Introduction

La diffusion est un déplacement aléatoire d’atomes ou de lacunes dans le réseau cristallin (migration), provoqué par l’agitation thermique, dont l'amplitude est au moins égale à une distance interatomique. Les phénomènes de diffusion régissent la cinétique de nombreux processus métallurgiques tels que :

  • la solidification,

  • l’homogénéisation par recuit des alliages,

  • les transformations de phases (à l’exception des transformations martensitiques),

  • la précipitation,

  • la restauration,

  • la recristallisation.

On peut envisager plusieurs modes de diffusion :

  • la diffusion en volume qui se fait à travers le cristal,

  • la diffusion intergranulaire, le long des joints et sous-joints de grains,

  • la diffusion dans les dislocations,

  • la diffusion à la surface du matériau,

  • la diffusion à la surface des fissures.

Généralement, c’est la diffusion en volume qui est prépondérante et pour cette étude, nous nous limiterons à ce cas.

Les phénomènes de diffusion sont relativement complexes à modéliser mathématiquement et nous envisagerons dans la suite le cas de la diffusion unidirectionnelle et binaire (entre deux éléments chimiques \(\ce{A}\) et \(\ce{B}\)). L’expérience la plus classique consiste à plaquer deux métaux \(\ce{A}\) et \(\ce{B}\), à chauffer l’ensemble (couple de diffusion) pour étudier l’interpénétration des deux métaux. Notons que les phénomènes de diffusion se produisent soit dans les solutions (alliages) soit dans les corps purs (autodiffusion).

Dans le cas d’un couple de diffusion \(\ce{Cu-Ni}\) (voir Fig.), si l’on suit en fonction du temps, pour une température de recuit suffisante donnée, l’évolution de la concentration d’un des éléments (ou des deux), on constate qu’il y a mélange des deux métaux avec tendance à la formation d’une solution solide homogène En effet, le diagramme de phase correspondant montre un domaine de solution solide illimité. On pourrait remarquer que l’homogénéisation quoique toujours lente est d’autant plus rapide que la température est élevée.

Qualitativement, il apparaît que les atomes de chaque élément se déplacent depuis les régions riches en cet élément vers les régions pauvres en cet élément, plus précisément sous l’influence d’un gradient de concentration qui est la force motrice du phénomène. Ce processus est tout à fait similaire au déplacement de charges électriques sous l’influence d’un gradient de potentiel ou au transfert de chaleur sous l’influence d’un gradient de température. Si bien que l’on peut donner une définition simplifiée de la diffusion : la diffusion chimique en volume correspond à un déplacement macroscopique de matière, activé thermiquement, sous l’influence d’un gradient de concentration (en réalité les phénomènes ne sont simples que dans le cas où l’on forme des solutions solides illimitées).

image/svg+xml Cu Ni Cu Ni Cu Ni T(°C) 1083 °C 1450 °C Cu Ni t = 0 t t = ∞ % Cu t = ∞ t = 0 t2 > t1 t1 Cu/NiSScontinue solution solide continue liquide distance
Couple de diffusion Cu-Ni ; Répartition, en fonction du temps, du Cu et du Ni après recuit de diffusionInformations[1]