Alliages métalliques.

Bonjour,

Tout d'abord, une petite définition :

Un alliage est un produit métallurgique résultant de l'incorporation à un métal d'un ou de plusieurs éléments (métalliques ou non), effectuée dans le but de modifier certaines de ses propriétés ou même de lui conférer des propriétés nouvelles.
[...]
Les alliages les plus courants sont ceux du fer (aciers alliés), du cuivre (bronze, laiton, cupronickel, maillechort), du plomb (alliage antifriction), du nickel, du chrome, du titane, de l'aluminium (Duralumin, Alpax), du zinc (Zamak). Les alliages légers sont surtout à base d'aluminium et de magnésium.

Propriétés
Les propriétés des alliages ne sont pas intermédiaires entre celles de leurs différents constituants. Par exemple, le point de fusion d'un alliage est toujours inférieur à celui des métaux purs qui le constituent. En revanche, les alliages sont souvent plus durs, moins malléables et moins ductiles que les matériaux de base. De même, ils sont en général nettement moins bons conducteurs de l'électricité que leurs constituants. Mais certains alliages (Invar, constantan) offrent des exceptions à ces constatations générales. L'intérêt principal des alliages est qu'ils présentent des propriétés physiques (masse volumique, conductivité thermique, conductibilité électrique, propriétés magnétiques, couleur), mécaniques (résistance à la traction, à la dureté, au fluage, à la résilience) ou chimiques (résistance à la corrosion) différentes de celles des métaux purs. Leurs propriétés usuelles dépendent de nombreux facteurs : composition nominale et équilibre entre les différentes phases solides, structure micrographique, mécanismes de durcissement employés lors de la fabrication.

source : Encyclopédie Larousse

Les utilisateurs d’alliages métalliques ont besoin de métal pouvant être mis en forme aisément et capable d’acquérir les caractéristiques mécaniques lui permettant de résister efficacement à la déformation plastique et à la rupture dans les conditions d’emploi. On sait que les principaux mécanismes de la déformation plastique ont pour origine le déplacement, sous contrainte, des dislocations qui sont des configurations particulières d’atomes que l’on trouve dans tous les corps cristallins. Pour durcir un métal, autrement dit augmenter sa limite d’élasticité, il faut donc trouver les moyens de gêner le déplacement des dislocations sans l’entraver totalement afin d’éviter une fragilité inacceptable. Pour ce faire, on introduit dans le réseau cristallin des obstacles de différentes sortes qui freinent le déplacement des dislocations ; ce sont par exemple :
- d’autres dislocations qui interceptent le plan de glissement des dislocations mobiles (durcissement par écrouissage) ;
- des atomes étrangers en insertion ou en substitution dans le réseau cristallin (durcissement par soluté) ;
- des précipités de particules de deuxième phase dispersées dans les grains (durcissement structural) ;
- des joints de grains et des interfaces entre les constituants majeurs de la microstructure.
L’action de ces obstacles, seuls ou en combinaison, conduit à un éventail de procédés de durcissement dont la maîtrise s’est développée au fur et à mesure que nos connaissances se sont affinées. Dans l’exposé qui suit, nous examinerons les principaux mécanismes de durcissement des aciers en nous limitant au cas où la température d’emploi est bien inférieure à la température de fusion. Dans un deuxième article dans le présent traité, nous montrons comment ces mécanismes sont utilisés pour le durcissement des différentes nuances d’aciers en fonction de leurs principaux constituants microstructuraux.
source : Durcissement des aciers - Mécanismes / Barry THOMAS, Jean-Hubert SCHMITT - Référence M4340 | Date de publication : 10 mars 2002
Ce document est consultable à la Bibliothèque municipale de Lyon via les Techniques de l'ingénieur

Vous pourrez également aborder les processus qui participent au durcissement des métaux en consultant l'ouvrage de Guy Murry "Métallurgie de base" (cote 669 MET - département Sciences et techniques de la bibliothèque de la Part Dieu - Lyon). Le durcissement d'un alliage binaire peut être dû à :
- un effet de solution solide agissant sur les solutions solides de A dans M et de M dans A (A étant un élément d'alliage et M un métal).
- une précipitation d'une deuxième phase (soution solide de M dans A ou composé défini).
L'auteur explique comment ces situations peuvent réaliser un durcissement aux pages 75 à 96.

