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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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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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Diffusion des gaz dans le fer et les aciers
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3. Solubilité des gaz dans les aciers
3.1 Influence d’un soluté
Reprenons l’équilibre de la réaction [4] de dissolution d’un gaz X2 dans un alliage :
Que le gaz X2 soit dissous dans le fer pur ou dans le fer contenant d’autres solutés ne change rien à la valeur de Δ 4G o (T ) ni à celle de K4 (T ). En revanche, le coefficient d’activité de X dans l’alliage γ X,all est modifié, puisqu’il dépend non seulement des interactions du soluté X sur lui-même, mais encore des interactions du soluté X sur les autres solutés i, j ... présents dans le solvant. Lorsque x X (ou [% X]) ® 0, γ X,all tend vers une limite finie différente de 1. La constante d’équilibre K 4(T ) étant indépendante de la présence ou non d’autres solutés dans le solvant, γ X,all s’obtient expérimentalement en mesurant, sous
constante, le rapport de la solubilité du gaz X2 dans l’alliage sur la solubilité du gaz X2 dans le fer pur :
Cette expression est valable tant que l’élément X dans le fer pur obéit à la loi de Sieverts. Sinon, le rapport des solubilités ne donne pas directement γ X,all , mais le rapport γ X,all / γ X,Fe .
HAUT DE PAGE3.2 Paramètres d’interaction
γ X étant une fonction compliquée...
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Solubilité des gaz dans les aciers
BIBLIOGRAPHIE
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