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Thermodynamique S1 SPECIALITEE CHIME, Study Guides, Projects, Research of Thermodynamics

Cours Thermodynamique S1 SMP1 2012-2013 Cours de Thermodynamique, Introduction, Description d’un syst`eme macroscopique, variables d’ ́etat, Energie, travail, chaleur, premier principe, Le gaz parfait, M ́ethodes de v ́erification des calculs, Le second principe, L’entropie, Syst`emes purs, Les autres potentiels thermodynamiques, Transitions de phase, R ́eactions chimiques, Annexes

Typology: Study Guides, Projects, Research

2022/2023

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nouamane-zouitina
nouamane-zouitina 🇨🇦

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Liste des mini-projets
I- Recherche bibligraphique : ( Questions communes à tous les groupes)
Questions:
1- On considère un alliage formé de deux elements A et B dont les fractions molaires
respectives sont XA ( Solvant) et XB (Soluté). Montrer que la masse volumique «"de
l’alliage peut se mettre sous l’une des deux formes suivantes en fonction de sa structure
cristalline":
- Solution solide de substitution":
- Solution solide d’insertion":
MA et MB représentent les fractions molaires des atomes de A et de B, et n et V sont le nombre
d’atomes de A dans la maille et le volume de la maille respectivement.
2- En se basant sur les données des équilibres thermodynamiques des solutions, montrer que
l’énergie nécessaire «"W"» à la transformation liquide solide d’un alliage donné se réduit à":
Où":
Hf": Chaleur latente de solidification
Tf": Température de la transformation liquide-solide
T": Température voisine de Tf
3- a- Pour un alliage binaire, donner les expressions des energies libres de Gibbs Gm du
mélange à une température donnée en fonction des fractions molaires. On examinera le cas
d’une solution idéale et réelle.
b-Exprimer les conditions d’équilibres entre phases à température donnée et donner
quelques exemple types d’évolution de la variation d’énergie libre dans un diagramme
binaire présentant une transformation eutectoide en schematisant les conditions d’équilibre
entre phases au courant du refroidissement à partir d’une solution solide. On examinera au
moins trois températures de votre choix ( Température au dessus de Teutectoide, Teutectoide et
Temérature au dessous de Teutectoide)
4- Lors de l’élaboration industrielle d’un alliage donné, la formation et la croissance des phases
est loin d’être en général dans les conditions d’équilibre. Expliquer en quelques lignes
l’évolution des lignes des diagrammes d’équilibre en precisant les causes principales de
cette évolution. Illustrer un telle situation à l’aide d’un exemple industriel de votre choix et
comment cela affectera-t-il les propriètés mecaniques et metallurgiques des alliages.
II- Devoirs libres pour chaque groupe :
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Liste des mini-projets

I- Recherche bibligraphique : ( Questions communes à tous les groupes) Questions : 1- On considère un alliage formé de deux elements A et B dont les fractions molaires respectives sont XA ( Solvant) et XB (Soluté). Montrer que la masse volumique «  » de l’alliage peut se mettre sous l’une des deux formes suivantes en fonction de sa structure cristalline :

  • Solution solide de substitution :
  • Solution solide d’insertion : MA et MB représentent les fractions molaires des atomes de A et de B, et n et V sont le nombre d’atomes de A dans la maille et le volume de la maille respectivement. 2- En se basant sur les données des équilibres thermodynamiques des solutions, montrer que l’énergie nécessaire « W » à la transformation liquide solide d’un alliage donné se réduit à : Où : Hf : Chaleur latente de solidification Tf : Température de la transformation liquide-solide T : Température voisine de Tf 3- a - Pour un alliage binaire, donner les expressions des energies libres de Gibbs Gm du mélange à une température donnée en fonction des fractions molaires. On examinera le cas d’une solution idéale et réelle. b -Exprimer les conditions d’équilibres entre phases à température donnée et donner quelques exemple types d’évolution de la variation d’énergie libre dans un diagramme binaire présentant une transformation eutectoide en schematisant les conditions d’équilibre entre phases au courant du refroidissement à partir d’une solution solide. On examinera au moins trois températures de votre choix ( Température au dessus de Teutectoide, Teutectoide et Temérature au dessous de Teutectoide) 4- Lors de l’élaboration industrielle d’un alliage donné, la formation et la croissance des phases est loin d’être en général dans les conditions d’équilibre. Expliquer en quelques lignes l’évolution des lignes des diagrammes d’équilibre en precisant les causes principales de cette évolution. Illustrer un telle situation à l’aide d’un exemple industriel de votre choix et comment cela affectera-t-il les propriètés mecaniques et metallurgiques des alliages. II- Devoirs libres pour chaque groupe :

Sujet 1 : Alliages d’Aluminium : 1- Decrire en quelques lignes, les principaux alliages d’aluminium en précisant :

