Diagrammes de Phases Binaires et leur Interprétation

Principe :

Un diagramme de phases est délimité par des lignes qui indiquent les transitions de phase.

Définitions :

• Liquidus : C'est la ligne au-dessus de laquelle l'alliage est entièrement à l'état liquide. En refroidissant, c'est sur cette ligne qu'apparaissent les premiers cristaux de solide.
• Solidus : C'est la ligne en dessous de laquelle l'alliage est entièrement à l'état solide. En refroidissant, c'est sur cette ligne que disparaît la dernière goutte de liquide.
• Point Eutectique (E) : C'est le point unique du diagramme où trois phases (Liquide, solide \(\alpha\), solide \(\beta\)) coexistent en équilibre. Il est défini par une température (\(T_E\)) et une composition (\(C_E\)) spécifiques. À ce point, le liquide se solidifie en un mélange intime des deux phases solides \(\alpha\) et \(\beta\).

D'après le diagramme :

• Température eutectique (\(T_E\)) : 183 °C
• Composition eutectique (\(C_E\)) : 61.9 %pds Sn

Principe :

Pour une composition globale et une température données, le diagramme indique directement le domaine de phase dans lequel se trouve l'alliage.

Analyse :

On trace une ligne verticale à la composition 40%pds Sn et on regarde où elle se situe aux températures demandées :

• À 300 °C : Le point (40% Sn, 300°C) est au-dessus du liquidus. La seule phase présente est la phase Liquide (L).
• À 250 °C : Le point (40% Sn, 250°C) est entre le liquidus et le solidus. Les deux phases Liquide (L) + solide \(\alpha\) coexistent en équilibre.
• À 150 °C : Le point (40% Sn, 150°C) est en dessous du solidus et de la ligne eutectique. Les deux phases solide \(\alpha\) + solide \(\beta\) coexistent en équilibre.

Principe :

Dans un domaine biphasé, la composition de chaque phase est donnée par les intersections d'une ligne horizontale (isotherme ou droite de palier) avec les lignes qui délimitent le domaine (le liquidus pour la phase liquide, le solidus pour la phase solide).

Lecture sur le diagramme :

On trace une isotherme horizontale à 220°C. Elle coupe la verticale de notre alliage (40% Sn) dans le domaine L + \(\alpha\).

• L'intersection de cette isotherme avec la ligne du liquidus nous donne la composition de la phase liquide : \(C_L \approx\) 50 %pds Sn.
• L'intersection avec la ligne du solidus nous donne la composition de la phase solide \(\alpha\) : \(C_{\alpha} \approx\) 15 %pds Sn.

Principe :

La règle des leviers permet de calculer la proportion en masse de chaque phase dans un domaine biphasé. La fraction d'une phase est donnée par la longueur du segment de l'isotherme opposé à cette phase, divisée par la longueur totale de l'isotherme.

Formules et calcul :

Données : \(C_0=40\%\), \(C_L=50\%\), \(C_{\alpha}=15\%\)

Vérification : \(W_L + W_{\alpha} = 71.4\% + 28.6\% = 100\%\).

Principe :

Juste en dessous de la température eutectique, tout le liquide qui restait à 183°C s'est transformé en un microconstituant eutectique (un mélange fin de lamelles d'\(\alpha\) et \(\beta\)). La microstructure finale est donc composée de la phase \(\alpha\) primaire (formée avant 183°C) et de ce constituant eutectique.

Calcul des fractions :

On applique la règle des leviers sur la ligne eutectique (à 183°C) pour trouver la proportion de liquide juste avant la transformation, qui deviendra la proportion de constituant eutectique.

Données à \(T_E = 183^{\circ}C\):

• Composition de l'alliage : \(C_0 = 40\%\)
• Composition du solide \(\alpha\) à \(T_E\) : \(C_{\alpha,E} = 18.3\%\)
• Composition du liquide à \(T_E\) (qui est aussi la composition eutectique \(C_E\)) : \(C_{L,E} = 61.9\%\)

Fraction de la phase \(\alpha\) primaire (\(W_{\alpha \text{ primaire}}\)) :

Fraction du constituant eutectique (\(W_{\text{eutectique}}\)) :

Principe :

La classification d'un alliage dans un système eutectique dépend de sa position par rapport à la composition eutectique \(C_E\).

Définitions et classification :

• Hypoeutectique : Un alliage dont la composition est inférieure à la composition eutectique (\(C_0 < C_E\)). Lors du refroidissement, il forme une phase solide primaire avant d'atteindre la température eutectique.
• Hypereutectique : Un alliage dont la composition est supérieure à la composition eutectique (\(C_0 > C_E\)).
• Classification : La composition de notre alliage est \(C_0 = 40\%\text{pds Sn}\). La composition eutectique est \(C_E = 61.9\%\text{pds Sn}\). Comme \(40 < 61.9\), l'alliage est hypoeutectique.

Principe :

Les alliages de soudure (brasure tendre) sont choisis pour avoir des températures de fusion basses et des propriétés de solidification spécifiques.

Explication :

La température eutectique (\(183^{\circ}C\) pour Pb-Sn) représente la température de fusion la plus basse de tout le système d'alliage. C'est un avantage majeur pour la soudure :

• Basse température de travail : Elle permet de joindre des composants sans endommager les pièces sensibles à la chaleur (composants électroniques, par exemple).
• Solidification à température constante : Un alliage de composition eutectique (61.9% Sn) passe directement de l'état liquide à l'état solide à une température unique (183°C), sans passer par un intervalle de solidification pâteux (L+\(\alpha\) ou L+\(\beta\)). Cette solidification rapide et nette minimise le risque de bouger les pièces pendant la prise, assurant des joints plus fiables et de meilleure qualité.