Fiche de révision : Alliages métalliques et microstructures

📋 Plan du Cours

1. Échelles et choix des matériaux
2. Structures cristallines et solutions solides
3. Grains et architecture polycristalline
4. Diagrammes d’équilibre et microstructures
5. Phases et transformations des aciers
6. Élaboration et propriétés mécaniques

📖 1. Échelles et choix des matériaux

★ À maîtriser

• En service, un matériau subit des sollicitations :

  • thermiques
  • mécaniques
  • électriques
  • environnementales

• Le choix d’un matériau en conception dépend de sa compatibilité avec les procédés de fabrication et avec la structure visée.

Compléments

📌 L’état liquide est désordonné, tandis que l’état solide présente un ordre atomique.

• Dans un métal solide, la liaison métallique partagée dans un nuage d’atomes forme un réseau tridimensionnel ordonné à longue distance.

📖 2. Structures cristallines et solutions solides

🔑 Notions clés & Définitions

• Maille élémentaire : La maille élémentaire est définie par trois axes de longueurs a, b et c et trois angles α, β et γ.
• Motif : Le motif désigne la position des atomes dans la maille et peut être simple, centré ou à faces centrées.
• Solution solide : Une solution solide est une phase solide unique constituée d’atomes A et B distribués de façon aléatoire.

📝 Points essentiels

• La combinaison d’une maille élémentaire et d’un motif conduit aux 14 réseaux de Bravais.

• Dans une solution solide, les atomes étrangers peuvent s’insérer dans les volumes libres de la maille ou se substituer à des atomes du réseau.

📖 3. Grains et architecture polycristalline

🔑 Notions clés & Définitions

• Polycristal : Un polycristal est un solide constitué de cristaux, ou grains, accolés et présentant des orientations différentes.
• Monocristal : Un monocristal est un solide constitué d’un seul grain, comme certaines aubes de turbine.

★ À maîtriser

• L’orientation des grains influe sur les propriétés mécaniques du matériau.

Compléments

• La taille des grains s’étend généralement de quelques micromètres à un millimètre.

• Dans un grain, les mailles cristallines forment un réseau périodique dans les trois directions.

📖 4. Diagrammes d’équilibre et microstructures

🔑 Notions clés & Définitions

• Diagramme d’équilibre binaire : Un diagramme d’équilibre binaire indique les phases présentes selon la température et la composition chimique d’un alliage constitué de deux éléments, à l’équilibre obtenu par refroidissement lent depuis l’état liquide.

★ À maîtriser

• La prédiction des microstructures consiste à déterminer les phases stables à une température donnée en minimisant l’énergie pour une composition chimique donnée, tout en tenant compte de la vitesse de refroidissement.

• Dans un domaine comportant plusieurs phases à température ambiante, la microstructure dépend de la composition chimique.

• Au point eutectique, le liquide se transforme à température constante en phases solides α et β.

Compléments

• Un diagramme d’équilibre binaire à un seul domaine indique une seule phase à température ambiante.

• Les microstructures décrites comprennent : des grains à alternance lamellaire de phases α et β, des grains de α avec des précipités de β, des grains de α avec des lamelles de α + β

📌 La règle des segments inverses permet de déterminer les proportions des phases sur une ligne d’équilibre ; pour la phase L, la proportion est donnée par $\%L = \frac{C_1S_1}{L_1S_1}$.

💡 Astuce mémo

La composition et le refroidissement déterminent les phases, qui façonnent la microstructure.

📖 5. Phases et transformations des aciers

🔑 Notions clés & Définitions

• Austénite : L’austénite, notée γ, est une phase haute température qui peut être stabilisée à basse température.
• Ferrite : La ferrite est la phase α du diagramme d’équilibre des aciers.
• Cémentite : La cémentite est la phase de formule Fe₃C dans le diagramme d’équilibre des aciers.

★ À maîtriser

• Un acier est un alliage de fer contenant au maximum 2,1 % de carbone.

• Le point eutectoïde du diagramme des aciers se situe à 0,77 % de carbone et 727 °C.

Compléments

• Le diagramme des aciers distingue :
  • les aciers hypoeutectoïdes
  • les aciers eutectoïdes
  • les aciers hypereutectoïdes
  • les fontes

💡 Astuce mémo

L’équilibre forme les phases prévues par le diagramme ; la trempe peut produire de la martensite hors équilibre.

📖 6. Élaboration et propriétés mécaniques

★ À maîtriser

📌 Lors d’un refroidissement rapide, le diagramme d’équilibre ne décrit plus la transformation ; il faut utiliser un diagramme de transformation en refroidissement continu qui tient compte de la vitesse de refroidissement.

• La trempe des aciers forme de la martensite, une phase très dure mais aussi très fragile.

• Le comportement mécanique d’un alliage dépend de la nature et de la morphologie de ses phases.

📌 Un traitement thermomécanique vise à obtenir un mélange de phases adapté au cahier des charges.

Compléments

• La taille et l’orientation des grains ainsi que la nature des phases dépendent des conditions d’élaboration et de la composition chimique.

💡 Astuce mémo

Composition et conditions d’élaboration → microstructure → propriétés mécaniques.