Voir à V Appendice

ALLIAGES DE CUIVRE ET d'ÉTAIN. — BRONZES ORDINAIRES 459

M. Charpy a démontré les différents points suivants :

1° Tous les alliages qui contiennent moins de 25 0/0 d'étain sont constitués par deux éléments, l'un de couleur jaune rouge, l'autre sensiblement blanc.

Pour mettre ces deux éléments en vue, il suffit d'attaquer légèrement à l'acide chlorhydrique et de donner ensuite un très faible polissage.

Pour les alliages contenant de 18 à 250/0d'étain, un simple polissage différencie les deux éléments.

Ces dendrites présentent l'aspect spécial des eutectiqucs (lamelles alternantes). Elles seraient constituées par le premier eutectique.

2° Les alliages qui renferment de 35 à 45 0/0 d'étain possèdent une structure sensiblement homogène ;

3° Les alliages de 10 à 33 0/0 de cuivre montrent des cristaux extrêmement durs de forme aciculaire, mais qui n'ont pas toujours des contours très réguliers ;

4° Enfin, M. Charpy montra qu'un refroidissement plus ou moins rapide avait de l'influence sur la constitution des alliages cuivre-étain.

M. Stead étudia plus spécialement les alliages à basse teneur en cuivre.

Il montra que, dès quel'étain contient 0,1 0/0 de cuivre, on peut déceler de très fines aiguilles dont les dimensions augmentent avec le pourcentage de cuivre. A 10 0/0 de cuivre, on obtient des cristaux très mal formés affectant la forme de lances, aux extrémités desquelles on trouve de très petits cristaux.

M. Campbell (Engineering, janvier 1902, p. 28) a donné une étude d'ensemble très intéressante; en voici les principales conclusions :

1° À 1 0/0 de cuivre, on obtient le premier alliage eutectique;

2Q De 0 à 1 0/0 de cuivre, l'étain cristallise en gros grains ou en dendrites qui sont, bien entendu, englobés dans l'eutectique;

3° De 1 à 8 0/0 de cuivre, on trouve des aiguilles très brillantes qui augmentent avec le pourcentage de cuivre;

4° De 8 à 41 0/0, on est en présence d'un autre constituant qui se présente en petits cristaux qui s'oxydent très rapidement;

5° De 41 à 61 0/0 de cuivre, on obtient des bâtonnets qui semblent bien être le composé SnCu3 et qui sont entourés d'un eutectique. A 5 0/0, l'eutectique disparaît. A 61,7 0/0, on a une masse homogène;

7° De 68,28 à 74 0/0 de cuivre, on trouve le second euteciique entourant les cristaux brillants de SnCu4.

8° Les alliages dont la teneur en cuivre dépasse 75 O/O montrent un nouveau constituant se présentant en grains jaunes ; la couleur passe du jaune au rouge, lorsque la teneur en cuivre augmente, et les grains vont en augmentant. Ceci prouve que ces grains sont formés de cuivre contenant de rétain en solution. L'eutectique va en diminuant, tandis que le pourcentage de cuivre croît.

On voit que dans ces études il n'est pas question de l'influence du traitement, et que, l'importante remarque de M. Charpy mise à part, les savants dont nous venons d'analyser les travaux n'ont pas examiné les effets de la trempe. Il nous faut, pour étudier ce point, approfondir les travaux de MM. Heycock et Neville (Philosophical Transactions of the Royal Society , janvier 1904).

Dans l'importante et récente étude de ces savants, la question de la constitution des bronzes est très précisée; il semble même qu'elle est absolument mise au point. Nous définirons les conditions de formation et les caractéristiques des différents constituants reconnus par M. Heycock et Neville et que nous avons déjà énumérés.

1° Constituant a (Phot. 153 à 155, PL XXXIX et Phot. 163, PL XLI). — Le constituant a est toujours plus facilement oxydé que la matière environnante. L'ammoniaque ou l'acide chlorhydrique attaque l'a en le noircissant et laisse très blanche la partie riche en étain. La solution de chlorure ferrique dans l'acide chlorhydrique a sensiblement même effet.

