Un alliage est la combinaison d'un élément métallique avec un ou plusieurs autres éléments chimiques par fusion.

Un métal pur a des caractéristiques mécaniques qui sont la plupart du temps relativement faibles. Le fait d'ajouter d'autres éléments permet de « durcir » le métal en augmentant ces caractéristiques mécaniques. Outre les renforcements mécaniques engendrés par déformation, tel que l'écrouissage, il existe des durcissements chimiques par addition d'éléments en solution solide ou par précipitation de phases secondaires durcissantes telles que les carbures. Ces ajouts permettent également de modifier les caractéristiques chimiques, telle que la résistance à la corrosion, ou d'améliorer d'autres caractéristiques, par exemple la coulabilité.

Dans un alliage, l'élément métallique majoritaire, c'est-à-dire constituant la plus importante partie du mélange, est appelé « métal de base » ou « base ». Les éléments ajoutés volontairement sont appelés « éléments d'alliage » ou « éléments d'addition » et les éléments non désirés sont appelés « impuretés ».

Les éléments d'alliage sont le plus souvent des métaux, mais peuvent également être d'autres éléments chimiques tels que le carbone dans l'acier ou la fonte, le silicium dans l'aluminium, etc.

Quand l'élément d'alliage n'est pas un métal, sa teneur reste généralement faible (jusqu'à quelques % massique). Ainsi, dans un acier la concentration en carbone est inférieure à 2 % massique (inférieure à 7 % massique dans le cas de la fonte), alors qu'il est possible de faire un alliage cuivre-zinc (communément appelé laiton) avec 50 % de chacun des éléments.

Histoire

Il existe également des alliages dits naturels, par exemple l'électrum, alliage d'or et d'argent natifs utilisé dans la Préhistoire et l'Antiquité : Varna, Asie Mineure, Ur, Égypte, entre autres. Au IIIe siècle av. J.-C., dans un ouvrage Sur les Pierres, le philosophe Théophraste explique le titre d’un alliage est déterminé en collybos, drachmes ou demi-drachme - ou encore en grains d'orge.

Alliage binaire

Alliage binaire à une seule phase

Un alliage homogène est constitué d'une seule phase solide homogène. Pour obtenir un alliage homogène, il faut qu'il y ait miscibilité totale entre les éléments d'alliage. Il y a deux possibilités :

Les deux éléments d'alliage sont solubles l'un dans l'autre quelles que soient leurs proportions respectives.

La concentration de l'élément d'alliage est inférieure à la limite de solubilité.

Les règles de Hume-Rothery indiquent les conditions pour obtenir un alliage homogène avec solubilité totale à l'état solide.

Diagramme de phases Bi-Sb.

Élément Rayon atomique Structure cristalline Bismuth 160 pm Rhomboédrique Antimoine 145 pm Rhomboédrique

Le bismuth et l'antimoine sont totalement solubles l'un dans l'autre. Ils forment donc une solution solide quelles que soient la composition chimique et la température (à la condition de rester dans l'état solide c'est-à-dire en dessous de la température de solidus). Le diagramme de phase qui en résulte est dans ce cas un diagramme à un fuseau.

Diagramme de phases Cu-Ni

D'autres couples de métaux présentent une bonne miscibilité permettant d’obtenir des solutions solides homogènes à certaines températures : cuivre-nickel, cuivre-palladium, argent-or, argent-palladium, molybdène-vanadium, molybdène-tungstène, etc.

Certains alliages binaires présentent un défaut de solubilité à basses températures. Il apparaît sur le diagramme de phase un secteur où cohabitent deux phases, la première étant constituée d'une solution solide saturée de B dans A, et inversement la deuxième phase étant constituée d'une solution solide saturée de A dans B. C'est le cas par exemple du système cuivre-nickel qui présente en dessous de 322 °C une zone avec deux phases.

