CHAPITRE II

STRUCTURE CRISTALLINE DES MÉTAUX ET ALLIAGES MÉTALLIQUES. — NATURE DES FORCES DE LIAISON.

L'analyse de la structure d’un cristal au moyen des rayons X montre qu'il est formé d’un arrangement régulier de particules matérielles occupant dans l’espace des positions bien déterminées. Ces particules sont liées les unes aux autres par des forces appelées forces de liaison qui assurent la cohésion du cristal.

La nature de ces forces est encore mal connue. On les attribue aux électrons de valence, c’est-àdire aux électrons des couches périphériques des atomes. ,

Les structures des métaux vrais sont, en général, simples et on peut les représenter par des empilements de sphères en contact les unes avec les autres. Parmi le grand nombre d'assemblages possibles, il en est qui forment la quasi totalité des métaux, ce sont les assemblages compacts (cubique et hexagonal) et celui de cubes centrés qui est presque compact.

En ce qui concerne les forces de liaison, on sait qu'on a été amené à imaginer, pour expliquer les propriétés de l'état métallique, notamment la conductibilité, la présence d'électrons libres et mobiles formant un gaz électromique à très forte concentration. Cette hypothèse repose sur quelques considérations relatives à la structure atomique que nous allons rappeler brièvement.

Dans les combinaisons ou associations d’atomes, celles qui se produisent naturellement correspondent à l’arrangement le plus stable entre électrons et atomes. Or, les éléments reconnus les plus stables sont les gaz rares et l’on sait que la couche

externe de l’atome de tous ces éléments comporte huit électrons. Si on admet, pour la structure des corps solides en général, par analogie avec les gaz rares, qu'une configuration comprenant huit électrons externes ou électrons de valence est particulièrement stable, cette configuration appelée octet peut se réaliser suivant trois types principaux d'associations d’atomes

1° Un atome se dépouille complètement de ses électrons externes au profit d'un autre; la liaison est dite hétéropolaire ou d’électrovalence. Elle est assurée par les forces d'attraction électrostatique qui s'exerce entre les ions ainsi formés qui sont chargés de signes contraires. La formation des octets dans ces sortes de liaisons suppose que le nombre des électrons périphériques présents dans l'ensemble des atomes soit un multiple de 8. Cette condition, réalisée dans un nombre considérable de composés minéraux (NaCI, MgO) ne l’est pas, en général, pour les métaux.

2° Deux atomes mettent en commun une paire d'électrons de la couche externe : la liaison est dite homopolaire ou de covalence. Elle oblige les électrons de valence à rester au voisinage immédiat des deux atomes liés et empêche leur mobilité. Pour qu'il y ait formation d'’octets, il faut qu’un atome de valence N, possédant N électrons échangeables, puisse mettre en cemmun un électron avec chacun des 8-N atomes voisins, de façon à compléter sa couche externe à 8 électrons.

Un électron ne pouvant être mis en commun qu'une seule fois, ce mode de liaison entraîne la condition

N > 8-N ou 4=N <8 où N est la valence de l'élément. Cette condition est vérifiée pour un grand nombre d’éléments, en particulier ceux qui ne sont ni des métalloïdes vrais, ni des métaux vrais, tels que As, Sb, Bi, Si.

3° Les éléments qui présentent de façon tout à fait marquée les propriétés de l'état métallique ont

moins de 4 électrons sur leurs orbites externes, de sorte qu'aucun arrangement possible ne satisfait à la relation précédente. On admet alors que les électrons ne sont plus astreints à rester liés à deux atomes, mais peuvent évoluer entre plusieurs atomes. Un métal devient ainsi un grand atome à noyaux multiples et à grand nombre d'électrons périphériques. La liaison est dite métallique.

Cette liaison exige des structures dans lesquelles les atomes aient un grand nombre d’atomes voisins afin de pouvoir échanger aisément leurs électrons. En effet, comme nous l'avons dit plus haut, les vrais métaux cristallisent tous avec des structures compactes ou presque compactes.

Examinons maintenant Îa structure des alliages métalliques et prenons pour exemple le cas des laitons, alliages de cuivre et de zinc.

Le diagramme d'équilibre de ces alliages, d'après Broniewski, Jablonski et Maj, est représenté

Vo atomique de zinc 0 40 90 30 50/2060 mer70 mn 80.90 100

0 40 90 30 40 60 60 70 80 90 #0 %o de zic enpaids

Fig. 12 — Diagramme d'équilibre des alliages cuivre-zinc d'après Broniewski, Jablonski et Maj.

2 (72 H O 10 20 30 40 50 60 70 60 90 100 ofo de ZA en poids

Fig. 13. — Propriétés physiques des alliages cuivre-zinc d’après Broniewski et Hackiewicz. H: dureté Brinell; C: conductivité électrique à 0°; a: coefficient de la résistance électrique entre 0 et 100°

figure 12. Il révèle l'existence d'un certain nombre de domaines uw, B, y, «, pour lesquels l'examen au microscope montre que l’alliage est homogène, c'est-à-dire ne comprend qu'une seule phase. Dans les régions intermédiaires, le produit formé est hétérogène et constitué par un mélange en proportions variables des deux phases voisines. La figure 13 montre les variations des propriétés physiques de ces alliages en fonction de la composition.

Westgren et Phragmen ont déterminé par l’analyse aux rayons X les structures cristallines des phases a, B, y, &. Au delà de la solution solide de zinc dans le cuivre dont la structure est identique à celle du cuivre pur, apparaît la phase f du type cubique centré. Cette phase présente les caractères très marqués de l’état métallique : haute conductibilité électrique, malléabilité, etc... ce qui fait admettre que les liens qui unissent ses différents atomes sont du type métallique. La proportion de zinc pour laquelle on obtient le maximum de ces propriétés correspond à la formule Cu Zn, pour laquelle le rapport du nombre d'électrons de valence au nombre d’atomes est égal à 3/2. Cette

phase est à rapprocher, au point de vue des propriétés, de la phase € située à l’autre extrémité du diagramme qui cristallise dans le système hexagonal et correspond à la formule Cu Zn*, pour laquelle le rapport précédent est voisin de 7/4.

La phase y qui correspond à des concentrations en zinc d'environ 60 % en poids, présente des propriétés nettement différentes : elle est très dure, diamagnétique, extrêmement fragile et son apparition entraîne une baisse brutale de la conductibilité électrique. Le caractère métallique de cette phase est donc particulièrement peu marqué : ces liaisons entre atomes y sont supposées tendre vers le type de covalence. Sa structure cristalline est très compliquée; la maille cubique contient 52 atomes, dont 20 de cuivre et 32 de zinc. Elles correspond à la formule Cu’ Zn° pour laquelle le rapport du nombre des électrons au nombre des atomes est de 21/13.

Les structures types que nous venons d'étudier dans les alliages cuivre-zinc se retrouvent identiques, et avec des propriétés semblables, dans beaucoup d’alliages à température ordinaire.

(Exemples : alliages de cuivre, d'argent ou d’or avec le zinc, le cadmium, l’étain, etc.) Hume Rothery a montré, de plus, qu’elles apparaissent, pour les mêmes concentrations en électrons de valence, attirant ainsi l’attention sur le fait que la structure des alliages dépend, non seulement des atomes en présence, maïs surtout des systèmes d'électrons de valence associés aux constituants.