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Miscibilité des alliages métalliques

Par Clément le 14/01/2019 Ressources > Physique-Chimie > Terminale S > Thermodynamique > La Miscibilité Totale des Solides

Problématique

  • Métaux peu utilisés à l’état pur -> utilisation d’alliages pour améliorer
    • les propriétés physiques ; mécaniques, thermiques, électriques (poids, dureté, élasticité, conductivité)
    • les propriétés chimiques (corrosion)
    • l’esthétique, diminuer les coûts…
  • Exemples :
    • acier : Fe – C (0,5 à 1,5%) : industrie automobile (carrosserie), BTP, conserves…
    • acier inox :  Fe – C (1,5%) Ni, Cr, Molybdène : domaine médical, alimentaire…
    • Fonte :  Fe – C (7%) : automobile (moteur, freins), insert de cheminée, plaque d’égout, tuyaux…
    • Laiton : Cu – Zn (50%) : objets de décoration, serrures, tringles, poignées de porte…
    • Bronze : Cu (60 à 90%) – Sn : objets d’art, médailles
  • Questions :
    • Que représentent ces pourcentages ?
    • Que signifie « miscibilité totale des solides » ?
    • Un des procédés de fabrication des alliages est de mélanger les métaux à l’état liquide puis de les refroidir pour obtenir le solide. Les métaux qui constituent un alliage ont a priori des températures de solidification différentes à une pression donnée, à quelle température se solidifie l’alliage ?
    • Si l’on effectue une recherche sur les changements d’état solide-liquide d’un alliage, on tombe sur des « diagrammes binaires » : que nous disent-ils sur la composition et de la répartition des phases liquides et solides ?

Le fer est à la base de la plupart des alliages, nous pourrons comprendre pourquoi en étudiant ses propriétés :

Premières utilisation

Pour procéder à la fabrication d’un alliage, il est essentiel de faire monter la température afin de faciliter la miscibilité des métaux.

Le fer a commencé à être utilisé par l’Homme dès le chalcolithique soit dans des mines ou dans des retombées de météorites.

Durant le Moyen-Âge, on commence à raffiner le fer dans des bas fourneaux afin de transformer le fer minéral en fer métallique.

La présence du fer à l’état naturel

Le fer est le sixième élément le plus présent de l’Univers. Il s’y trouve comme élément final de fissions nucléaires.

A l’échelle terrestre, il représente 5 % de la croûte terrestre et le noyau de la Terre est composé d’un alliage de fer et de nickel, ce qui porte à 35 % la masse de fer dans la totalité de la masse de notre planète.

C’est le quatrième élément le plus abondant à la surface de la Terre.

Contenu dans la croûte terrestre, le fer est sous forme d’oxydes de fer dans des minerais. On le retrouve notamment dans ces espèces minérales :

  • La magnétite de formule Fe2O4,
  • La limonite de formule Fe2O3nH2O,
  • L’hématite Fe2O3.

On peut aussi le retrouver à la surface de la Terre là où se sont écrasé jadis des météorites. En effet, des alliages avec du fer sont souvent contenus dans ces dernières.

Propriétés physiques et chimiques du fer simple et composés

Le fer présente différents états en fonction des conditions dans lesquelles il se trouve. Le fer dispose donc d’une allotropie.

L’allotropie est la faculté de certains corps simples d’exister sous plusieurs formes cristallines ou moléculaires différentes.
Une forme allotropique peuvent avoir des propriétés physique, comme la couleur et la dureté, et une réactivité chimique différentes même si elles sont composées d’atomes identique
Les transformations d’une forme allotropique à l’autre peuvent être induites par des changements de pression et de température ou même par une réaction chimique. Certaines formes ne sont stables que sous certaines conditions définies de température et de pression

Dans les conditions normales de température, le fer est un solide cristallin très ferromagnétique.

Un élément est dit ferromagnétique quand il possède des propriétés de ferromagnétisme.
Le ferromagnétisme est le mécanisme par lequel des matériaux forment des aimants permanents ou sont attirés par d’autres aimants. Le cobalt, le nickel ou encore le fer sont des éléments ferromagnétiques

Il a une capacité calorifique de 0,5 kJ.kg-1 et sa température de Curie se situe autour de 770 °C.

Il existe, dans un matériau dit ferromagnétique, une température de Curie (encore appelée point de Curie) notée TC qui est la température à partir de laquelle le matériau perd son aimantation permanente

Quand la température devient élevée, à partir de 912 °C, le fer devient cubique, ce qui a un impact sur son énergie interne. Le fer devient aussi paramagnétique.

