Alliage

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Un alliage est la combinaison d'un élément métallique avec un ou plusieurs autres éléments chimiques.

Un métal pur a des caractéristiques mécaniques qui sont la plupart du temps relativement faibles. Le fait d'ajouter d'autres éléments permet de « durcir » le métal en augmentant ces caractéristiques mécaniques^[1]. Outre les renforcements mécaniques engendrés par déformation, tel que l'écrouissage, il existe des durcissements chimiques par addition d'éléments en solution solide ou par précipitation de phases secondaires durcissantes telles que les carbures. Ces ajouts permettent également de modifier les caractéristiques chimiques, telle que la résistance à la corrosion, ou d'améliorer d'autres caractéristiques, par exemple la coulabilité.

Dans un alliage, l'élément métallique majoritaire, c'est-à-dire constituant la plus importante partie du mélange, est appelé « métal de base » ou « base ». Les éléments ajoutés volontairement sont appelés « éléments d'alliage » ou « éléments d'addition » et les éléments non désirés sont appelés « impuretés ».

Les éléments d'alliage sont le plus souvent des métaux, mais peuvent également être d'autres éléments chimiques tels que le carbone dans l'acier ou la fonte, le silicium dans l'aluminium, etc.

Quand l'élément d'alliage n'est pas un métal, sa teneur reste généralement faible (jusqu'à quelques % massique). Ainsi, dans un acier la concentration en carbone est inférieure à 2 % massique (inférieure à 7 % massique dans le cas de la fonte), alors qu'il est possible de faire un alliage cuivre-zinc (communément appelé laiton) avec 50 % de chacun des éléments.

Histoire

Il existe également des alliages dits naturels, par exemple l'électrum, alliage d'or et d'argent natifs utilisé dans la Préhistoire et l'Antiquité : Varna, Asie Mineure, Ur, Égypte, entre autres. Au IIIe siècle av. J.-C., dans un ouvrage Sur les Pierres^[2], le philosophe Théophraste explique le titre d’un alliage est déterminé en collybos^[3], drachmes ou demi-drachme - ou encore en grains d'orge^[4].

Alliage binaire

Alliage binaire à une seule phase

Un alliage homogène est constitué d'une seule phase solide homogène. Pour obtenir un alliage homogène, il faut qu'il y ait miscibilité totale entre les éléments d'alliage. Il y a deux possibilités :

1. Les deux éléments d'alliage sont solubles l'un dans l'autre quelles que soient leurs proportions respectives.
2. La concentration de l'élément d'alliage est inférieure à la limite de solubilité.

Les règles de Hume-Rothery indiquent les conditions pour obtenir un alliage homogène avec solubilité totale à l'état solide.

Diagramme de phases Bi-Sb.

Le bismuth et l'antimoine sont totalement solubles l'un dans l'autre. Ils forment donc une solution solide quelles que soient la composition chimique et la température (à la condition de rester dans l'état solide c'est-à-dire en dessous de la température de solidus). Le diagramme de phase qui en résulte est dans ce cas un diagramme à un fuseau.

Diagramme de phases Cu-Ni

D'autres couples de métaux présentent une bonne miscibilité permettant d’obtenir des solutions solides homogènes à certaines températures : cuivre-nickel, cuivre-palladium, argent-or, argent-palladium, molybdène-vanadium, molybdène-tungstène, etc.

Certains alliages binaires présentent un défaut de solubilité à basses températures. Il apparait sur le diagramme de phase un secteur où cohabitent deux phases, la première étant constituée d'une solution solide saturée de B dans A, et inversement la deuxième phase étant constituée d'une solution solide saturée de A dans B. C'est le cas par exemple du système cuivre-nickel qui présente en dessous de 322 °C une zone avec deux phases.

Alliage binaire à plusieurs phases

Un autre type de diagramme de phases relativement commun dans les alliages binaires est un diagramme de phase eutectique. Ce type de diagramme de phase présente un certain nombre de caractéristiques importantes méritant d'être signalées. Tout d'abord, il existe trois régions monophasées qui sont visibles sur le schéma : α, β et liquide. Sur la figure à gauche, la phase α est une solution solide riche en cuivre, qui a pour soluté l'argent et présente une maille de structure CFC (cubique à faces centrées). La phase β (solution solide) est également caractérisée par une structure CFC, mais pour laquelle le cuivre est le soluté.

