Chapitre 3: Transformations de phases PDF

1 2025/2024 Préparé par: Prof. A. RIAD  Chapitre 3: Transformations de phases I- Introduction Les transformations de phases désignent l'ensemble des processus au cours desquels un matériau change d'une phase à une autre, ce qui modifie sa structure atomique ou moléculaire et entra...

1 2025/2024 Préparé par: Prof. A. RIAD  Chapitre 3: Transformations de phases I- Introduction Les transformations de phases désignent l'ensemble des processus au cours desquels un matériau change d'une phase à une autre, ce qui modifie sa structure atomique ou moléculaire et entraîne des variations de ses propriétés physiques et mécaniques. 2  Chapitre 3: Transformations de phases II- Les diagrammes de phases ou d’équilibre  État de matière et phase  L'état de la matière décrit la forme physique L'état de la matière générale dans laquelle se trouve un matériau. Les trois états de la matière les plus courants sont : Liquide Gazeuse Solide  Phase: Toute zone de l'alliage possédant les mêmes propriétés physiques et chimiques et la même composition appartiennent à la même phase.  Chaque phase est caractérisée par sa structure cristalline et sa composition chimique. Les phases sont séparées par une interface appelée joint de phase. 3  Chapitre 3: Transformations de phases II- Les diagrammes de phases ou d’équilibre Les diagrammes de phases (diagrammes d'équilibre) sont des outils graphiques utilisés en science des matériaux, en métallurgie et en chimie pour représenter les conditions (température, pression, composition) sous lesquelles les phases d’un système existent en équilibre. 4  Chapitre 3: Transformations de phases II- Les diagrammes de phases ou d’équilibre  Types de diagrammes de phases Il existe plusieurs types de diagrammes de phases selon le système étudié. Les plus courants sont les suivants : Diagramme de phase À solubilité Pression- Ternaires Binaires limitée température 5  Chapitre 3: Transformations de phases II- Les diagrammes de phases ou d’équilibre  Diagrammes Binaire Les diagrammes binaires sont des représentations graphiques qui illustrent le comportement de systèmes composés de deux constituants en fonction de la température et de la composition. Types de Diagrammes Binaires Isomorphe Eutectique Péritectoïde Eutectoïde 6  Chapitre 3: Transformations de phases II-. Les diagrammes de phases ou d’équilibre  Diagramme de phases binaire isomorphe : avec une miscibilité totale TB liquidus un diagramme de phases binaire isomorphe avec une miscibilité totale entre les deux composants, A et solidus TA B, en phase solide et liquide. A Composition % B Exemple de diagramme du 1er type : anorthite - albite, Au - Ag, Co - Ni, Au - Pt, Al2O3 -Cr2O3... Les composants A et B sont solubles l'un dans l'autre en toutes proportions, ce qui signifie qu'ils forment une solution solide unique pour toutes les compositions et températures en dessous du liquidus. 