Diagrammes de phases et transformations

Les diagrammes de phases représentent les phases solides, liquides et gazeuses stables en fonction de la composition et de la température, tandis que les transformations de phases décrivent comment un matériau passe de l'une à l'autre.

Definition

Un diagramme de phases est une représentation graphique des phases thermodynamiquement stables d'un système en fonction de la composition, de la température et de la pression ; une transformation de phase est le processus, régi par la thermodynamique et la cinétique, par lequel un matériau passe d'une phase ou d'une microstructure à une autre.

Scope

Ce sujet aborde les diagrammes de phases à l'équilibre utilisés pour prédire les phases présentes dans un matériau à une composition et une température données — systèmes eutectiques, péritectiques et de solutions solides — ainsi que la règle des leviers et la règle des phases de Gibbs qui permettent de les interpréter. Il couvre également la cinétique des transformations : la germination et la croissance, les transformations diffusionnelles versus non diffusionnelles (martensitiques), et comment le chemin de refroidissement contrôle la microstructure qui se forme réellement.

Core questions

• Quelles phases sont stables à une composition et une température données ?
• Comment la règle des leviers et la règle des phases quantifient-elles les quantités de phases et les degrés de liberté ?
• Qu'est-ce qui distingue les comportements eutectique, péritectique et de solution solide ?
• Comment la cinétique de germination et de croissance détermine-t-elle la microstructure obtenue lors du refroidissement ?

Key concepts

• Règle des phases de Gibbs
• Règle des leviers
• Réactions eutectiques et péritectiques
• Solutions solides
• Germination et croissance
• Transformation martensitique

Key theories

Diagrammes de phases à l'équilibre et la règle des phases

La règle des phases de Gibbs relie le nombre de phases coexistantes aux degrés de liberté de composition et de température ; les diagrammes de phases binaires encodent cela, et la règle des leviers permet de déterminer les quantités relatives des phases coexistantes à un point donné.

Germination, croissance et cinétique des transformations

Le changement de phase nécessite la germination de la nouvelle phase contre une barrière d'énergie interfaciale, suivie d'une croissance diffusionnelle ; la compétition entre la force motrice thermodynamique et la mobilité atomique détermine la vitesse de transformation et, via le chemin de refroidissement, la microstructure finale.

Mechanisms

Les transformations diffusionnelles se déroulent par germination d'une nouvelle phase et croissance atome par atome à travers une interface mobile, nécessitant une diffusion à longue portée ; les transformations non diffusionnelles (martensitiques) se produisent par un cisaillement coordonné du réseau sans changement de composition, survenant presque instantanément en dessous d'une température critique.

Clinical relevance

Les diagrammes de phases sont les cartes de travail du traitement des matériaux : ils guident le traitement thermique des alliages et des céramiques, prédisent le comportement de cuisson des systèmes d'oxydes et de verres, et expliquent pourquoi un refroidissement contrôlé produit des microstructures dures ou molles, fragiles ou tenaces à partir de la même composition.

History

La règle des phases de Gibbs, établie dans les années 1870, a fourni la base thermodynamique pour prédire le nombre de phases pouvant coexister. Roozeboom et d'autres l'ont appliquée expérimentalement pour construire des diagrammes de phases vers 1900, et les travaux du XXe siècle sur la théorie de la germination et la cinétique des transformations ont ajouté la dimension temporelle, reliant les diagrammes d'équilibre aux microstructures réellement produites lors du traitement.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Hendrik Roozeboom

Seminal works

• callister2018
• porter2009

Frequently asked questions

Qu'est-ce qu'un point eutectique ?

Un point eutectique est la composition et la température auxquelles un liquide se transforme directement en un mélange de deux phases solides lors du refroidissement. C'est le point de fusion le plus bas du système et il produit une microstructure fine caractéristique à deux phases.

Pourquoi un diagramme de phases peut-il ne pas prédire la microstructure réellement obtenue ?

Un diagramme de phases présente les phases à l'équilibre, mais atteindre l'équilibre nécessite suffisamment de temps et de mobilité atomique. Un refroidissement rapide peut supprimer la diffusion et piéger des microstructures métastables ou hors équilibre ; ainsi, la cinétique, et pas seulement la thermodynamique, détermine le résultat réel.