ALLIAGES DE CUIVRE ET d'ÉTAIN. BRONZES ORDINAIRES 461

Mais, lorsqu'on est en présence d'un mélange a + Pi <* apparaît en plus pâle que p, cette dernière substance restant le plus souvent très sombre.

Le constituant a montre un noyau différant quelque peu de la partie extérieure. Ces noyaux s oxydent plus facilement que la matière extérieure, et ils sont plus rapidement attaqués et brunis par des réactifs, tels que l'ammoniaque. Ils sont donc plus riches en cuivre que les parties extérieures des cristaux.

On le rencontre dans tous les alliages contenant de 0 à 8 0/0 d'étain. Quand on trempe à des températures de 1.025°, 970° et 850°, on obtient des figures dans lesquelles le corps a qui apparaît en noir est d'autant plus abondant que la température de trempe est plus basse (Phot. 154, PL XXXIX).

A 800°, température qui est un peu au-dessous de la courbe de fin de solidification, on a le constituant z homogène (Phot. 155, PI. XXXIX).

2° Constituant p. — Ce constituant est toujours bien plus riche en étain que le constituant a. Lorsque les deux constituants se trouvent en présence, on peut aisément les distinguer : a s'oxyde le premier ; l'ammoniaque fort ternit d'abord a, tandis que p reste très blanc. L'attaque pnr le chlorure ferrique en solution chlorhydrique est très lente. L'apparence de ce constituant est la même que celle du corps a. La photographie 156 (PI. XXXIX), montre le résultat obtenu en trempant l'alliage contenant 25,5 0/0 d'étain à la température de 750°. En trempante une température inférieure au sol i du s, on obtient le corps £ homogène. Ce résultat est obtenu avec tous les alliages renfermant de 26 k 32 0/0 d'étain.

Le chlorure ferrique permet, comme nous l'avons dit, de différencier a et p.

3° Constituant y. — Ce constituant formé, comme les précédents, par une solution cuivre-étain, s'attaque avec une très grande difficulté par le réactif ci-dessus indiqué.

Dans la micrographie 157 (PL XL), qui représente le. métal à 47,9 0/0 d'étain trempé à 676°, on voit le constituant y

en cristaux blancs. La partie fine qui les environne est formée par la liquide rapidement solidifié.

L'oxydation à chaud n'agit pas sur ce constituant.

Mais l'acid* chlorhydrique assombrit le fond, tandis que y reste intact.

4° Constituant 8. — Il semble correspondre au composé Cu'4Sn et peut être caractérisé au moyen de l'acide chlorhydrique qui noircit a, mais n'a pas d'action sur 5.

On le distingue aisément du composé rh qui n'est autre chose que Cu3Sn.

En effet l se colore en brun par oxydation, t\ reste blanc ; le chlorure ferrique en solution chlorhydrique laisse 8 intact, tandis qu'il noircit tq. La micrographie 161 (PI. XLI) représente l'alliage à 27,6 0/0 d'étain trempé à 450\La micrographie 160 donne la structure de l'alliage à 33,15 0/0 d'étain, trempé à 590°.

5° Constituant r\. — L'ammoniaque est sans action sur ce constituant. C'est le composé SnCu3 ; nous venons d'en indiquer les caractéristiques. En le chauffant pendant fort longtemps à température convenable, on développe considérablement les cristaux. Les micrographies 158 et 159 (PI. XL) donnent les images d'un bronze à 57,5 d'étain trempé à 600° et du même alliage chauffé à 445° pendant soixante-dix heures.

6° Constituant H (Phot. 162, PI. XLI). — II diffère peu, nous l'avons dit, du composé SnCu ; il se forme très difficilement et seulement dans un refroidissement extrêmement lent. Quand on refroidit un alliage qui, par sa composition, devrait donner, le composé SnCu, c'est-à-dire le constituant H, on obtient le constituant y;, c'est-à-dire le composé SnCu3. Ce constituant résiste à l'action de l'acide chlorhydrique même très concentré et au mélange de cet acide au chlorure ferrique. Il résiste aussi à l'oxydation lente de l'air beaucoup mieux que tj.