7  Chapitre 3: Transformations de phases II-. Les diagrammes de phases ou d’équilibre  Diagramme de phases binaire isomorphe : Les courbes de refroidissement liquide T T L’ L L L" L" L’ M" M’ sol + l M N" N’ TB TB N solide composition B pur temps 8  Chapitre 3: Transformations de phases II-. Les diagrammes de phases ou d’équilibre Le système eutectique T Liquide TB Point TA Température eutectique eutectique L+b b a L+a Teut D C E Eutectique a + b Segment eutectoïde CD A Composition B Transformation eutectique : liquide 2 solides a et b. 9  Chapitre 3: Transformations de phases II- Les diagrammes de phases ou d’équilibre  Règle des phases de Gibbs La règle des phases de Gibbs permet de déterminer le nombre de phases qui peuvent coexister dans un système en équilibre thermodynamique. Elle s'exprime de la façon suivante : 𝑽=𝑪+𝑵−𝞥 V : est la variance du système physique en équilibre. C : représente le nombre de constituants du système. 𝑽=𝑪+𝟏−𝞥 N : c’est le nombre de facteurs d’action (nbre de facteurs physiques: Température et Pression) Ф : Le nombre des phases en présence. 10  Chapitre 3: Transformations de phases II-. Les diagrammes de phases ou d’équilibre  Énoncé Un ingénieur travaille sur un alliage de cuivre (Cu) et de nickel (Ni), qui est un système binaire utilisé dans l’industrie pour ses propriétés de résistance à la corrosion. Le système est soumis à deux facteurs d’action : la température et la pression (N=2), et il présente deux phases en équilibre (une phase solide et une phase liquide) à une certaine composition et température.  Déterminez le nombre de degrés de liberté V du système 1.Identification des valeurs données :  Nombre de constituants (C) : 2 (Cuivre et Nickel)  Nombre de facteurs d’action (N) : 2 (Température et Pression)  Nombre de phases en présence (Φ) : 2 (Phase solide et phase liquide) 2.Application de la formule : V=C+N−Φ En substituant les valeurs : V=2+2−2 A.N: V=2 11  Chapitre 3: Transformations de phases II-. Les diagrammes de phases ou d’équilibre T (°C)  Règles d’utilisation: Règle de l’horizontale A B T0 La Règle de l’horizontale (Règle du levier) est une méthode utilisée pour déterminer les fractions relatives de phases présentes dans un alliage biphasé lors d’une A 𝐶𝛼 𝐶𝛽 B Transformations de phases* (% B) Pour un alliage de composition C0​ à une température TTT, où les compositions des deux phases α et β sont respectivement Cα et Cβ​, La fraction massique de chaque phase est : 𝑪𝟎 − 𝑪𝜷 𝒇𝜶 = 𝑪𝜶 − 𝑪𝜷 𝑪𝜶 − 𝑪𝟎 𝒇𝜷 = 12 𝑪𝜶 − 𝑪𝜷  Chapitre 3: Transformations de phases II-. Les diagrammes de phases ou d’équilibre  Règles d’utilisation: Règle des segments inverses Pour un alliage en cours de solidification, cette règle permet de déterminer les pourcentages des phases en présence dans l’alliage pour une concentration massique donné et une température bien déterminée. D’après la loi des mélanges, on peut écrire : % 𝛼 𝐶𝛼 + % 𝛽 𝐶𝛽 = 𝐶𝑝 %𝛼 + %𝛽 =1 𝐶𝛽 − 𝐶𝑝 𝑃𝐵 𝐶𝑝 − 𝐶𝛼 𝑃𝐵 [ % α]: Pourcentage de la phase α %𝛼 = = %𝛽 = = 𝐶𝛽 − 𝐶𝛼 𝐴𝐵 𝐶𝛽 − 𝐶𝛼 𝐴𝐵 [ % β ]: Pourcentage de la phase β Ci: Composition en phase 13  Chapitre 3: Transformations de phases II-. Les diagrammes de phases ou d’équilibre  Règle de conversion entre fractions massique et molaire Masses Masse Dans le mélange La règle de conversion entre fractions massique et Composants Molaire volumique Masses Nbr de moles fractions molaires est importante pour passer d'une représentation à une autre lorsqu'on travaille avec 1 A1 ρ1 m1 n1 des mélanges ou des alliages. 