Diagramme de phases Cu-Ag

Ainsi, la solubilité de l'élément d'addition dans chacune de ces phases solides est limitée. Autrement dit la concentration d'argent qui peut se dissoudre dans le cuivre (pour la phase α) sans en modifier la structure cristallographique est limitée. Pour la même raison l'addition de cuivre dans l'argent (phase β) est limitée. La limite de solubilité de la phase α correspond à la ligne de démarcation, marquée "CBA".

Pour des températures inférieures à 779 °C (1 434 °F), la ligne correspondant à la limite de solubilité solide qui sépare la région de la phase α et la région de coexistence des phases α + β est appelée une ligne de solvus. La frontière séparant la phase α et la région α + L est la ligne de solidus (AB), tandis que la ligne séparant la région α + L et le domaine liquide est la ligne de liquidus (AE). Pour la partie riche en argent du diagramme de phases, trois lignes existent également : solvus (HG), solidus (GF) et liquidus (EF). La ligne horizontale BEG, qui est parallèle à l'axe des abscisses s'étend entre les maxima de solubilité respectifs des phases α et β. Elle est appelée palier eutectique et peut aussi être considérée comme une ligne de solidus, représentant la température la plus basse à laquelle une phase liquide peut exister à l'équilibre thermodynamique pour tout alliage de cuivre et d'argent.

Il y a aussi trois régions de deux phases trouvées dans le système cuivre-argent. Comme l'argent est ajouté au cuivre, la température à laquelle les alliages deviennent totalement liquides diminue au long de la ligne liquidus (ligne AE); ainsi, la température de fusion du cuivre est réduite par l'ajout d'argent. C'est le même principe pour les alliages dont le composé majoritaire est l'argent : l'introduction de cuivre réduit la température de fusion complète au long de la ligne liquidus FE. Ces lignes liquidus répondent au point E sur le diagramme de phase, par le biais de qui passe également la ligne horizontale isotherme BEG. Point E est le point eutectique, qui est désigné par la composition CE et de la température TE; pour le système cuivre-argent, les valeurs de la CE et TE sont 71,9 wt% Ag et 779 °C (1 434 °F), respectivement.

Une importante réaction a lieu dans un alliage de composition «CE» cependant elle change la température en passant par TE. Sur le refroidissement, une phase liquide est transformée en deux phases solides (α et β) à la température TE, la réaction inverse se produit sur l'échauffement. C'est ce qu'on appelle une réaction eutectique (eutectique signifie facilement fondu), et CE et TE représentent les composition et température eutectiques, respectivement. Souvent, la ligne solidus horizontale à TE est appelé isotherme eutectique. La réaction eutectique, sur le refroidissement, est similaire à la solidification des composants purs en ce que la réaction à terme à une température constante, ou isométriquement, à TE. Toutefois, le produit solide de la solidification eutectique est toujours deux phases solides, alors que pour un simple composant, une seule phase se forme. À cause de cette réaction eutectique, les diagrammes de phase similaires à ceux de la figure du diagramme Ag-Cu sont qualifiées de diagrammes de phase eutectiques.

Dans la construction de diagrammes de phases binaires, il est important de comprendre qu'un ou au maximum deux phases peuvent être en équilibre dans une région de phase. Pour un système eutectique, trois phases (α, β et L) peuvent être en équilibre, mais seulement à points au long de la ligne eutectique^[5].

Il y a des milliers de combinaisons possibles pour diagrammes de phases avec plusieurs phases. Certaines des principales caractéristiques des diagrammes de phases comprennent points congrus, où une phase solide se transforme directement en liquide. Il y a aussi le point péritectoïde, pour lequel une phase solide se transforme en deux phases solides différentes de la phase solide initiale, lors du chauffage. À l'inverse, si la transformation a lieu lors du refroidissement, on parle de point eutectoïde.

Un diagramme de phase complexe d'une grande importance technologique est celle de la fer-carbone système de moins de 7 % de carbone.

L'axe des X d'un tel schéma correspond à la concentration variable du mélange. Comme les mélanges sont généralement loin d'affaiblir et leur densité en fonction de la température est généralement inconnu, la mesure préféré est la concentration molaire. Un schéma fondé sur le volume de mesure comme molarité serait déconseillé.

Structure

Alliage homogène

Un élément d'addition qui forme une solution solide avec le métal de base peut être localisé soit à la place des atomes du métal majoritaire, on parle alors de « substitution », soit entre les atomes de l'élément majoritaire, on parle alors d'« insertion ».