On définit le paramagnétisme par un élément qui ne possède pas d’aimantation spontanée dans un milieu mais qui obtient une aimantation lorsqu’il est traversé par un champ magnétique. Son aimantation sera par ailleurs dirigée dans le même sens que le champ magnétique qui lui donne ces caractéristiques

Le fer peut redevenir un minéral possédant une maille cubique centré une fois les 1 394°C dépassé tandis qu’il possède une structure hexagonale compacte lorsqu’il est, à température ambiante, soumis à une pression de 130 kilobars.

Au-delà de ses différentes structures, le fer possède des propriétés telles qu’il est insoluble dans l’eau et dans les bases mais pourtant soluble dans les acides.

De plus, lorsqu’il est exposé à l’air libre et en présence d’humidité, le fer est soumis à la corrosion. De la rouille, constituée d’oxydes et d’oxyhydroxydes ferriques hydratés, se forme. Cette rouille présente une porosité suite à une réaction d’oxydation qui peut se propager, et ce jusqu’au cœur du métal ce qui différencie grandement le fer d’autres métaux, comme l’aluminium, qui forment une couche fine d’oxyde imperméable.

Les utilités du fer

Un alliage se crée grâce au mélange de plusieurs métaux différents. Ainsi, il faut étudier la miscibilité des différents métaux entrant dans la composition de cet alliage.

Le fer n’est pratiquement jamais utilisé de manière pur mais sous forme d’alliages. Par exemple, à partir du fer on peut obtenir :

  • La fonte lorsque l’alliage contient entre 2,1% et 6,67% de carbone
  • L’acier lorsque l’alliage contient entre 0,025% et 2,1% de carbone
  • Le fer industriel lorsque l’alliage possède moins de 0,025% de carbone

Depuis longtemps, le fer sous sa forme métallique, mais aussi ses oxydes sont utilisés pour fixer des informations, qu’elles soient analogiques ou numériques, sur leur supports comme les bandes magnétiques, les cassettes audio ou les disquettes. Cependant, l’usage du fer est délaissé en faveur d’autres matériaux comme les disques durs.

Analyse

  • Industriellement on maîtrise les proportions massiques, en chimie on s’intéresse aux proportions atomiques (interprétation microscopique, formule chimique) donc on peut raisonner en proportions molaires -> nécessité de passer de l’un à l’autre.
  • Un mélange liquide se conçoit bien, un mélange solide est moins évident -> nécessité de décrire l’alliage solide microscopiquement.
    • Le cas où les solides peuvent être mélangés en toutes proportions (miscibilité totale) constitue un cas limite.
    • L’autre cas limite de la miscibilité nulle sera étudié dans le cours suivant.
  • Lors d’un refroidissement, les deux métaux constitutifs de l’alliage ont des températures de solidification a priori différentes, à pression donnée -> nécessité d’étudier le refroidissement d’un alliage pour différentes compositions.
  • L’indicateur de la quantité d’une espèce chimique dans une phase (mélange) est la fraction molaire : c’est la grandeur qui intervient dans le « terme de mélange » du potentiel chimique.
  • L’indicateur de la quantité d’une phase dans un système diphasé (juxtaposition) est le titre molaire : problématique déjà étudiée pour le corps pur.

Réalisation

1 – Correspondance fraction molaire / fraction massique

2 – « Mélange » de solides

3 – Courbe de refroidissement isobare

a) Rappel de PCSI : courbe de refroidissement isobare d’un corps pur liquide

– Diagramme de phases 3D et diagramme enthalpique : continuité du processus de changement d’état

– Saut de h et de s entre la phase liquide et la phase vapeur

– Construction de la courbe de refroidissement à partir du diagramme des phases

– interprétation par la variance

b) Courbe de refroidissement d’un mélange binaire Au-Ag / Diagramme binaire isobare

– Principe du tracé du diagramme binaire à partir de la courbe de refroidissement

– Tracé des courbes de refroidissement à partir du diagramme binaire Au-Ag

– Interprétation par la variance

– Interprétation microscopique

– Cas de la fusion

c) Courbe de refroidissement d’un mélange binaire Fe-Cr / Diagramme binaire isobare

– Tracé des courbes de refroidissement à partir du diagramme binaire Fe-Cr

 – Interprétation par la variance

4 – Titres solide et liquide – Théorème des moments

La conception d’alliage demande l’exploitation de ressources minières. Puisque les métaux que l’on trouve sont rarement présents purs, il est essentiel de connaître la méthode à utiliser pour les purifier, on appelle ça le raffinage.

Validation

  • Retour sur les pourcentages des alliages
  • Retour sur le diagramme diagramme Au-Ag (Or-Argent)
    • correspondance fraction molaire / fraction massique
    • interprétation du fuseau
    • interprétation de la miscibilité totale des solides
  • Interprétation des pentes de la courbe de refroidissement
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