2 A2 ρ2 m2 n2 La fraction massique de chaque composant est On voit de même que Ca1 + Ca2 = 100%. calculée comme suit : 𝑚1 𝑚2 Expression de la fraction molaire en fonction de 𝐶𝑚1 = ∗ 100 𝐶𝑚2 = ∗ 100 la fraction massique : 𝑚1 + 𝑚2 𝑚1 + 𝑚2 𝐶𝑚1 + 𝐶𝑚2 = 100%  Cm A 1 2  Cm A 2 1 *100 Ca *100 Ca 1 Cm A  Cm A 1 2 2 1 2 Cm A  Cm A 1 2 2 1 La fraction molaire de chaque composant Avec m et m. n  1 n  2 est calculée comme suit : 1 A 1 2 A 2 Expression de la fraction massique en fonction de la fraction molaire : 𝑛1 𝑛2 𝐶𝑎1 = ∗ 100 𝐶𝑎2 = ∗ 100  Ca A  Ca A *100 𝑛1 + 𝑛2 𝑛1 + 𝑛2 Cm 1 1 *100 Cm 2 2 1 Ca A  Ca A 1 1 2 2 2 Ca A  Ca A 1 1 2 2 14  Chapitre 3: Transformations de phases II-. Les diagrammes de Fer-Carbone  Composition du fer et des alliages Fe-C Le diagramme de phases fer- carbone permet de comprendre les transformations qui se produisent dans les aciers et les fontes. Il montre comment le fer (Fe) et le carbone (C) interagissent à différentes températures et concentrations de carbone. 15  Chapitre 3: Transformations de phases II-. Les diagrammes de Fer-Carbone  Composition du fer et des alliages Fe-C a) Phases du fer-carbone Austénite (γ-Fe) : Fer sous forme cubique à faces centrées (CFC), capable de dissoudre plus de carbone. Elle est présente à haute température. Ferrite (α-Fe) : Fer sous forme cubique centrée (CC), avec une solubilité très faible de carbone. Cémentite (Fe3C) : Un composé intermétallique très dur et fragile qui se forme à haute concentration de carbone. Perlite : Un mélange lamellaire de ferrite et de cémentite, formé par refroidissement lent d’un alliage d’austénite. b) Transformation eutectoïde À 727°C et une teneur en carbone de 0,76%, l’austénite se transforme en perlite selon une transformation eutectoïde. Cette température marque un point critique pour les aciers, déterminant leurs propriétés mécaniques (dureté, ductilité). 16  Chapitre 3: Transformations de phases II-. Les diagrammes de Fer-Carbone  Composition du fer et des alliages Fe-C Il existe en réalité deux types de diagrammes fer-carbone : + L (a) : Diagramme d’équilibre métastable Fer-Cémentite, (b) : Diagramme d’équilibre stable Fer-Graphite (en traits interrompus.) 17  Chapitre 3: Transformations de phases II-. Les diagrammes de Fer-Carbone  Composition du fer et des alliages Fe-C Il existe en réalité deux types de diagrammes fer-carbone :  Diagramme métastable (Fer-Cémentite Fe₃C) : Dans le diagramme métastable, le carbone est sous + L forme de cémentite (Fe₃C), un carbure de fer. Formation de cémentite : 3 𝐹𝑒 + 𝐶 → 𝐹𝑒3 𝐶 Le carbone réagit avec le fer pour former de la cémentite. Cette réaction est favorisée par des conditions de refroidissement rapides, typiques des (a) : Diagramme d’équilibre métastable Fer-Cémentite, procédés industriels de fabrication d'acier. 18  Chapitre 3: Transformations de phases II-. Les diagrammes de Fer-Carbone  Composition du fer et des alliages Fe-C Il existe en réalité deux types de diagrammes fer-carbone : Transformation eutectique (à 4,3 % de C et environ 1147°C) : + L 𝐿 (𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑒) ⟶ 𝛾(𝐴𝑢𝑠𝑡é𝑛𝑖𝑡𝑒) + 𝐹𝑒3𝐶(𝐶é𝑚𝑒𝑛𝑡𝑖𝑡𝑒) Cette transformation montre la solidification de l'alliage liquide en un mélange d’austénite et de cémentite, formant ce qu'on appelle la lédeburite.  Transformation eutectoïde (à 0,76 % de C et 727°C) : γ(Austénite)⟶α(Ferrite)+𝐹𝑒3𝐶(𝐶é𝑚𝑒𝑛𝑡𝑖𝑡𝑒) (a) : Diagramme d’équilibre métastable Fer-Cémentite, Dans cette réaction, l’austénite se décompose en ferrite et de la cémentite.  