Quelques applications des phénomènes de diffusion
Diffusion dans les métaux

1 - Diffusion à l’état solide

• 1.1 - Généralités
• 1.2 - Mécanismes élémentaires de la diffusion
  Figure 1 - Configuration des sites atomiques les plus voisins pour le saut élémentaire d’un atome dans une position lacunaire pour le système cubique Figure 2 - Mouvement de deux atomes par échange direct, et représentation de la barrière énergétique associée à ce mouvement Figure 3 - Configuration des divers échanges interatomiques possibles dans la théorie du mécanisme de diffusion par anneaux (ring mechanism ) Tableau 1
• 1.3 - Courts-circuits de diffusion
  Figure 4 - Modèle de joint de grains séparant deux cristaux A et B et profil du front de diffusion par ce joint et par le volume des grains Figure 5 - Autoradiographie d’un bicristal d’acier austénitique (Cr = 16 %, Ni = 14 %) après diffusion du fer 59 à 1 050 oC pendant 7 h, et abrasion de 30  à partir du dépôt Figure 6 - Pénétration intergranulaire de fer radioactif dans des bicristaux de fer-silicium, en fonction de l’angle de désorientation à 770 et 810 oC (d’après ) Figure 7 - Autoradiographie obtenue après abrasion de 20  sur un échantillon de fer Armco recouvert initialement d’un dépôt mince de fer 59, traité 2 jours à 1 050 oC et trempé à l’eau (d’après ) Figure 8 - Schéma simplifié des modes de diffusion en surface
• 1.4 - Diffusion chimique. Étude des couples de diffusion
  Figure 9 - Couple de diffusion formé par deux métaux purs A et B avant la diffusion (t = 0) et pendant (t > 0) Figure 10 - Gradients de diffusion entre deux métaux totalement solubles à l’état solide Figure 11 - Évolution, en fonction du temps, des gradients de concentration pour deux métaux A et B totalement solubles, dans l’hypothèse DA = DB Figure 12 - Gradients de diffusion entre deux métaux A et B non totalement solubles et conduisant à la formation du composé défini Ax By Figure 13 - Dépouillement, suivant la méthode de Matano, d’un gradient de concentration monotone entre deux métaux Figure 14 - Préparation d’un couple de diffusion avec marquage de l’interface initiale pour révéler le phénomène Smigelskas-Kirkendall Figure 15 - Mise en évidence d’un phénomène de diffusion inverse dans le cas d’un couple où interviennent les affinités chimiques entre le chrome et le carbone Figure 16 - Coupe isotherme du système ternaire Fe-Cr-C, donnant l’évolution des concentrations dans un couple, initialement formé d’un alliage binaire fer-carbone et d’un alliage ternaire

2 - Diffusion dans les métaux liquides

• 2.1 - Modèles de diffusion
  Figure 17 - Autodiffusion à l’état liquide de quelques éléments
• 2.2 - Valeurs d’autodiffusion

3 - Diffusion des gaz dans les métaux

4 - Diffusion en régime forcé

• 4.1 - Diffusion dans un gradient de concentration
• 4.2 - Diffusion sous pression
  Tableau 2
• 4.3 - Diffusion en présence d’un gradient de température (thermotransport)
• 4.4 - Diffusion en présence d’un champ électrique
• 4.5 - Diffusion sous irradiation
  Tableau 3
• 4.6 - Diffusion sous l’effet des ultrasons

5 - Méthodes d’étude de la diffusion

• 5.1 - Généralités
• 5.2 - Principe du calcul
  Figure 18 - Diffusion dans un échantillon polycristallin Figure 19 - Évolution dans le temps, à température constante, d’un couple de diffusion formé par une solution solide et un alliage à deux phases
• 5.3 - Méthodes physiques d’analyse des coefficients de diffusion à l’état solide
• 5.4 - Mesure de la diffusion des gaz dans les métaux
• 5.5 - Mesure de la diffusion dans les métaux liquides