Pour plus d'information, vous pouvez également poser votre question au service "point sciences" de la SFP (société française de physique).

Bonjour,

La société française de Physique (SFP), que nous remercions, propose cette réponse :

Je crois que ce que l'on peut dire, c'est qu'un alliage n'est pas un simple mélange. Les atomes de chacun des "parents" y occupent des positions spécifiques dans un réseau qui constitue un "cristal" dans lequel l'arrangement local se répète selon une certaine périodicité. Si la structure cristalline n'est pas apparente, en général, au niveau macroscopique, l'alliage est en fait un arrangement désordonné de microcristaux pour lesquels ce qui est dit ci-dessus est valable.


Les propriétés physiques de l'alliage résultent directement de cet arrangement et peuvent effectivement être très diverses, du point de vue mécanique (dureté, plasticité etc.) comme du point de vue électronique (conductivité electrique, propriétés magnétiques ...). Le type d'arrangement cristallin est lui-même déterminé localement par la structure électronique des atome "parents" (la "couche externe" d'électrons de l'atome).

Bien sûr, il n'y a pas de "réaction chimique" entre participants, pas de véritable échange ou mise en commun d'électrons, mais cela ne veut pas dire qu'il n'y a pas d'interactions localement entre atomes parents. Ce sont ces intercations qui déterminent finalement la structure.


Exemple d'alliage : or-cuivre à 750 millièmes ("18 carats"). Curieusement, si on compte les atomes, il y a exactement autant d'atomes d'or que de cuivre (le cuivre étant plus léger, cela fait davantage d'or en masse). Les atomes d'or sont aux sommets d'un réseau de cubes, les atomes de cuivre sont aux centres de ces cubes et ils constituent un résaeu identique à celui de l'or mais translaté.

Bonjour,

Voici une autre réponse de la société française de Physique (SFP) :

Voici quelques éléments de réponse, présentés de manière volontairement approximative, mais "imagée", sans faire intervenir le concept plus difficile de "dislocation".


Un métal est constitué d'atomes répartis sur un "réseau cristallin", par exemple les sommets et les centres d'un empilement de cubes.
Il se déforme plastiquement par glissement d'une partie sur l'autre, le long d'un plan, par exemple parallèle aux faces des cubes (ou diagonal).
Plus ce glissement est facile, plus le métal est mou (par exemple, l'or) ; plus le glissement est difficile, plus le métal est dur (par exemple, le fer).
Lorsqu'on mélange deux métaux, on peut faire, très schématiquement, deux types d'alliages : une solution solide ou un composé intermétallique.
Dans le premier cas (par exemple le chrome dans le fer), la structure cristalline reste inchangée, les deux types d'atomes se répartissant au hasard sur les sites.
Néanmoins, même dans ce cas, les atomes n'étant pas de la même taille, et les liaisons entre les deux types d'atomes n'étant pas les mêmes, le glissement se fait moins facilement (de manière imagée, les plans cristallins sont un peu "gondolés") : il y a donc un léger durcissement;
Dans le second cas (par exemple, magnésium-cuivre pour la composition MgCu2, "phase de Laves"), les deux types d'atomes sont de taille assez différente, et l'alliage s'organise selon un nouveau réseau cristallin, différent de ceux des deux métaux de départ. Les structures cristallines de ces composés intermétalliques sont plus complexes, et il n'y a en général pas de plan de glissement facile : l'alliage est beaucoup plus dur que les deux métaux de départ. D'ailleurs, dans la formation de ces composés, il y a l'équivalent d'une réaction chimique, avec une énergie de formation de l'alliage.
Ces composés intermétalliques se forment pour des proportions assez précises des deux métaux constituants. Pour des proportions quelconques, on forme souvent un système "biphasé" : par exemple une matrice solution solide, avec des petits amas de composé intermétallique. Ceux-ci bloquent le glissement et sont à l'origine d'un fort durcissement. C'est le cas des duralumins, alliages à base d'aluminium contenant un peu de cuivre : des petits précipités de composé intermétallique durcissent l'alliage. C'est grâce à cela qu'on peut les utiliser dans l'aéronautique ; l'aluminium pur est beaucoup trop mou. Les duralumins conjuguent légèreté et dureté.