En métallurgie, la ségrégation est l’enrichissement en certains atomes, ions ou molécules d'un alliage dans une région spécifique du matériau dont la taille peut aller de quelques nanomètres à plusieurs micromètres ; c'est donc la séparation partielle de diverses parties homogènes d’un alliage et la formation d’hétérogénéité dans sa composition chimique qui se produit lors de son refroidissement par solidification ou lors d'un traitement thermiqueCours de métallurgie de l'école des mines d'Albi.
Bien que les termes ségrégation et adsorption sont essentiellement synonymes, en pratique, la ségrégation est souvent utilisée pour décrire le rassemblement d'atomes autour des défauts d'un matériau, alors que l'adsorption est généralement utilisée pour décrire la fixation des atomes, ions ou molécules sur une surface solide depuis une phase gazeuse ou liquide. Dans les solides polycristallins, la ségrégation se produit aux défauts cristallographiques tels que : les dislocations, les joints de grains, les failles d'empilement ou l'interface entre deux phases.
La ségrégation a plusieurs conséquences pratiques, allant de la formation de bulles de savon à l'ingénierie microstructurale en science des matériaux, à la stabilisation des suspensions colloïdales.
Histoire À l'équilibre, la ségrégation est le désordre du réseau aux interfaces, où il existe des sites d'énergie différents de ceux à l'intérieur du réseau auxquels les atomes du soluté peuvent se déposer. Selon les statistiques de la thermodynamiques et pour minimiser l’énergie libre du système, les atomes du soluté se séparent à l'interface ou à la surface. Ce genre de partition des atomes entre le joint de grains et le réseau a été prédit par McLean en 1957.
La ségrégation hors équilibre, théorisée par Westbrook en 1964, est le résultat du couplage de solutés avec des lacunes qui se déplacent vers les puits de joint de grains durant la trempe ou l'application de contraintes. Elle peut également se produire à la suite d'un empilement de soluté à une interface mobile. Il y a deux caractéristiques principales de la ségrégation hors équilibre, par lesquelles il est plus facile de distinguer la ségrégation à l'équilibre. Dans le non-équilibre, l'amplitude de la ségrégation augmente avec l'augmentation de la température et l'alliage peut être homogénéisé sans extinction car son état d'énergie le plus bas correspond à une distribution uniforme de soluté. En revanche, l'état ségrégé à l'équilibre, par définition, est l'état d'énergie le plus bas dans un système, et le degré de la ségrégation diminue avec l'augmentation de la température.
Problématique La ségrégation est souvent à l’origine de certains défauts tels que la crique à chaud et les microretassures. Elle peut être aussi associée à des phénomènes de précipitations tel que les carbures, les eutectiques, et les sulfures. Elle engendre aussi dans certains cas une augmentation de l’intervalle de solidification par la présence de poches encore liquide au-dessous de la température du solidus, ce qui peut favoriser des ruptures au niveau de ces zones en fin de solidification. Elle engendre aussi une baisse des propriétés mécaniques : résilience, résistance à la rupture, limite élastique. Ceci est prévisible du fait de la forte corrélation entre les propriétés mécaniques et l’homogénéité de la structure.
La ségrégation aux joints de grains, par exemple, peut entraîner une rupture des joints comme le résultat d'une fragilité de la trempe (métallurgie), fragilisation de fluage, fissuration en relaxation, fragilisation par l'hydrogène, fatigue assistée par l'environnement, corrosion de joint de grains, et certains types de fissurations par corrosion intergranulaire. La ségrégation aux joints de grains peut également affecter leurs taux de migration respectifs, et affecte donc la frittabilité, ainsi que la diffusivité des joints de grains (bien que parfois ces effets puissent être utilisés avantageusement). Un domaine d'étude très intéressant et important des processus de ségrégation des impuretés est celui de l'AES des joints de grains des matériaux. Cette technique comprend la fracturation en traction d'échantillons spéciaux directement à l'intérieur de la chambre UHV du spectromètre électronique Auger qui a été développé par Ilyin.
La ségrégation aux surfaces libres a également des conséquences importantes impliquant la pureté des échantillons métallurgiques. En raison de la ségrégation favorable de certaines impuretés à la surface du matériau, une très faible concentration d'impureté dans la masse de l'échantillon peut conduire à une couverture très importante de l'impureté sur une surface clivée de l'échantillon. Dans les applications où une surface ultrapure est nécessaire (par exemple, dans certaines applications de nanotechnologie), la séparation des impuretés aux surfaces nécessite une pureté du matériau en vrac beaucoup plus grande ce qui serait nécessaire si les effets de ségrégation n'existaient pas.
Bien que les problèmes de rupture intergranulaire mentionnés ci-dessus soient parfois graves, ils sont rarement la cause de majeures défaillances de service (dans les aciers de construction, par exemple), car des marges de sécurité appropriées sont incluses dans les conceptions. Peut-être la plus grande inquiétude est qu'avec le développement de nouvelles technologies et des matériaux avec des propriétés mécaniques nouvelles et plus étendues, et avec la croissance des impuretés dans les compositions due au recyclage des matériaux, nous pouvons voir la rupture intergranulaire dans des matériaux et des situations non vues encore. Ainsi, une meilleure compréhension de tous les mécanismes de la ségrégation pourrait mener à la maîtrise de ces effets à l'avenir. Des potentiels de modélisation, des travaux expérimentaux et de nombreuses théories sont encore en cours d'élaboration pour expliquer ces mécanismes de ségrégation pour des systèmes de plus en plus complexes.
