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Métallurgie physique : rappels et compléments

Diagrammes de phases

Vladimir Esin

Sommaire

1Diagramme de phases : qu"est-ce que c"est?

2Quelques définitions

Phase

Nombre de degrés de libertés

Constituant

3Règle de phases de Gibbs

4Types de diagrammes de phases binaires

5Lecture de diagrammes de phases

6Utilisation des diagrammes de phases

Détermination de la composition d"équilibre des phases Règle des segments inverses (Règle du bras de levier)

7Diagrammes ternaires

Vladimir EsinDiagrammes de phases2 / 18

Diagramme de phases : qu"est-ce que c"est?

Diagramme p-T d"un système à un constituant

Vladimir EsinDiagrammes de phases3 / 18

Quelques définitions

Unephaseest une partie homogène d"un système hétérogène avec des compositions chimiques et propriétés physiques définies. Différentes phases

sont séparées par une interface.Lenombre de degrés de libertés(V) est le nombre de paramètres

nécessaires pour décrire le système en équilibre.Lenombre de constituants(C) est le nombre de substances qui forment le

système (moins le nombre de réactions chimiques indépendantes qui relient ces constituants).

Vladimir EsinDiagrammes de phases4 / 18

Règle de phases de Gibbs

V=C-?+2Vest le nombre de degrés de liberté

Cest le nombre de constituants

?est le nombre de phases

"2"est les température et pressionPour les diagrammes de phase la pression est constante (1 atm.)?

V=C-?+1CommeV>0,?6C+1 :système binaire (C=2)??max=3système ternaire (C=3)??max=4systéme quaternaire (C=4)??max=5...

Vladimir EsinDiagrammes de phases5 / 18

Types de diagrammes de phases binaires

Type I1Miscibilité totale à l"état liquide

2Miscibilité totale à l"état solide

Lest une phase liquide

Sest une phase solideVladimir EsinDiagrammes de phases6 / 18

Types de diagrammes de phases binaires

Type II1Miscibilité totale à l"état liquide

2A et B non miscibles à l"état solide

Aest le constituant A pur

Best le constituant B pur

Transformationeutectique

L←→A+BVladimir EsinDiagrammes de phases7 / 18

Types de diagrammes de phases binaires

Type III-11Miscibilité totale à l"état liquide

2Solubilité limitée à l"état solide

αest une solution solide à base de A

βest une solution solide à base de B

Transformationeutectique

L←→α+βVladimir EsinDiagrammes de phases8 / 18

Types de diagrammes de phases binaires

Type III-21Miscibilité totale à l"état liquide

2Solubilité limitée à l"état solide

αest une solution solide à base de A

βest une solution solide à base de B

Transformationpéritectique

L+α←→βVladimir EsinDiagrammes de phases9 / 18

Types de diagrammes de phases binaires

Type IV1Miscibilité totale à l"état liquide

2Solubilité limitée à l"état solide

3Composé à fusion congruente

γest un composé non-stoechiométrique à fusion congruente (solution solide intermédiaire)

Vladimir EsinDiagrammes de phases10 / 18

Types de diagrammes de phases binaires

Type V1Miscibilité totale à l"état liquide

2Solubilité limitée à l"état solide

3Composé à fusion non-congruente

A

2Best un composé stoechiométrique à fusion non-congruente (composé défini)

γest un composé non-stoechiométrique à fusion congruente (solution solide intermédiaire)

Vladimir EsinDiagrammes de phases11 / 18

Types de diagrammes de phases

Autres transformationsMonotectique :L1←→L2+SMétatectique :S1←→S2+L Syntectique :L1+L2←→SVladimir EsinDiagrammes de phases12 / 18

Lecture de diagrammes de phases

1Identifier toutes les régions monophasées

2Définir les phases dans des régions biphasées : les régions monophasées sont

toujoursséparées par des régions biphasées3Identifier les transformations eutectiques et péritectiques

Vladimir EsinDiagrammes de phases13 / 18

Exemples

Fe-C Ni-Al

1Décrire toutes les phases sur le diagramme. Donner :

I la solubilité maximale des éléments dans les solutions solides (at. ou mass. %)

Iles formules chimiques des composés définis et leurs températures de fusion2Définir les phases en équilibre pour chaque région du diagramme

3Ecrire les équations pour toutes les transformations, donner les températures de ces

transformations4Construire les courbes de refroidissement (Température vs temps). Décrire les processus lors de refroidissement. Calculer le nombre de degrés de liberté pour chaque partie de ces courbes en précisant les constituants et les phases en présence.

Vladimir EsinDiagrammes de phases14 / 18

Utilisation des diagrammes de phases

1Détermination de la composition d"équilibre des phases

2Règle des segments inverses (Règle du bras de levier)

Vladimir EsinDiagrammes de phases15 / 18

Diagrammes ternaires

Diagrammes en 3D : deux axes de concentration et un axe de température

Analyse des coupes isothermes

Analyse des coupes isoplèthes

Vladimir EsinDiagrammes de phases16 / 18

Diagrammes ternaires

Exemple du système Al-Mg-SiCoupe isotherme à 1000°CCoupe isoplèthe pour x

Si=0.5Vladimir EsinDiagrammes de phases17 / 18

Crédits photographiques

Boris S. Bokstein, Mikhail I. Mendelev, David J. Srolovitz, "Thermodynamics and Kinetics in Materials Science. A Short Course." Oxford University Press 2005,

New York.

Vladimir EsinDiagrammes de phases18 / 18

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