide est
uniformise, alors que les combinaisons intermtalliques se dposent sous forme de fines
inclusions secondaires uniformment rparties, (fig. 63)
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fig. 63
Il sensuit que la plasticit de lalliage coul samliore, ce qui permet daugmenter le degr de
corroyage lors du formage chaud, la vitesse de filage et diminuer les rebuts technologiques.
Lhomognisation contribue lobtention dune structure grains fins dans les tles recuites et
diminue laptitude la corrosion sous tension. Le cycle thermique de ce recuit comprend :
- Un chauffage jusqu une temprature leve de 450 520C.
- Un maintient qui varie de 4 40 heures.
- Un refroidissement lent ou dans le four.
b. Recuit de recristallisation
Le recuit de recristallisation consiste chauffer lalliage dform jusqu'aux tempratures
suprieures celles de la fin de recristallisation primaire. On lapplique pour supprimer
lcrouissage et obtenir un grain fin. Dans la plupart des alliages daluminium, lorsque la
dformation atteint 50 75 %, la temprature de dbut de recristallisation schelonne de 290
400C. La temprature de recuit de recristallisation varie suivant la composition de lalliage de
350 500C et le maintient de 0,5 2,0 heures.
Aprs le recuit de recristallisation des alliages non durcis par traitement thermique, la vitesse derefroidissement est choisie arbitrairement. Pour les alliages durcis par traitement thermique, la
vitesse de refroidissement allant jusqu' 200 250C doit tre infrieure ou gale 30C/h. Le
recuit comme opration intermdiaire est appliqu dans le travail froid ou entre le corroyage
chaud et froid.
Le recuit incomplet est une modalit de recuit de recristallisation. Il permet dobtenir des
proprits intermdiaires entre ltat croui et recristallis. Dans ce cas, la temprature de recuit
doit tre infrieure celle de la fin de recristallisation pour assurer lobtention dune structuresous forme de polygone, ou partiellement recristallise, qui supprime en partie lcrouissage. Le
plus souvent, le recuit est appliqu dans le cas des alliages de forge et de laminage non soumis au
durcissement per trempe et vieillissement.
c. Recuit dadoucissement des alliages ayant subi la trempe et le vieillissement
Il est effectu une temprature de 350 450C avec un sjour de 1 2 h. Ces
tempratures assurent la dcomposition complte de la solution solide sursature et la
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coalescence des phases qui durcissent. La vitesse de refroidissement ne doit pas dpasser 30C/h.
Aprs le recuit, lalliage possde une faible charge de rupture, une plasticit suffisante et une
rsistance leve la corrosion sous tension.
3.4.3. Proprits des alliages daluminium
Les principales caractristiques des alliages daluminium sont :
a. Rsistance chaud :Dune certaine manire, on peut dire que la rsistance chaud est
assez faible au del de 150C, sauf pour les alliages Al-Cu o lon peut atteindre 300C.
b. Rsistance aux basses tempratures :Les alliages daluminium ont un rseau cristallin
CFC, par consquent, ils ne sont pas fragiles do leur application en cryognie.
c. Rsistance la fatigue : De manire gnrale, le coefficient dendurance Rm est de
l'ordre de 0,5 pour les alliages non trempants et de (0,25 0,30) pour les alliages trempants.
d. Rsistance la corrosion : Comme pour laluminium pur; les alliages daluminium
sont protgs contre la corrosion grce la formation dune pellicule de Al2O3. La protection
anti-corrosion peut tre amliore par anodisation. Les risques de corrosion craindre dpendent
des lments daddition.
- Corrosion galvanique craindre en prsence du fer.
- Corrosion de type intergranulaire et sous tension, craindre en prsence dadditionstelles que Cu, Mn, Mg + Si et Mg + Zn
e. Mise en forme : Les alliages daluminium sont faciles laminer et emboutir. En
particulier les alliages Al-Mg sont trs appropris au filage chaud.
f. Soudage : De manire gnrale, le soudage est facile grce la couche protectrice
dalumine (procds de soudage sous gaz protecteur TIG ou sous vide).
3.4.4. Classification des alliages daluminium
Les alliages daluminium les plus rpandus sont Al-Cu, Al-Mg, Al-Cu-Mg-Si, ainsi que Al-Zn-Mg-Cu. A ltat dquilibre, tous ces alliages forment une solution solide faiblement
allie et des phases intermtalliques CuAl2, (phase ), Mg2Si, Al2CuMg (phase S), Al6CuMg4
(phase T). Al3Mg2, Al3Mg3Zn3 (phase T) Tous les alliages daluminium peuvent tre rangs
en trois groupes :
1. Alliages corroys :destins la forge et le laminage, ils sont prvus pour lobtention des
demi-produits (tles, plaques, feuillards, barres. Profils, tubes, etc.), ainsi que des pices de
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forge et estampes produites par laminage, pressage, forgeage et estampage.