Chapitre 3: Transformations de phases II-. Les diagrammes de Fer-Carbone  Composition du fer et des alliages Fe-C Il existe en réalité deux types de diagrammes fer-carbone : La cémentite est un carbure de métastable dont la +L décomposition en fer et en graphite est comme suit : 1154 2.03 4.25 𝐹𝑒3 𝐶 → 3𝐹𝑒 + 𝐶 (𝑔𝑟𝑎𝑝ℎ𝑖𝑡𝑒) C (graphite)  + C (graphite) C’est donc le diagramme métastable qui intervient 738 0.69 dans la majorité des cas : aciers et fontes blanches. Le diagramme stable ne sera utilisé que pour l’étude a+C 100 des fontes grises (2 à 3 % de Si). (b) : Diagramme d’équilibre stable Fer-Graphite. 20  Chapitre 3: Transformations de phases II-. Les diagrammes de Fer-Carbone  Composition du fer et des alliages Fe-C Il existe en réalité deux types de diagrammes fer-carbone :  Transformation eutectique (à 4,25 % de C et environ +L 1147°C) : 1154 L (liquide)⟶γ(Austénite)+Graphite (C) 2.03 4.25  + C (graphite) C (graphite) Cette réaction montre la transformation du liquide en 738 austénite et graphite lors de la solidification dans les 0.69 alliages à haute teneur en carbone. a+C  Transformation eutectoïde (à 0,69 % de C et 727°C) : 100 γ(Austénite)⟶α(Ferrite)+Graphite (C) (b) : Diagramme d’équilibre stable Fer-Graphite. Dans cette réaction, l’austénite se décompose en ferrite et graphite au lieu de la cémentite. 21  Chapitre 3: Transformations de phases II-. Les diagrammes de Fer-Carbone  Aciers eutéctoides (% C ~ 0,8 %)  Composition du fer et des alliages Fe-C Transformation eutectoïde (à 0,76 % de C et 727°C) : 𝛾(𝐴𝑢𝑠𝑡é𝑛𝑖𝑡𝑒) ⟶ 𝛼(𝐹𝑒𝑟𝑟𝑖𝑡𝑒) + 𝐹𝑒3𝐶(𝐶é𝑚𝑒𝑛𝑡𝑖𝑡𝑒) Lors de cette transformation, l’austénite se décompose en ferrite et cémentite, formant un microstructure appelée perlite (mélange lamellaire de ferrite et de cémentite). 22  Chapitre 3: Transformations de phases II-. Les diagrammes de Fer-Carbone  Aciers eutéctoides (% C = 0,8 %) Microstructures de l’acier eutectoïde (0,8%C) Fond blanc de ferrite Nodules sphériqu de Fe3C  Chapitre 3: Transformations de phases II-. Les diagrammes de Fer-Carbone  Aciers hypoeutéctoides (% C < 0,8 %)  Aciers hypereutéctoides (% C > 0,8 %)  Chapitre 3: Transformations de phases II-. Les diagrammes de Fer-Carbone  Aciers hypereutéctoides (% C > 0,8 %) Microstructures des aciers hypereutectoïdes Perlite + Cémentite (%C>0,8%C) Filets de Perlite Cémentite Voici la microstructure de cet alliage à température ambiante. On discerne les fins filets de cémentite entourant les grains de perlite. 26  Chapitre 3: Transformations de phases II-. Les diagrammes de Fer-Carbone La microstructure de l’alliage évolue donc d’une microstructure ferrito-perlitique à une microstructure constituée de cémentite et de perlite lorsque la teneur en carbone augmente. Or c’est la cémentite qui est la phase la plus dure. F+P P P+C Chapitre 3: Transformations de phases 28  Chapitre 3: Transformations de phases II-. Les diagrammes de phases ou d’équilibre  Classification micrographique  Classification morphologique Désignation % de carbone Teneur en carbone Constitution Acier hypoeutectoïde 0.02 à 0.8 0 < % C < 0,02 Ferrite + Cémentite (3ème) 0,02 < % C < 0,8 Ferrite proeutéctoide + perlite Acier eutectoïde 0.8 (Hypoeutéctoide) Acier hypereutectoïde 0.8 à 2 % C ~ 0,8 Perlite Fonte hypoeutectique 2 à 4.3 (eutéctoide) Fonte eutectique 4.3 0,8 < % C < 2,11 Cémentite proeutéctoide (Hypereutéctoide) + Perlite Fonte hypereutectique 4.3 à 6.67 29  Chapitre 3: Transformations de phases II-. Les diagrammes