Un diagramme de phases d'alliage binaire cartographie l'état d'équilibre d'un système à deux composants en fonction de la température et de la composition, indiquant aux ingénieurs quelles phases sont présentes, leurs proportions relatives et leur composition dans des conditions données. La caractéristique la plus importante en pratique est le point eutectique — la composition et la température uniques auxquelles les deux composants se solidifient simultanément à partir d'un liquide unique, donnant la température de fusion la plus basse possible pour le système. L'eutectique Pb-Sn (61,9 % de Sn, 183 °C) est à la base de la soudure électrique traditionnelle ; l'eutectique Cu-Ag (71,9 % d'Ag, 779 °C) est utilisé dans les métaux d'apport pour le brasage à l'argent.
Dans ce simulateur, vous pouvez cliquer ou faire glisser n'importe quel point du diagramme de phases pour lire les phases à l'équilibre (liquide, solide α, solide β ou régions biphasées), appliquer la règle du levier pour calculer la fraction et la composition de chaque phase, et observer la courbe de refroidissement théorique lorsque l'alliage traverse les frontières du liquidus et du solidus. Le simulateur présente à la fois le système isomorphe Cu-Ni (solubilité solide complète) et le système eutectique Pb-Sn.
Qu'est-ce que la règle du levier et comment l'utiliser ?
La règle du levier donne la fraction massique de chaque phase dans une région biphasée. Si un point se situe dans le domaine (α + liquide) à la composition globale X0, et que les limites de phase à cette température donnent une composition α = Xα et une composition du liquide XL, alors la fraction de liquide fL = (X0 − Xα) / (XL − Xα), et la fraction de solide = 1 − fL. Imaginez les compositions comme des distances le long d'un levier : le « poids » relatif (la fraction) de chaque phase s'équilibre au point de composition globale.
Qu'est-ce que la réaction eutectique et quelle microstructure produit-elle ?
À la température et à la composition eutectiques, le liquide se transforme simultanément en deux phases solides selon la réaction : Liquide → α + β à température constante. Cette réaction invariante produit une microstructure lamellaire ou en bâtonnets caractéristique, faite de couches alternées α et β (espacement typique de 1 à 10 µm). Dans la soudure Pb-Sn, cette microstructure eutectique fine confère une bonne résistance et une bonne ductilité.
Quelle est la différence entre le liquidus et le solidus ?
Le liquidus est la limite supérieure : au-dessus, l'alliage est entièrement liquide. Entre le liquidus et le solidus, l'alliage est un mélange de liquide et de phase solide. Le solidus est la limite inférieure : en dessous, l'alliage est entièrement solide. Pour les systèmes eutectiques, le solidus est horizontal à la température eutectique. Pour les systèmes isomorphes (Cu-Ni), le liquidus et le solidus sont tous deux des courbes lisses qui se rejoignent aux températures de fusion des composants purs.
La règle des phases de Gibbs, F = C − P + 1 (à pression fixée), donne le nombre de degrés de liberté. Au point eutectique, où trois phases coexistent (liquide + α + β, donc P = 3) dans un système binaire (C = 2) : F = 2 − 3 + 1 = 0. Ce zéro degré de liberté signifie que la température et la composition des deux phases solides et du liquide sont entièrement fixées — c'est l'« invariant eutectique ».
Les alliages hypoeutectiques (composition à gauche du point eutectique) commencent à se solidifier en précipitant des dendrites primaires α, tandis que le liquide restant s'enrichit progressivement jusqu'à la composition eutectique, où il se transforme en eutectique lamellaire. Les alliages hypereutectiques précipitent des β primaires à la place. C'est exactement à la composition eutectique qu'aucune phase primaire ne se forme : tout le bain fondu se transforme d'un coup en eutectique fin, donnant la microstructure la plus fine et souvent les meilleures propriétés mécaniques pour les applications de fonderie.
Les métaux purs se solidifient à une température unique (C = 1, F = 0 pour deux phases). Pour les alliages binaires, C = 2, et avec deux phases F = 1 : quand la température change, les compositions des deux phases changent aussi (le long du liquidus et du solidus). L'alliage se solidifie donc progressivement dans une « zone pâteuse » entre le solidus et le liquidus — plus cette zone est large, plus le risque de ségrégation (hétérogénéité de composition) est élevé.
Les intermétalliques sont des structures cristallines ordonnées à des stœchiométries fixes, où les deux éléments se lient différemment que dans les métaux purs. Dans le système Fe-C, la cémentite Fe₃C (6,67 % en masse de C) est l'intermétallique clé. Dans les alliages Al-Cu, θ-CuAl₂ est le principal composé de renforcement dans les alliages d'aluminium aéronautique durcis par vieillissement. Ces composés apparaissent comme des lignes verticales sur le diagramme de phases et sont souvent fragiles.
Cu et Ni sont totalement miscibles à l'état liquide comme à l'état solide grâce à leur structure cristalline identique (CFC), leurs rayons atomiques proches (Cu 128 pm, Ni 124 pm) et leur valence. Cela fait du système Cu-Ni l'un des diagrammes de phases « isomorphes » les plus simples — une seule région biphasée en forme de lentille entre des courbes lisses de liquidus et de solidus. L'alliage Monel (67 % Ni, 33 % Cu) possède une excellente résistance à la corrosion en eau de mer.
Les diagrammes de phases déterminent les cycles de traitement thermique : la mise en solution (chauffage dans la région monophasée pour dissoudre les précipités), la trempe (refroidissement rapide pour figer une solution solide sursaturée) et le vieillissement artificiel (chauffage à une température plus basse pour une précipitation contrôlée de particules durcissantes). Dans les alliages Al-Cu, ce traitement augmente la limite d'élasticité d'environ 100 MPa à plus de 400 MPa.
La réaction péritectique est l'inverse de la réaction eutectique : au lieu que le liquide forme deux solides en refroidissant, une phase solide réagit avec le liquide pour former une phase solide différente : α + Liquide → β. Les réactions péritectiques sont souvent cinétiquement lentes (la phase β nouvellement formée enrobe la phase α), ce qui provoque une ségrégation dans les alliages coulés. La péritectique se rencontre dans le système Fe-C vers 0,1 % de C et dans certains bronzes Cu-Sn.