6 - Données numériques sur la diffusion

• 6.1 - Relation entre les constantes d’autodiffusion et d’autres propriétés physiques
  Figure 20 - Coefficients d’autodiffusion en volume de métaux purs, en fonction du rapport Tf /T Figure 21 - Coefficients d’autodiffusion en volume à la température de fusion des différents éléments de la classification périodique, en fonction de leur numéro atomique Figure 22 - Évolution du rapport Dv /Qv pour les différents éléments de la classification périodique, en fonction de leur numéro atomique Figure 23 - Évolution des lois d’Arrhénius en autodiffusion intergranulaire et à l’état liquide des principaux éléments étudiés en diffusion Figure 24 - Énergie d’activation en fonction de la température de fusion Tableau 4 Tableau 5 Tableau 6 Tableau 7
• 6.2 - Diffusion des impuretés (hétérodiffusion à dilution infinie)
  Figure 25 - Facteur de fréquence en fonction de l’énergie d’activation pour la diffusion de divers éléments dans l’argent, le cuivre et le nickel Figure 26 - Diffusion et solubilité dans le cuivre des éléments de la 4e période de la classification périodique des éléments Figure 27 - Diffusion et solubilité dans l’argent des éléments de la 5e période de la classification périodique des éléments Figure 28 - Autodiffusion et hétérodiffusion en volume des éléments or, argent et cuivre, pris deux à deux Figure 29 - Énergie d’activation de la diffusion des différents éléments dans le fer , en fonction de leur volume atomique
• 6.3 - Diffusion dans les alliages concentrés
  Figure 30 - Loi d’Arrhénius de quelques éléments diffusant dans le fer et le fer Figure 31 - Coefficients de diffusion intrinsèques et d’interdiffusion du cuivre et du zinc dans différents alliages à 915 oC Figure 32 - Autodiffusion et hétérodiffusion du cuivre et du zinc dans différents alliages cuivre-zinc
• 6.4 - Diffusion dans les composés à propriétés particulières
  Tableau 8 Tableau 9 Tableau 10 Tableau 11 Tableau 12
• 6.5 - Diffusion des gaz dans les métaux
  Tableau 13
• 6.6 - Diffusion dans les alliages amorphes
  Tableau 14 Tableau 15
• 6.7 - Diffusion dans les matériaux nanocristallins

7 - Quelques applications des phénomènes de diffusion

• 7.1 - Études de base en Métallurgie-Physique
  Figure 33 - Autoradiographie d’un monocristal de fer partiellement transformé en phase dans un gradient de température Figure 34 - Croissance des différentes phases d’un couple de diffusion fer-étain en fonction de 1/T Figure 35 - Croissance des phases Ì et d’un couple de diffusion argent-mercure en fonction de 1/T (temps de diffusion 15 j) Figure 36 - Diffusion du nickel dans le fer
• 7.2 - Études à caractère appliqué
  Figure 37 - Placage industriel : répartition du carbone dans une tôle plaquée, après laminage à chaud (d’après ) Figure 38 - Diffusion du carbone dans les tôles en acier de construction-acier inoxydable plaquées à chaud Figure 39 - Influence de la tenue en silicium sur le taux de corrosion intergranulaire d’aciers inoxydables Cr 16 – Ni 14 dans des solutions HNO3 5N + Cr (VI) (1 g/L) à l’ébullition Figure 40 - Influence de la teneur en silicium sur la diffusion intergranulaire d’aciers inoxydables Cr 16 – Ni 14 Figure 41 - Couche de diffusion obtenue sur un acier inoxydable Cr 18 – Ni 10 trempé dans de l’aluminium liquide 16 h à 1 000 oC (d’après ) Figure 42 - Droites d’Arrhénius pour divers aciers au carbone Figure 43 - Carburation d’un acier bas carbone Figure 44 - Diffusion simultanée du carbone et d’un élément de substitution dans un acier. Profils avant apparition de composés définis Figure 45 - Cycles de traitement thermique équivalents Figure 46 - Dégradation d’un outil de coupe en carbure au contact d’un acier en cours d’usinage