Les caractéristiques mécaniques des métaux purs sont la plupart du temps relativement faibles. Le fait d'ajouter d'autres éléments permet de « durcir » le métal en augmentant ses caractéristiques mécaniques[1]. Outre les renforcements mécaniques engendrés par déformation, tels que l'écrouissage, il existe des durcissements chimiques par addition d'éléments ensolution solide ou par précipitation de phases secondaires durcissantes telles que lescarbures. Ces ajouts permettent également de modifier les caractéristiques chimiques, telle que la résistance à lacorrosion, ou d'améliorer d'autres caractéristiques, par exemple lacoulabilité.
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 lecarbone (dans l'acier ou lafonte) ou lesilicium (dans l'aluminium).
Quand l'élément d'alliage n'est pas un métal, sa teneur reste généralement faible (quelques % massique au maximum). 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 alliagecuivre-zinc (communément appelélaiton) avec 50 % de chacun des éléments.
Un alliage homogène est constitué d'une seulephase solide homogène. Pour obtenir un alliage homogène, il faut qu'il y aitmiscibilité totale entre les éléments d'alliage. Il y a deux possibilités :
Les deux éléments d'alliage sont solubles l'un dans l'autre quelles que soient leurs proportions respectives.
La concentration de l'élément d'alliage est inférieure à la limite desolubilité.
Lesrègles de Hume-Rothery indiquent les conditions pour obtenir un alliage homogène avec solubilité totale à l'état solide.
Lebismuth 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 desolidus). Lediagramme 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 apparaît 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 de322 °C une zone avec deux 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 ».
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 et779°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 lasolidification 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[6].
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 préférée est laconcentration molaire. Un schéma fondé sur le volume de mesure comme molarité serait déconseillé.
Un élément d'addition qui forme une solution solide avec le métal de base peut être localisé soit entre les atomes de l'élément majoritaire (on parle alors d'« insertion »), soit à la place des atomes du métal majoritaire (on parle alors de « substitution »).
Une substitution peut conduire, soit à un alliagedésordonné, où les différents atomes occupent des positions aléatoires, soit à un alliageordonné, où les atomes de différentes natures suivent une alternance régulière.
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. Lescristallites à forte teneur sont appelés « précipités ».
Lesprécipités 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.
Ils sont aussi appelésalliages légers compte tenu de lamasse volumique de l'aluminium comparée à celle des autres métaux. Le plus employé est leduralium, composé d'aluminium (95 %), de cuivre (4 %), demagnésium (0,5 %) et demanganèse (0,5 %).
Pour plus de détails voir les deux articles ci-dessous :
amalgame :mercure + un autre métal, par exempleor ou cuivre ; le terme désigne également un mélange de métaux utilisé pour les soins dentaires (« plombage »)
MCrAl : métal + chrome + aluminium + parfois de l'yttrium (MCrAlY), alliages réputés pour leur bonne tenue mécanique et résistance à lacorrosion à haute température
FeCrAl : fer + chrome + aluminium
NiCrAl : nickel + chrome + aluminium
superalliages à base nickel (par exemple lesinconels) : bonne tenue mécanique et résistance à la corrosion à haute température
intermétalliques : alliages ordonnés, respectant unestœchiométrie précise (mais des écarts à la stœchiométrie sont tolérés)
↑Une définition précise est donnée par le dictionnaire Larousse : « 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. » (disponible en ligne, consulté le 12 novembre 2021)
