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Auteur(s)
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Jacques FOCT : ProfesseursLaboratoire de métallurgie physique et génie des matériaux, UMR-CNRS 8517 Université des sciences et technologies de Lille
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Lire l’articleINTRODUCTION
Le paradoxe contenu dans le titre de cet article pose la question préalable de la référence à l’état de gaz, car les espèces (éléments ou composés définis) gazeuses dans les conditions considérées comme normales par la thermodynamique, se présentent, en combinaison dans les métaux, soit sous forme de solutés, soit sous forme d’inclusions. Les réactions gaz-métal intervenant dans les processus de corrosion ne sont pas envisagées dans cet article. Les gaz réagissent dans les métaux en fonction de leur structure électronique, ce qui suggère de considérer les éléments à partir de leur position dans la classification périodique. L’hydrogène, en raison de son comportement particulier induit par sa petite taille, est exclu du champ de cet exposé. C’est certainement l’élément qui suscite le plus de questions en raison de son rôle sur la fragilité, la plasticité, la corrosion, la corrosion sous-contraintes…, et aussi la possibilité de le stocker dans certains alliages.
L’azote suivant l’hydrogène dans l’ordre des électronégativités croissantes se retrouve dans la plupart des réseaux métalliques, en particulier celui des aciers, sous forme interstitielle. Lorsque l’on arrive à l’oxygène, l’électronégativité est telle que, dans la plupart des métaux, il se trouve sous forme d’ions O 2–, nettement plus gros que l’atome métallique, ce qui conduit à la formation d’oxydes. Une faible quantité d’oxygène non réduit peut néanmoins exister sous forme interstitielle. La taille des halogènes et, a fortiori, celle de leurs anions interdit la formation d’interstitiels, mais les rendent actifs dans les phénomènes de corrosion. Les gaz rares, utilisés comme atmosphère protectrice en raison de leur inertie chimique, peuvent présenter une faible solubilité dans les métaux liquides. Dans les solides, ils ne jouent aucun rôle, sauf s’ils proviennent de réactions nucléaires.
Les réactions des gaz polyatomiques (H2O, H2S, CO, CH4 , NH3 ) sur les métaux, hormis les réactions de corrosion, sont également envisagées. Elles peuvent être destructives ou constructives (cémentation, affinage), auquel cas le résultat final est une amélioration des propriétés mécaniques de l’acier. Les exemples proposés privilégient le cas de l’azote et des gaz nitrurants qui ouvrent le champ d’application dans les aciers le plus étendu.
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Interactions gaz-métal
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6. Conclusion
Il est difficile, même en excluant l’hydrogène, traité par ailleurs , de détailler, dans l’espace disponible, toutes les caractéristiques, utiles ou nuisibles, des gaz dissous dans le fer et les aciers. Les références les plus pertinentes ont été incluses, en particulier, celles qui permettent le calcul de la solubilité en fonction des paramètres température, pression et composition. L’accent a été mis sur le gaz le plus intéressant, à savoir l’azote, qui, d’un point de vue économique, est, en même temps, le moins cher des éléments d’addition et peut être introduit dans de multiples nuances. S’il n’est pas imaginable d’en décrire tous les effets, l’immense littérature disponible, les congrès réguliers depuis 1988, les ateliers qui se construisent un peu partout dans le monde montrent, à l’évidence, que l’azote doit être considéré comme un élément d’alliage essentiel dans les aciers. Son action bénéfique est liée, dans une large mesure, aux interactions avec les autres éléments qui accompagnent invariablement le fer dans les aciers et la compréhension de ces interactions permet d’obvier aux effets les moins souhaitables tels que la fragilisation tout en optimisant les nombreux avantages : abondant et bon marché, il permet d’augmenter la charge à la rupture et la limite d’élasticité, la résistance à la fatigue et à la corrosion, améliore la soudabilité et l’aptitude à la déformation. L’azote, ainsi que le carbone, entre en solution solide interstitielle, insertion favorisée...
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BIBLIOGRAPHIE
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