  • Les principales nuances utilisées industriellement (Donner au moins 3 nuances les plus utilisées)
  • Leurs avantages et inconvenients
  • Leur propriétés mécaniques 2- Parmi les alliages les plus recontrées, on retouve l’alliage Al-Si. Sur la figure ci-dessous, on donne le diagramme binaire AL-Si : a. Sur le diagramme, donner les différentes phases présentes en indiquant les points invariants et la nature des transformations ayant eu lieu. b. En choisissant un alliage Al-Si à 13%Si, donner la courbe de refroidissement de l’alliage depuis l’éta liquide jusqu’à la température ambiante. c. Quels sont les constituants de cet alliage ( 13%Si) à 578°C, 576°C et à 300°C. Pour chaque température, determiner les pourcentages et les compositions chimiques des phases présentes. d. Parmi les élements d’addition des alliages d’aluminium, on retrouve principalement, le magnesuim et le cuivre. Expliquer en quelques lignes l’influence de ces deux éléments d’addition sur les propriétés mécaniques et métallurgiques des alliages Al- Si. Sujet 2 : Alliages Mg– Pb : On considère le diagramme d’équilibre Mg – Pb donné ci-dessous. a- Quels sont les différents types d’alliages à base de Magnésium les plus utilisés industriellement (Donner au moins 3 nuances les plus utilisées) et dans quel domaine retrouve-t-on les alliages de type Mg-Pb. b- En se référant au diagramme Mg-Pb, quelle est la formule chimique du composé MgxPby? Est-ce un composé stoechiométrique? Justifiez votre réponse. c- Quelles sont les phases en présence dans les domaines numérotés 1 et 2 sur le diagramme?

Sujet 4 : Alliages Cu-Zn : a- Quelles sont les utilisations principales des alliages Cu-Zn et donner au moins deux nuances les plus recontrées dans l’industrie. b- Quelle est la solubilité maximale du Zn dans le cuivre et que se passe-t-il au-delà de cette composition. Justifier votre réponse en précisant les avantages et les inconvenients rencontrés dans de tels alliages. Sur la figure ci-jointe, on donne le diagramme de phases du système cuivre-zinc. c- Sur ce diagramme, noter les domaines monophasés et biphasés ainsi que les différents points invariants en précisant les températures correspondantes et le type de la transformation ayant eu lieu. d- Les deux laitons commerciaux les plus communs sont

  • Le laiton 70/30 : mCu= 70%
  • Le laiton 60/40 : mCu= 60% Placez les points constitutifs de ces deux alliages sur le diagramme à 200°C et qu’est- ce-qui distingue les deux alliages? Justifier votre réponse à partir de la nature et des pourcentages des phases présentes e- Quelles sont les phases présentes dans le laiton 60/40 à 700°C et à 200°C? Que se passe-t-il au cours du refroidissement de 700 à 200°C de cet alliage. Justifier votre réponse

Sujet 5 :Sn-Au : Sur la figure ci-dessous, on donne le diagramme d’équilibre Etain–Or (Sn–Au). a- Dans quelles domaines on a recours aux alliages Sn-Au et donner au moins deux nuances les plus utilisées. b- Compléter les domaines du diagramme Sn-Au donné c- Quelles sont les solubilités maximales de Sn dans Au et Au dans Sn? d- Identifier les différents points invariants sur ce diagramme en prédisant les températures et la nature de la transformation correspondantes. e- Sur ce diagramme, précisez la nature et les compositions des constituants définis par les verticales notée , , ,  et ’: f- Un alliage composé de 40%at Sn est porté à 450°C puis refroidit lentement jusqu’à la température ambiante. Donner sa courbe de refroidissement en donnant le pourcentage et la composition massique des phases aux températures de : 300°C, 200°C et 20°C

Sujet 7 : Alliage Fe-C On considère un acier à 0.35%C et à 99.65%Fe à l’état recuit. Une coupe du diagramme Fe- C est donnée sur la figure ci-contre. a- Quelles sont les utilisations principales de ce type d’acier et indiguer ses propriétés mécaniques à son état recuit. b- Déterminer les fractions des phases suivantes présentes à l’ambiante :: i. La fraction de la ferrite et de la cémentite totales ii. La fraction de la ferrite pro-eutectoïde et de la perlite iii. La fraction de la ferrite présente dans la perlite. c- Un échantillon de cet acier oa été austénitisé à une température de 900°C pendant 30mn puis refroidis très lentement jusqu’à l’ambiante. Donner sa courbe de refroidissement et préciser sa structure finale à l’ambiante d- En chauffant cet acier à une température d’environ 800°C puis refroidi à l’air, comment evoluera sa structure metallurgique et quelles conséquences aura-t-on sur ses proriétés mécaniques. Justifier votre réponse à l’aide d’un exemple industriel.

Sujet 8 : Alliage Fe-C Vous disposez d’un acier (alliage « fer – carbone ») dont vous ignorez la teneur en carbone. Cependant, après avoir chauffé cet acier à 850 °C et l’avoir laissé refroidir lentement au four jusqu’à la température ambiante (20 °C), vous constatez, sur une métallographie de cet acier, qu’il contient 91,3 % de ferrite α et 8,7 % de cémentite Fe 3 C. a- A partir du diagramme Fe-C donné ci-dessous, quelle est la composition nominale C 0 (%m) en carbone de cet acier? b- À 724 °C, quelles sont les phases en présence, leur composition (en %m C) et leur fraction massique respective (en %m)? c- Quelle est la fraction massique de perlite présente dans l’acier à la température ambiante à la fin du refroidissement lent? d- Au cours de l’élaboration de ce type d’acier, le refroidissement est souvent plus rapide et on se retrouve loin des conditions d’équilibre. Expliquer en quelques lignes l’évolution des pourcentages des phases et leurs conséquences sur les propriétés mécaniques de cet acier. e- Donner le cycle de traitement thermique habituellement utilisé pour augmenter ses propriétés mécaniques.

Préparé par : Pr B. ouaki ENSMR, Rabat