Diagrammes d'équilibre - Alliages binaires

Un alliage peut exister sous différents états : solide cristallisé, en agrégat de microcristaux appelés grains, souvent de variétés cristallines distinctes, ou liquide ou gazeux.

Ces différents états représentent les diverses phases contenues dans l’alliage et qui peuvent changer en fonction des conditions imposées à ce « système thermodynamique », principalement la composition chimique et la température, mais aussi la pression. Pour des conditions fixées, il faut un certain temps de maintien à haute température pour stabiliser le système alliage dans un état apparemment définitif, qui s’identifie à l’équilibre thermodynamique stable du système. Mais il existe aussi des faux équilibres, appelés métastables. Pour réaliser l’équilibre, il est nécessaire que tous les atomes des constituants puissent se déplacer à l’intérieur de toutes les phases : c’est ce que l’on appelle la diffusion chimique. Dans les liquides et les gaz, la diffusion est généralement active et rapide mais, dans les phases cristallisées, il faut dépasser une certaine « température de diffusion » pour obtenir le mouvement interne des atomes, qui s’effectue par permutation avec les sites vacants sur le réseau cristallin. Si l’on réussit par un subterfuge (trempe ultrarapide) à bloquer la diffusion des atomes dans un liquide et à le refroidir sans cristallisation jusqu’à la température ambiante, on dit qu’on a réalisé un verre ou un solide amorphe.

C’est l’expérience qui permet d’observer les phases coexistantes dans un alliage, en fonction de la composition chimique, de la température de réalisation de l’équilibre, voire de la pression appliquée. C’est également l’expérience qui permet de déterminer les lignes des transitions de phases sur lesquelles apparaissent ou disparaissent certaines d’entre elles. On constate en pratique que la variable pression a très peu d’impact sur l’équilibre des phases condensées liquide ou solide, que cet état soit monophasé ou polyphasé. Il n’en est pas de même pour les métaux volatils engendrant une phase gazeuse. Pour observer l’influence de la variable pression sur les phases condensées, il faut exercer des pressions très élevées, de l’ordre de plusieurs kilobars. C’est pourquoi la description des équilibres de phases se fait souvent en supposant la pression fixée et en utilisant comme variables les teneurs des constituants et la température. Par exemple pour un alliage binaire, on porte en abscisse la concentration moyenne d’un des deux constituants et en ordonnée la température. Une telle représentation est appelée diagramme binaire d’équilibre de phases. Avec les métaux volatils, on utilise aussi une autre convention qui consiste à maintenir la pression de vapeur naturelle dans un volume constant ; dans ce cas...