Transformations de ces différents constituants. — 1° Transformation du constituant cl. — Pour les alliages contenant moins de 7 0/0 d'étain, le constituant ne subit pas de transformation. Il est stable à la température ordinaire. Toutefois, la structure subit quelque variation avec la vitesse de refroidis-

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sèment. Au commencement de la solidification, les cristaux sont plus riches en cuivre, et le liquide moins riche en ce métal que la masse. Mais, au fur et à mesure que la solidification avance, les cristaux qui prenne ut naissance dans un liquide de plus en plus riche en étain s'enrichissent sur les bords en ce métal. Cette structure apparaît dans la photographie 163 (PL XLI), donnée par un alliage à 7,2 0/0 d'étain trempé à 800°. Si on laisse refroidir l'alliage lentement, il y a diffusion de F étain et les cristaux deviennent homogènes.

Quand la teneur en étain dépasse la proportion de 7 0/0, le constituant a se transforme pendant le refroidissement et donne naissance au constituant (3. Si Ton considère l'alliage à 15,6 0/0 d'étain et si on le trempe à 880°, c'est-à-dire au-dessus du point de fin de solidification, on obtient des cristaux de a entourés d'une matière à grains extrêmement fins provenant d'une solidification brusque de la partie encore liquide à la température de 880° (Phot. 164, PL XLI).

Si Ton trempe le même alliage à une température de 770° et, par conséquent, après la fin de solidification, on reconnaît que le constituant a n'a pas augmenté et on trouve des cristaux 0 qui commencent à prendre naissance.

A une température basse, il y a dissolution du corps «dans le corps g, et celui-ci va en diminuant.

Pour des alliages renfermant plus de 26 0/0d'étain, le constituant a ne se forme pas.

Transformations du constituant (3. — Si on laisse refroidir l'alliage à 15,6 0/0 d'étain formé par le mélange a ■+■ p à 770°, on voit que le constituant $ se transforme en se dédoublant en a et 3. On obtient alors un alliage formé du composé a, qui apparaît en noir, et d'un complexe formé de a + 3 : ce complexe étant plus difficile à attaquer que le constituant a, il apparaît en blanc.

La photographie 166 (PL XLII) donne le détail du phénomène. On y voit le constituant g qui apparaît en noir uniforme, bordé en blanc par le corps 3 ; le reste est constitué par le corps a.

Les photographies 165 et 167 (1M. XLII) donnent le même alliage

trempé à 470° au lieu de 540°; la transformation est plus accentuée. On trouve d'abord le complexe a + 8 bordé du constituants et au dehors le constituant a. Ici on ne rencontre plus du tout le constituant (3.

La transformation du constituant g a lieu vers 500° environ. Dans des alliages riches en étain, en renfermant 23 0/0 par exemple, on a, au début, des cristaux de a; ceux-ci disparaissent dans le refroidissement en donnant le constituant g, souvent caractérisé par des stries très nombreuses (Phot. 169, PI. XLIII). A une plus basse température, le constituant £ donne naissance au constituant a (Phot. 170, PL XLIII), qui apparaît en blanc sur un fond noir de g non transformé, et enfin on obtient le constituant a qui apparaît en noir, et le complexe a + g en blanc (Phot. 171, PL XLIII).

Lorsque la teneur en étain est plus grande que celle de l'alliage étudié, il se produit directement le constituant g sans passer par le constituant a. La photographie 172 (PL XLIII) donne un alliage à 27,6 0/0 d'étain trempé à 730°.

Un tel alliage donne, en se transformant, des cristaux de S, sur un fond de a + S. On obtient ainsi souvent des éléments extrêmement fins a + S. La photographie 173 (PL XLIV) donne un alliage à 29 0/0 d'étain trempé à 500°.

Transformations du constituant y. — Le constituant y se trouve en solution solide et homogène dans tous les alliages qui renferment plus de 33 0/0 d'étain. Quand on trempe avant la solidification complète, on obtient la microstructure de la photographie 174 (PL XLIV).

Lorsqu'on trempe immédiatement après la solidification complète, on obtient le constituant 7.

Pendant le refroidissement, le corps 7 se transforme en donnant le constituant rr La photographie 175 (PL XLIV) montre des bandes du constituant rt.