de Fer-Carbone Les transformations allotropiques du fer en fonction de la température T °C 912 1394 1538 Fer α Fer γ Fer δ 30  Chapitre 3: Transformations de phases II-. Les diagrammes de Fer-Carbone Les transformations allotropiques du fer en fonction de la température 31  Chapitre 3: Transformations de phases IV- Cristallographie 32  Chapitre 3: Transformations de phases IV- Cristallographie 4 Cas Possibles : Au Centre Sur les Faces Sur les Arêtes Sur les sommets => Compte pour 1 => Compte pour => Compte pour 1/4 => Compte pour 1/8 1/2 33  Chapitre 3: Transformations de phases IV- Cristallographie  Compacité et Masse Volumique : Modèle des sphères dures indéformables => Chaque motif du cristal par une sphère dure  Compacité : Rapport du volume réellement occupé par les sphères sur le volume total de la maille Masse Volumique : Rapport masse d’une maille / volume 34  Chapitre 3: Transformations de phases IV- Cristallographie  Cubique Simple (CS) La maille : 1 nœud à chaque sommet d’un cube Contact au niveau de l’arête : a  2R Population : 1 𝑁 =8× =1 8 Compacité : 4 2 𝑉𝑜𝑐𝑐𝑢𝑝é 3 𝜋 𝑅 𝜋 𝐶= = 𝐶= = 52% 𝑉𝑀𝑎𝑖𝑙𝑙𝑒 (2𝑅)3 6 35  Chapitre 3: Transformations de phases IV- Cristallographie  Cubique Centré (CC) La maille :1 nœud à chaque sommet d’un cube + 1 nœud au centre 1 Population 𝑁 =8× +1×1=2 8 :  Contact au niveau de la grande diagonale : 4 a 3  4R  a R 3 a a3 Rappel mathématique : Petite diagonale : a a2 Grande diagonale : a a2  Compacité : 4 3 𝑉𝑜𝑐𝑐𝑢𝑝é 2 3 𝜋 𝑅 𝐶= = 𝜋 3 𝑉𝑀𝑎𝑖𝑙𝑙𝑒 ( 4 𝑅)3 𝐶= = 68% 8 3 36  Chapitre 3: Transformations de phases IV- Cristallographie Cubique Faces Centrées (CFC) La maille : 1 nœud à chaque sommet d’un cube + 1 nœud au centre de chaque face du cube Population : N81614 8 2 4𝑅 Contact au niveau de la petite diagonale : a 2  4R  𝑎= = 2 2𝑅 2 4 𝑉𝑜𝑐𝑐𝑢𝑝é 4 3 𝜋 𝑅3 𝜋 Compacité : 𝐶= = 𝑉𝑀𝑎𝑖𝑙𝑙𝑒 (2 2𝑅)3 𝐶= = 74% 3 2 37  Chapitre 3: Transformations de phases IV- Caractéristiques mécaniques : Dureté la dureté : Propriété mécanique indiquant la résistance d’un matériau à la déformation, aux rayures et à l'usure. Importance de la mesure de la dureté : Utilisation dans le choix des matériaux pour des applications spécifiques en ingénierie et en conception de produits. Types de dureté : Explication brève des différentes échelles de dureté (dureté de surface, dureté en profondeur, etc.).  Chapitre 3: Transformations de phases IV- Caractéristiques mécaniques : Dureté  Méthode de Dureté Brinell Principe de mesure : Utilisation d'une bille en acier ou en carbure de tungstène pour imprimer une empreinte sur le matériau testé. Formule de calcul de la dureté Brinell : HB : Indice de dureté Brinell. 2𝐹 𝐻𝐵 = F : Force appliquée sur la bille (en newtons, N). 𝑔𝜋𝐷. (𝐷 − 𝐷2 − 𝑑 2 ) g : Accélération due à la gravité (9,80665 m/s). D : Diamètre de la bille (en millimètres, mm). d : Diamètre de l'empreinte laissée par la bille 39  Chapitre 3: Transformations de phases IV- Caractéristiques mécaniques : Dureté  Méthode de Dureté Vickers Principe de mesure : Utilisation d’un pénétrateur en forme de pyramide de diamant sous une charge précise. Formule de calcul de la dureté Vickers 136° 2𝐹. sin 𝐻𝑉 = 2 𝑔𝑑 2 HV : Indice de dureté Vickers. F : Force appliquée sur le pénétrateur (en newtons, N). g : Accélération due à la gravité (9,80665 m/s). d : Moyenne des diagonales de l'empreinte laissée par le pénétrateur 41