ALLIAGES
Modélisation des alliages
Le problème permanent des métallurgistes est l'impossibilité, encore quasi totale, de prévoir théoriquement et économiquement un diagramme d'équilibres de phases. Les diagrammes connus ont tous été établis d'abord expérimentalement, en mettant les composants en contact et en suivant leur évolution au moyen de techniques diverses. L'exemple de la figure, dans laquelle les pointillés traduisent l'incertitude des auteurs, montre que notre connaissance est encore très imparfaite. Deux voies, en dehors de l'étude expérimentale, toujours d'actualité, sont suivies pour résoudre les problèmes pendants. La première est la modélisation numérique des diagrammes de phases. La « coexistence pacifique » entre phases différentes, appelée équilibre thermodynamique, est régie par la règle dite de « minimisation de l'enthalpie libre du système ». Les performances des micro-ordinateurs actuels permettent d'utiliser des modèles numériques de cette enthalpie libre et de calculer ainsi toutes les lignes des diagrammes. Il ne s'agit cependant pas de prévision, car on ne peut modéliser numériquement que ce qui est connu et caractérisé thermodynamiquement, et les vertus des logiciels se limitent à interpoler de façon sensée entre des domaines déjà explorés. Mais cet apport est important, car il permet tout à la fois de guider les expérimentateurs – afin de leur éviter des investigations coûteuses et pas toujours utiles – et de mettre en évidence d'éventuelles incohérences dans des résultats déjà publiés. Les logiciels sont capables de traiter des alliages possédant jusqu'à dix composants, voire plus, ce qui correspond au nombre d'éléments existant dans les alliages industriels.
La seconde voie non expérimentale est celle de la théorie physique de l'état solide. Les atomes interagissent entre eux par l'intermédiaire de leurs couches électroniques externes, lesquelles sont bien décrites par la mécanique quantique. Des modèles des alliages ont été construits pour essayer, dans un premier temps, de déterminer si le voisinage entre atomes de métaux différents était énergétiquement favorable ou non. Ce souci répondait à deux préoccupations complémentaires : les théoriciens de l'état solide cherchaient à comprendre les mécanismes fondamentaux des alliages, tandis que les concepteurs de produits industriels tentaient de trouver soit des indices pour élaborer de nouvelles combinaisons, soit des solutions à des problèmes de fabrication.
À la fin du xxe siècle, il est devenu possible de chiffrer l'énergie d'un alliage binaire à partir de modèles tenant compte des configurations électroniques des éléments et des modifications qu'elles subissent lors de la formation de l'alliage, c'est-à-dire lorsque les différents types d'atomes se rencontrent. L'école de Vienne (Autriche), avec Jürgen Hafner, a joué un grand rôle dans le développement des programmes actuellement utilisés dans les laboratoires de recherche universitaires ou gouvernementaux, mais aussi dans quelques laboratoires industriels de recherche-développement. Ces derniers, dont aucun n'est situé dans l'Union européenne, sont à la recherche de pistes pour améliorer les alliages, pistes qu'il faudra ensuite confirmer expérimentalement
En calculant l'énergie de diverses formes cristallines d'une même composition d'alliage, on peut déterminer celle qui est la plus stable énergétiquement, donc celle qui a le plus de chance d'exister. On peut également calculer la différence d'énergie entre plusieurs formes allotropiques d'un même élément, ce qui constitue une source de données importantes pour la modélisation numérique évoquée ci-dessus. Celle ci ne peut fonctionner que lorsque toutes les formes allotropiques envisagées dans le système[...]
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Écrit par
- Jean-Claude GACHON : docteur d'état ès sciences physiques, professeur de métallurgie à l'université de Nancy-I
Classification
Médias
Système cuivre-tungstène
Encyclopædia Universalis France
Système cadmium-plomb
Encyclopædia Universalis France
Système zirconium-hafnium
Encyclopædia Universalis France
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