Alliage binaire à plusieurs phases

Un autre type de diagramme de phases relativement commun dans les alliages binaires est un diagramme de phase eutectique. Ce type de diagramme de phase présente un certain nombre de caractéristiques importantes méritant d'être signalées. Tout d'abord, il existe trois régions monophasées qui sont visibles sur le schéma : α, β et liquide. Sur la figure à gauche, la phase α est une solution solide riche en cuivre, qui a pour soluté l'argent et présente une maille de structure CFC (cubique à faces centrées). La phase β (solution solide) est également caractérisée par une structure CFC, mais pour laquelle le cuivre est le soluté.

Diagramme de phases Cu-Ag

Ainsi, la solubilité de l'élément d'addition dans chacune de ces phases solides est limitée. Autrement dit la concentration d'argent qui peut se dissoudre dans le cuivre (pour la phase α) sans en modifier la structure cristallographique est limitée. Pour la même raison l'addition de cuivre dans l'argent (phase β) est limitée. La limite de solubilité de la phase α correspond à la ligne de démarcation, marquée "CBA".

Pour des températures inférieures à 779 °C (1 434 °F), la ligne correspondant à la limite de solubilité solide qui sépare la région de la phase α et la région de coexistence des phases α + β est appelée une ligne de solvus. La frontière séparant la phase α et la région α + L est la ligne de solidus (AB), tandis que la ligne séparant la région α + L et le domaine liquide est la ligne de liquidus (AE). Pour la partie riche en argent du diagramme de phases, trois lignes existent également : solvus (HG), solidus (GF) et liquidus (EF). La ligne horizontale BEG, qui est parallèle à l'axe des abscisses s'étend entre les maxima de solubilité respectifs des phases α et β. Elle est appelée palier eutectique et peut aussi être considérée comme une ligne de solidus, représentant la température la plus basse à laquelle une phase liquide peut exister à l'équilibre thermodynamique pour tout alliage de cuivre et d'argent.

Il y a aussi trois régions de deux phases trouvées dans le système cuivre-argent. Comme l'argent est ajouté au cuivre, la température à laquelle les alliages deviennent totalement liquides diminue au long de la ligne liquidus (ligne AE); ainsi, la température de fusion du cuivre est réduite par l'ajout d'argent. C'est le même principe pour les alliages dont le composé majoritaire est l'argent : l'introduction de cuivre réduit la température de fusion complète au long de la ligne liquidus FE. Ces lignes liquidus répondent au point E sur le diagramme de phase, par le biais de qui passe également la ligne horizontale isotherme BEG. Point E est le point eutectique, qui est désigné par la composition CE et de la température TE; pour le système cuivre-argent, les valeurs de la CE et TE sont 71,9 wt% Ag et 779 °C (1 434 °F), respectivement.

Une importante réaction a lieu dans un alliage de composition «CE» cependant elle change la température en passant par TE. Sur le refroidissement, une phase liquide est transformée en deux phases solides (α et β) à la température TE, la réaction inverse se produit sur l'échauffement. C'est ce qu'on appelle une réaction eutectique (eutectique signifie facilement fondu), et CE et TE représentent les composition et température eutectiques, respectivement. Souvent, la ligne solidus horizontale à TE est appelé isotherme eutectique. La réaction eutectique, sur le refroidissement, est similaire à la solidification des composants purs en ce que la réaction à terme à une température constante, ou isométriquement, à TE. Toutefois, le produit solide de la solidification eutectique est toujours deux phases solides, alors que pour un simple composant, une seule phase se forme. À cause de cette réaction eutectique, les diagrammes de phase similaires à ceux de la figure du diagramme Ag-Cu sont qualifiées de diagrammes de phase eutectiques.

Dans la construction de diagrammes de phases binaires, il est important de comprendre qu'un ou au maximum deux phases peuvent être en équilibre dans une région de phase. Pour un système eutectique, trois phases (α, β et L) peuvent être en équilibre, mais seulement à points au long de la ligne eutectique.