2. Alliages de fonderies:prvus pour le moulage des formes.
3. Alliages fritts :labors par frittage suivant la mthode de mtallurgie des poudres.
3.4.4.1. Alliages corroys avec et sans durcissement structural
Ils sont obtenus, fondus dans des fours induction, car grce au mouvement du bain induit quon
obtient un mlange homogne, cest dire, une rpartition homogne des lments daddition.
Le magnsium et le zinc, possdant pratiquement un point de fusion infrieur celui de lalliage
daluminium de 750C, sont ajouts sous forme de mtaux, cependant le Cu, Si, Mn sont
introduits sous forme dalliages, car ils possdent un point de fusion infrieur 750C.
Suivant l'aptitude au durcissement par traitement thermique, les alliages corroys sont classs en
deux types :
- Alliages sans durcissement structural (non trempants).
- Alliages avec durcissement structural (trempants).
A. Alliages sans durcissement structural
Ce sont les alliages base de Mn et Mg tels que Al-Mn, AI-Mg, Al-Mg-Mn (alliages de forge et
d'estampage). Leur durcissement naturel est du la formation dune solution solide et dans une
moindre mesure aux phases en excs.
Leurs compositions chimiques et proprits mcaniques sont donnes sur le tableau ci-dessous
selon la norme GOST.
Composition chimique (%) Proprits mcaniques
Nuance
Mn MgR
(kgf/mm)
R 0,002
(kgf/mm)
A
(%)AMII 1,0 1,6 - 13 (17) 5 (13) 23 (10)
AMr2 0,2 0,6 1,8 2,8 20 (25) 10 (20) 23 (10)
AMr3 0,3 0,6 3,2 3,8 22 11 20
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AMr5 0,3 0,6 4,8 5,8 30 15 20
AMr6 0,5 0,8 5,8 6,8 30 (40) 15 (30) 18 (10)
Ces types d'alliages se prsentent bien au travail froid (estampage, cuitrage, etc.), au soudage et
possdent une tenue la corrosion leve. La limite lastique et la rsistance la traction
augmentent et lallongement diminue. Au del de la temprature de 150C, le long sjour
conduit la diminution de la rsistance.
Un recuit de recristallisation entre 350 450C peut produire un retour ltat doux. Pourobtenir une structure grains fins lors de la recristallisation, il est exige au pralable une
dformation allant jusqu 50 %. Leur usinage l'tat recuit est trs difficile.
a. Alliage Al-Mn
La teneur en manganse est de 1,0 1,6 %. La rsistance la traction est suprieure que celle de
Ialuminium pur, malgr que les proprits de dformation sont identiques. La tenus la
corrosion est aussi meilleure que celle de laluminium pur. Une meilleure usinabilit peut tre
obtenue grce laddition de magnsium (0,2 0,3) %, de titane ou de chrome. Le manganse
augmente aussi la temprature de recristallisation, laddition dune faible teneur en Mn permet
daugmenter nettement la rsistance mcanique des alliages.
L'alliage Al-Mn est une solution solide de manganse dans laluminium qui comporte galement
une faible quantit de particules de la combinaison Al6Mn, voir diagramme dquilibre partiel
Al-Mn, (fig.64). Ils sont utiliss pour les toitures, coffrages, revtements, rservoirs, ustensiles
de cuisine, etc.
Caractristiques des nuances 3003 et 3004 ltat recuit.
Nuances Composition Rm (MPa) A (%)
A MI 3003(1 1,5) % Mn
(0,05 0,2) % Cu100 130 25
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A MIG 3004(1 1,5) % Mn
< 0,25 % Cu120 160 22
fig. 64
b. Alliage Al-Mg
A ce groupe appartiennent les alliages avec une teneur en magnsium de 0,2 7,2 % et une
teneur en Mn de 0,2 0,8 %. Ces alliages sont caractriss par une rsistance (stabilit) leve
contre leau sale. Les alliages avec une teneur en Mn jusqu'a 5 % sadaptent bien I'oxydation
anodique cause de leur structure fine et homogne. Les alliages avec une teneur > 5 % en Mn
se laissent difficilement travailler et posent des problmes aux soudages et sinclinent devant la
corrosion intercristalline et sous tension. Les alliages 7 % Mn sont caractriss par de bonnes
proprits de surface.
A ltat dquilibre, aprs refroidissement, les alliages Al-Mg sont biphass + , (Al3Mg2).
Pourtant la haute stabilit de la solution solide et la faible vitesse de diffusion du Magnsium
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