Enfin, pour des teneurs encore plus fortes en étain, le constituant rt prend naissance directement aux dépens du liquide et peut donner le composé H, si le refroidissement est extrêmement lent; il faut maintenir un certain nombre de jours k

ALLIAGES DE CUIVRE ET d'ÉTAIN. — BRONZES ORDINAIRES 465

basse température. On a généralement des cristaux de rk bordés de H (Phot. 176, PI. XLIV).

Nous signalerons qu'une attaque au picrate de soude colore nettement en noir le composé Cu4Sn, ce qui permet de le différencier des autres constituants (Phot. 177, PI. XLV).

Ce réactif a été employé pour la première fois, dans ce but, au laboratoire des usines de Dion-Bouton, par un de nos collaborateurs, M. Le Grix.

Dilatation. — Crace Calvert a déterminé la dilatation des alliages cuivre-étain. Les résultats sont donnés dans^ le diagramme (fig. 145). On note un maximum qui correspond exactement aux proportions Cu3Sn. Ceci démontre bien l'existence

Sn Gvr

lOO

Fig. 14o. — Dilatation des alliages étain-cuivre.

de cette combinaison; en effet de simples mélanges d'étain et de cuivre donneraient une courbe continue; l'anomalie trouvée ne peut s'expliquer que par l'existence d'un corps nouveau.

Résistance électrique. — La détermination de la résistance électrique a confirmé également l'existence du composé Cu3Sn. En effet la conductibilité est donnée par la courbe [fig. 146), qui possède un maximum correspondant à la dilatation.

Force électromotrice de dissolution. — Laurie a été le premier qui ait déterminé les forces électromotrices des

IOO

Cu

Sn

Fio. 146. — Résistance électrique des alliages cuivre-étain.

alliages cuivre-étain ; il a pu ainsi établir d'une façon certaine l'existence de la combinaison Cu3Sn.

n Cu*

IOO

Fio. 147. — Force électromotrice des alliages cuivre-étain.

Ces expériences ont été reprises depuis par Herschkowitsch, qui, comme nous l'avons montré dans le premier volume1, a obtenu des résultats semblables (fig. 147).

1. Guillet, les Alliages métalliques. Étude théorique des alliages métalliques^ p. 198.

ALLIAGES DE CUIVRE ET d'éTAIX. — BRONZES ORDINAIRES 467

Densité. — No.us avons déjà examiné les nombreuses causes qui peuvent influencer la densité d'un métal1. Les expériences qui ont été faites, par M. Riche, sur la limaille des alliages cuivre-étain, montrent, malgré les écarts donnés par d'autres expériences sur le même produit, qu'il existe bien une combinaison Cu3Sn. En effet, sur la courbe de la figure 148, on voit bien que la densité des alliages compris entre le cuivre pur et la combinaison Cu3Sn reste à peu près constante. Elle va ensuite en décroissant lorsque Tétain augmente. Pour expliquer ces résultats, il est nécessaire d'admettre l'existence de la combinaison Cu3Sn ayant la même densité que le cuivre.

Cu •/. en noid 5

Fir.. 148. — Densités des alliages cuivre-^ tain.

Propriétés mécaniques. — L une des propriétés mécaniques, qui a été le plus étudiée, pour les alliages cuivre-étain est assurément la dureté. Les principales expériences sont dues à Crace Calvert, qui opéra de la façon suivante : il mesurait l'effort nécessaire pour qu'un poinçon, de forme et de qualité parfaitement déterminées, s'enfonçât d'une quantité donnée dans l'alliage à essayer. On a, d'une part, déterminé par expérience la dureté de l'alliage en prenant comme terme de comparaison la fonte grise pour laquelle l'effort est supposé égal à 1.000 et, d'autre part, calculé l'effort nécessaire d'après la loi des mélanges, c'est-à-dire en supposant l'alliage formé de cuivre et d'étain et ne contenant pas de combinaison.

1. Guillet, les Alliages métalliques. Etude théorique, p. 196.

Voici les résultats obtenus :

COMPOSITION DE L'ALLIàGI