Il y a des milliers de combinaisons possibles pour diagrammes de phases avec plusieurs phases. Certaines des principales caractéristiques des diagrammes de phases comprennent points congrus, où une phase solide se transforme directement en liquide. Il y a aussi le point péritectoïde, pour lequel une phase solide se transforme en deux phases solides différentes de la phase solide initiale, lors du chauffage. À l'inverse, si la transformation a lieu lors du refroidissement, on parle de point eutectoïde.

Un diagramme de phase complexe d'une grande importance technologique est celle de la fer-carbone système de moins de 7 % de carbone.

L'axe des X d'un tel schéma correspond à la concentration variable du mélange. Comme les mélanges sont généralement loin d'affaiblir et leur densité en fonction de la température est généralement inconnu, la mesure préféré est la concentration molaire. Un schéma fondé sur le volume de mesure comme molarité serait déconseillé.

Structure

Alliage homogène

Un élément d'addition qui forme une solution solide avec le métal de base peut être localisé soit à la place des atomes du métal majoritaire, on parle alors de « substitution », soit entre les atomes de l'élément majoritaire, on parle alors d'« insertion ».

Une substitution peut conduire soit à un alliage ordonné, c'est-à-dire que les atomes de différentes natures suivent une alternance régulière, ou à un alliage désordonné dans le cas où les différents atomes occupent des positions aléatoires.

Alliage hétérogène

Lorsque la teneur en élément d'alliage augmente, on peut avoir formation de deux phases : une phase contenant peu d'éléments d'alliage, et une phase à forte teneur en éléments d'alliage. Les cristallites à forte teneur sont appelés « précipités ».

Les précipités sont souvent des alliages ordonnés, que l'on appelle « intermétalliques ». Les intermétalliques ainsi formés sont parfois par la suite étudiés en tant qu'alliages propres, comme un nouveau matériau, et on essaie d'en produire en tant que tel et non plus en tant que précipités.

Exemples

Principaux alliages

Alliages de fer

fonte : fer + carbone (à plus de 2,1 % et jusqu'à 6,7 % en masse de carbone)

acier : fer + carbone (à moins de 2,1 % en masse de carbone)(+ des traces éventuelles de nickel, chrome, molybdène en faible pourcentage (< 4 %))

acier inoxydable : fer + carbone + nickel + chrome, et parfois, molybdène, vanadium

Alliages de cuivre

bronze : cuivre + étain ; l'« airain » est l'ancien nom du bronze

laiton : cuivre + zinc

billon : cuivre + argent ; utilisé principalement pour frapper des monnaies de faible valeur

Alliages d'aluminium

Ils sont aussi appelés alliages légers compte tenu de la masse volumique de l'aluminium comparée à celle des autres métaux.

Pour plus de détail voir les deux articles ci-dessous :

Alliages d'aluminium pour corroyage

Alliages d'aluminium pour fonderie

Alliages moins connus

alliage plomb-étain : pour la brasure

électrum : Or + argent

amalgame : mercure + un autre métal, par exemple or ou cuivre ; le terme désigne également un mélange de métaux utilisé pour les soins dentaires (« plombage »)

maillechort : cuivre + zinc + nickel

monel (nom commercial) : nickel + cuivre

régule : étain ou plomb + antimoine

ruolz : nickel + argent + cuivre

Tumbaga : alliage d'or et de cuivre utilisé par les civilisations précolombiennes d'Amérique du Sud et de Mésoamérique.

zamak : zinc + aluminium + magnésium + cuivre et autres « ZL » (composant principaux : zinc et aluminium)

Virenium : cuivre + zinc + nickel

Alliages pour des applications spécifiques

ferrotitanes : fer + 25 à 70 % de Ti + 4 à 10 % d'aluminium

TA6V : titane + 6 % aluminium + 4 % vanadium, très utilisé dans l'industrie aéronautique.