Une substitution peut conduire soit à un alliage ordonné, c'est-à-dire que les atomes de différentes natures suivent une alternance régulière, ou à un alliage désordonné dans le cas où les différents atomes occupent des positions aléatoires.

Alliage hétérogène

Lorsque la teneur en élément d'alliage augmente, on peut avoir formation de deux phases : une phase contenant peu d'éléments d'alliage, et une phase à forte teneur en éléments d'alliage. Les cristallites à forte teneur sont appelés « précipités ».

Les précipités sont souvent des alliages ordonnés, que l'on appelle « intermétalliques ». Les intermétalliques ainsi formés sont parfois par la suite étudiés en tant qu'alliages propres, comme un nouveau matériau, et on essaie d'en produire en tant que tel et non plus en tant que précipités.

Exemples

Principaux alliages

Alliages de fer

• fonte : fer + carbone (à plus de 2,1 % et jusqu'à 6,7 % en masse de carbone)
• acier : fer + carbone (à moins de 2,1 % en masse de carbone)(+ des traces éventuelles de nickel, chrome, molybdène en faible pourcentage (< 4 %))
• acier inoxydable : fer + carbone + nickel + chrome, et parfois, molybdène, vanadium

Alliages de cuivre

• bronze : cuivre + étain ; l'« airain » est l'ancien nom du bronze
• laiton : cuivre + zinc
• billon : cuivre + argent ; utilisé principalement pour frapper des monnaies de faible valeur

Alliages d'aluminium

Ils sont aussi appelés alliages légers compte tenu de la masse volumique de l'aluminium comparée à celle des autres métaux.

Pour plus de détail voir les deux articles ci-dessous :

• Alliages d'aluminium pour corroyage
• Alliages d'aluminium pour fonderie

Alliages moins connus

• alliage plomb-étain : pour la brasure
• électrum : Or + argent
• amalgame : mercure + un autre métal, par exemple or ou cuivre ; le terme désigne également un mélange de métaux utilisé pour les soins dentaires (« plombage »)
• maillechort : cuivre + zinc + nickel
• monel® ­­ (nom commercial) : nickel + cuivre
• régule : étain ou plomb + antimoine
• ruolz : nickel + argent + cuivre
• Tumbaga : alliage d'or et de cuivre utilisé par les civilisations précolombiennes d’Amérique du Sud et de Mésoamérique.
• zamak : zinc + aluminium + magnésium + cuivre et autres « ZL » (composant principaux : zinc et aluminium)

Alliages pour des applications spécifiques

• ferrotitanes : fer + 25 à 70 % de Ti + 4 à 10 % d'aluminium
• TA6V : titane + 6 % aluminium + 4 % vanadium, très utilisé dans l'industrie aéronautique^{[note 1]}.
• MCrAl : métal + chrome + aluminium + parfois de l'yttrium (MCrAlY), alliages réputés pour leur bonne tenue mécanique et résistance à la corrosion à haute température
  • FeCrAl : fer + chrome + aluminium
  • NiCrAl : nickel + chrome + aluminium
• superalliages à base nickel (par exemple les inconels) : bonne tenue mécanique et résistance à la corrosion à haute température
• intermétalliques : alliages ordonnés, respectant une stœchiométrie précise (mais des écarts à la stœchiométrie sont tolérés)
  • NiAl β : 50 % nickel + 50 % aluminium
  • FeAl B2 : 50 % fer + 50 % aluminium
  • TiAl : 50 % titane + 50 % aluminium

• Les alliages présentant de faibles coefficients de dilatation (créés par Charles Édouard Guillaume)
  • Invar (36 % de nickel, 0,4 % de manganèse, 0,1 % de carbone, 63,5 % de fer), dix fois moins dilatable que le fer
  • Élinvar (Nivarox, Métélinvar, Isoval) (nickel, chrome, fer)

• FeNiCo un alliage 54 % fer + 29 % nickel + 17 % cobalt destiné au scellement verre/métal ou céramique/métal

Références

Notes

1. ↑ La désignation usuelle française TA6V est basée sur l'ancienne norme NF A 02-004 aujourd'hui annulée, sa désignation chimique est Ti Al 6 V.

Voir aussi

• superalliages

Articles connexes

• Désignation des métaux et alliages
• Loi de Vegard

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