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Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments.

Un métal pur a des caractéristiques mécaniques relativement faibles. Le fait d'ajouter d'autres éléments permet de « durcir » (augmenter les caractéristiques mécaniques) et/ou de modifier les caractéristiques chimiques des métaux (en particulier leur comportement à la corrosion), ou d'améliorer d'autres caractéristiques (facilité de mise en œuvre : coulabilité par exemple).

Le métal principal est appelé le métal de base ou la « base ». Les éléments ajoutés volontairement sont appelés les éléments d'alliage (ou d'addition) et les éléments non désirés sont appelés les impuretés.

Les éléments d'alliages sont le plus souvent des métaux mais ils peuvent également être d'autres éléments chimiques (exemples : le carbone dans l'acier ou la fonte, le silicium dans l'aluminium, ...).

Généralement, quand l'élément d'alliage n'est pas un métal, sa proportion reste faible. La concentration de carbone est inférieure à 2% en masse pour l'acier et inférieure à 6% en masse pour la fonte, alors qu'il est possible de faire un alliage Cuivre Zinc (laiton) avec 50% de chacun des éléments.

Un alliage peut être naturel, c'est rare mais ça existe, par exemple l'électrum alliage d'or et d'argent natifs utilisé dans la préhistoire et l'antiquité : Varna, Anatolie, Ur, Égypte etc.

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'alliages 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.

Conditions pour obtenir un alliage homogène avec solubilité totale à l'état solide (règle de Hume-Rothery) :

• les éléments constituant l'alliage doivent être isomorphes : même structure cristallographique (cubique à faces centrées avec un cubique à faces centrées, d'un Cubique centré avec un cubique centré, hexagonal compact avec un hexagonal compact).
• les atomes doivent avoir une taille voisine : leurs rayons ne doivent pas différer de plus de 15%. Dans le cas contraire la solubilité sera très limitée.
• la valence des deux éléments doit être identique.

Diagramme de phases Bi-Sb

Exemple : le bismuth et l'antimoine

Les alliages de bismuth et d'antimoine forment une solution solide (en dessous du solidus) dans tous les cas de figure et à toutes les températures. Le diagramme de phase est un diagramme à un fuseau.

Diagramme de phases Cu-Ni

Quelques autres couples dont la miscibilité est bonne et permet d’obtenir des solutions solides homogènes à toutes températures : cuivre-nickel, cuivre-palladium, Argent-or, argent-palladium, molybdène-vanadium, molydène-tungstène etc.

Certains alliages binaires solubles présentent aux plus basses températures un défaut de solubilité. 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, la deuxième inversement 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 1 et 2.

Structure d'un alliage

Alliage homogène

Un alliage homogène peut être ordonné (les atomes de différentes natures suivent une alternance stricte) ou désordonné (les différents atomes occupent des places aléatoires).

En général, on a un métal majoritaire, les autres métaux sont appelés « éléments d'alliage ». Les atomes des éléments d'alliage peuvent prendre la place des atomes du métal majoritaire, on parle alors de « substitution » ; ils peuvent aussi se glisser entre les atomes de l'alliage majoritaire, on parle d'« insertion ». Lorsqu'un métal est présent en faible teneur dans un alliage, on parle souvent de solution solide.

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 d'alliages

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

Alliages de cuivre

• bronze : cuivre + étain ; l'airain est l'ancien nom du bronze
• laiton : cuivre + zinc

Alliages d'aluminium

Ils sont appelés parfois alliages légers

• Alliages d'aluminium pour corroyage
• Alliages d'aluminium pour fonderie

Alliages moins connus

• alliage plomb-étain : pour la soudure
• 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
• zamak : zinc + aluminium + magnésium + cuivre

Alliages pour des applications spécifiques

• ferrotitanes : fer + 25 à 70%m de Ti + 4 à 10%m d'aluminium
• TA6V : titane + 6%m aluminium + 4%m vanadium
• 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
• 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%at nickel + 50%at aluminium
  • FeAl B2 : 50%at fer + 50%at aluminium
  • TiAl : 50%at titane + 50%at aluminium

• Les alliages présentant de faibles coefficients de dilatation (Inventeur Charles Edouard Guillaume)
  • Invar (36% de nickel, 0,4% de manganèse, 0,1% de carbone, 63,5% de fer)
  • élinvar (Nivarox, Métélinvar, Isoval) (nickel, chrome, fer)

• Les alliages à mémoire de forme :
  • NiTi : 50% nickel + 50% titane
  • CuZnAl : 70% cuivre + 25% zinc + 5% aluminium
  • CuAlNi : 82% cuivre + 12% aluminium + 4% nickel
  • CuALBe : cuivre + aluminium + béryllium

Alliages mythiques

• Adamantium : alliage très utilisé dans les romans et les bandes dessinées de science-fiction (Wolverine, Ultron)...
• Vibranium : alliage également utilisé dans les bandes dessinées comics américaines (Captain America..)
• Mithril : dans l'œuvre de J.R.R. Tolkien, alliage ayant les caractéristiques d'être très léger et extrêmement résistant et dont l'invention est souvent attribuée aux Nains. Le terme a été repris dans d'autres univers fantastiques.
• Orichalque : alliage mythique de l'antiquité grecque, souvent associé à l'Atlantide, dont on ne connaît pas la composition.

Voir également

Le Wiktionnaire possède une entrée pour « alliage ».

• Désignation des métaux et alliages

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