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Auteur(s)
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Jacques FOCT : ProfesseursLaboratoire de métallurgie physique et génie des matériaux, UMR-CNRS 8517 Université des sciences et technologies de Lille
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Lire l’articleINTRODUCTION
Le paradoxe contenu dans le titre de cet article pose la question préalable de la référence à l’état de gaz, car les espèces (éléments ou composés définis) gazeuses dans les conditions considérées comme normales par la thermodynamique, se présentent, en combinaison dans les métaux, soit sous forme de solutés, soit sous forme d’inclusions. Les réactions gaz-métal intervenant dans les processus de corrosion ne sont pas envisagées dans cet article. Les gaz réagissent dans les métaux en fonction de leur structure électronique, ce qui suggère de considérer les éléments à partir de leur position dans la classification périodique. L’hydrogène, en raison de son comportement particulier induit par sa petite taille, est exclu du champ de cet exposé. C’est certainement l’élément qui suscite le plus de questions en raison de son rôle sur la fragilité, la plasticité, la corrosion, la corrosion sous-contraintes..., et aussi la possibilité de le stocker dans certains alliages.
L’azote suivant l’hydrogène dans l’ordre des électronégativités croissantes se retrouve dans la plupart des réseaux métalliques, en particulier celui des aciers, sous forme interstitielle. Lorsque l’on arrive à l’oxygène, l’électronégativité est telle que, dans la plupart des métaux, il se trouve sous forme d’ions O 2–, nettement plus gros que l’atome métallique, ce qui conduit à la formation d’oxydes. Une faible quantité d’oxygène non réduit peut néanmoins exister sous forme interstitielle. La taille des halogènes et, a fortiori, celle de leurs anions interdit la formation d’interstitiels, mais les rendent actifs dans les phénomènes de corrosion. Les gaz rares, utilisés comme atmosphère protectrice en raison de leur inertie chimique, peuvent présenter une faible solubilité dans les métaux liquides. Dans les solides, ils ne jouent aucun rôle, sauf s’ils proviennent de réactions nucléaires.
Les réactions des gaz polyatomiques (H2O, H2S, CO, CH4 , NH3 ) sur les métaux, hormis les réactions de corrosion, sont également envisagées. Elles peuvent être destructives ou constructives (cémentation, affinage), auquel cas le résultat final est une amélioration des propriétés mécaniques de l’acier. Les exemples proposés privilégient le cas de l’azote et des gaz nitrurants qui ouvrent le champ d’application dans les aciers le plus étendu.
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Solubilité des gaz dans le fer pur1. Interactions gaz-métal
Dans cet article, pour l’écriture des réactions chimiques, l’état d’un constituant sera indiqué au moyen des symboles suivants :
< > : état solide.
La variété allotropique peut être indiquée en indice.
Par exemple, <Fe>α représente le fer α, cubique centré. Dans ces conditions, l’état standard du fer est le fer pur dans sa structure α.
( ) : état liquide.
L’état standard est alors l’élément liquide pur.
[ ] : état dissous dans un solvant qui, sauf indication contraire, est le fer dont l’état est indiqué en indice.
Par exemple, [N] γ représente l’azote dissous dans le fer γ, cubique à faces centrées. Dans ces conditions, l’état standard de l’azote est l’azote en solution infiniment diluée, la concentration de référence étant [% N] = 1 % massique.
L’absence de crochet ou de parenthèse indique l’état gazeux. Dans ces conditions, l’état standard est le gaz pur sous une pression de 1 bar (soit 105 Pa).
Exemples :
représente la réaction de formation de Fe4N à partir du fer γ et de l’azote dissous dans le fer γ . Dans le cas où le fer est le solvant (a Fe » 1) et où Fe4N est pur
, la constante d’équilibre s’écrit :
En revanche :
représente...
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Interactions gaz-métal
BIBLIOGRAPHIE
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(7) - GILCHRIST (J.D.) - Extraction Metallurgy. - ...
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