MCrAl : métal + chrome + aluminium + parfois de l'yttrium (MCrAlY), alliages réputés pour leur bonne tenue mécanique et résistance à la corrosion à haute température FeCrAl : fer + chrome + aluminium NiCrAl : nickel + chrome + aluminium

FeCrAl : fer + chrome + aluminium

NiCrAl : nickel + chrome + aluminium

superalliages à base nickel (par exemple les inconels) : bonne tenue mécanique et résistance à la corrosion à haute température

intermétalliques : alliages ordonnés, respectant une stœchiométrie précise (mais des écarts à la stœchiométrie sont tolérés) NiAl β : 50 % nickel + 50 % aluminium FeAl B2 : 50 % fer + 50 % aluminium TiAl : 50 % titane + 50 % aluminium

NiAl β : 50 % nickel + 50 % aluminium

FeAl B2 : 50 % fer + 50 % aluminium

TiAl : 50 % titane + 50 % aluminium

Les alliages présentant de faibles coefficients de dilatation (créés par Charles Édouard Guillaume) Invar (36 % de nickel, 0,4 % de manganèse, 0,1 % de carbone, 63,5 % de fer), dix fois moins dilatable que le fer Élinvar (Nivarox, Métélinvar, Isoval) (nickel, chrome, fer)

Invar (36 % de nickel, 0,4 % de manganèse, 0,1 % de carbone, 63,5 % de fer), dix fois moins dilatable que le fer

Élinvar (Nivarox, Métélinvar, Isoval) (nickel, chrome, fer)

FeNiCo un alliage 54 % fer + 29 % nickel + 17 % cobalt destiné au scellement verre/métal ou céramique/métal

钢是主要组成元素为铁的合金，其中碳的质量占0.02%到2.04%。

合金桌椅

合金，就是两种或两种以上化学物质（至少有一组分为金属）混合而成具有金属特性的物质，一般由各组分熔合成均匀的液体，再经冷凝而得。

合金至少会以下三种中的一种：元素形成的单一相固态溶液，许多金属相形成的混合物，金属形成的金属互化物。固态溶液的合金其微结构有单一相，部份为溶液的合金则是有二相或二相以上，其分布可能是匀相，也可能不是匀相，依材料冷却过程的温度变化而定。金属互化物一般会有一种合金或纯金属包在另一种纯金属内。

由于合金一些特性比纯金属元素要好，因此会用在特定的应用中。合金的例子包括钢、銲料、黄铜、白镴、磷青铜及汞齐等。

合金的成份一般是以质量比例来计算。合金依其原子组成的方式，可以区分为替代合金或间质合金，又可以进一步区分为匀相（只有一相）、非匀相（不止一相）及金属互化物（两相之间没有明显的边界）。

概述

合金的生成常会改变元素单质的性质，例如，钢的强度大于其主要组成元素铁。合金的物理性质，例如密度、反应性、杨氏模量、导电性和导热性可能与合金的组成元素有类似之处，但是合金的抗拉强度和抗剪强度却通常与组成元素的性质有很大不同。这是由于合金与单质中的原子排列有很大差异。例如合金的熔点比组成合金的金属熔点要低是因为各种金属原子半径有所差异，较不易形成稳定的晶格。 少量的某种元素可能会对合金的性质造成很大的影响。例如，铁磁性合金中的杂质会使合金的性质发生变化。 不同于纯净金属的是，多数合金没有固定的熔点，温度处在熔化温度范围间时，混合物为固液并存状态。因此可以说，合金的熔点比组分金属低。参见低共熔混合物。 常见的合金中，黄铜是铜和锌的合金；青铜是锡和铜的合金，常用于雕象、装饰品和教堂钟。一些国家的货币都会使用合金（如镍合金）。 合金是一种溶液，如钢中，铁是溶剂，碳是溶质。