Les phénomènes de ségrégation Les produits moulés, surtout s'ils sont bruts de fonderie, présentent des hétérogénéités chimiques appelées ségrégations. On distingue à l'échelle dendrite ou microscopique la microségrégation dite aussi ségrégation mineure (dendritique ou intergranulaire), à l'échelle macroscopique la macroségrégation dite aussi ségrégation majeure et entre les deux échelles la mésoségrégation. Ces ségrégations sont causées par la solidification. Par exemple, dans le cas des aciers, alliage fer-carbone, lors de la solidification, le premier élément à cristalliser est l'élément majoritaire qui est le fer et l'élément minoritaire ici le carbone tend à rester piégé dans les régions liquides qui se solidifient en dernier, si bien que l'alliage présente, aux échelles micro et macroscopique, des régions ségrégées en carbone.
Microségrégation ou ségrégation mineure Cette ségrégation se produit à l'échelle de la microstructure qui se forme, elle est souvent constituée de dendrites ayant des espacements de bras de l'ordre de 10-. Elle est donc appelée une microségrégation ou ségrégation mineure, et conduit à une distribution non uniforme du soluté au centre des bras dendritiques.
La microségrégation est causée par la redistribution du soluté durant la solidification, comme le soluté est rejeté dans le liquide. Sa cause fondamentale est la différence entre la solubilité à l'équilibre thermodynamique des éléments d'alliage dans les différentes phases qui coexistent dans la région détrempée pendant la solidification. Ceci est associé avec l'incapacité de la diffusion à l'état solide de retourner complètement la composition à son état constant d'équilibre une fois la solidification est finie, dû aux durées de temps limitées et aux faibles coefficients de diffusion impliqués.
Mésoségrégation Tous les lingots ou les produits de coulée continue, peuvent présenter des ségrégations à une échelle intermédiaire entre celle des dendrites ou celle du produit pourvu qu'ils soient d'une taille suffisamment importante (100 mm ou plus). Ce sont les ségrégations localisées ou mésoségrégations. Les zones ségrégées sont caractérisées par une forme allongée dont la dimension étroite est de l'ordre de 10 mm, dans laquelle la composition locale a subi une variation brutale.
Il y a trois catégories de mésoségrégations : Ségrégation en A : dite veines sombres à cause de son aspect sur la section verticale, de sa disposition en couronnes tronconiques à partir de la tête du lingot à la limite de la zone colonnaire. Ségrégation en V : localisée dans la zone équiaxe au centre du lingot. Ségrégation en canaux : se manifeste par de simples taches rondes lorsque la coupe l'est perpendiculaire.
Macroségrégation ou ségrégation majeure La macroségrégation est la variation dans la composition qui se produit dans des moulages ou des lingots d'alliage sur une échelle de plusieurs millimètres en centimètres ou même en mètres. Ces variations de composition ont un impact négatif sur le comportement et les propriétés des produits moulés et peuvent conduire à leur rejet. La macroségrégation est présente dans pratiquement tous les processus de coulée, y compris la coulée continue, le lingot et la coulée de forme des alliages d'aluminium et d'aciers, la coulée du fer, la coulée de superalliages monocristallins, la coulée semi-solide et même la croissance de cristaux semi-conducteurs. En raison de la faible diffusivité des solutés à l'état solide et les grandes distances présentes, la macroségrégation ne peut être atténuée par le traitement de la coulée une fois la solidification terminée.
La cause de la macroségrégation est le mouvement ou l'écoulement relatif du liquide et du solide ségrégé pendant la solidification. La plupart des éléments d'alliage ont une plus faible solubilité dans la phase solide que dans la phase liquide.
Considérons maintenant un petit élément de volume qui contient plusieurs bras de dendrites et le liquide entre eux, c'est-à-dire un élément à l'intérieur de la zone liquide-solide (détrempée). L'écoulement d'un liquide riche en soluté ou le mouvement d'un solide pauvre en soluté dans ou en dehors de l'élément volumique va modifier la composition moyenne de l'élément volumique en l'écartant de la composition nominale. Puisque le soluté peut être avancé sur de grandes distances, la macroségrégation aura lieu. La ségrégation positive (resp. négative) fait référence aux compositions de la composition nominale de l'alliage, et toutes les moyennes de la macroségrégation sont nulles sur l'ensemble de la coulée. Ce phénomène est lié donc à l'existence d'un gradient thermique dans le lingot et au fait que la solidification n'est pas simultanée en tout point. Les zones solidifiées en dernier ont tendance à s'enrichir en éléments qui augmentent la fusibilité.
Les efforts faits pour limiter la macroségrégation sont tous destinés à contrôler l'écoulement du fluide et les mouvements du solide. Des exemples comprennent des modifications de la composition de l'alliage ou des gradients thermiques pour établir une stratification de densité stable dans le liquide; l'application de matériaux poreux ou de champs électromagnétiques pour redistribuer le flux; déformation contrôlée telle que la réduction douce pendant la coulée continue de l'acier pour serrer le liquide hautement enrichi loin de l'axe des dalles; et des modifications de la structure des grains pour modifier la résistance à l'écoulement à travers le réseau solide ou la prévalence des grains équiaxes.
Les modèles de macroségrégation visent généralement à comprendre les mécanismes de base impliqués, à prédire quantitativement leur occurrence et leur gravité, et à effectuer des études paramétriques pour le processus de coulée.