1.fe - fe3c

PLAN DE LA LEÇON N°4

Cours : Science des matériaux Titre de la leçon : DIAGRAMMES D'EQUILIBRE FER-CARBONE Profit: Maintenance Industrielle Programme : 1ére semestre

OBJECTIF GENERAL : Comprendre et savoir utiliser le diagramme FER-CARBONE.

OBJECTIFS SPECIFIQUES : A la fin de cette leçon l’étudiant devrait être capable de :

Définir les types de diagrammes fer -carbone;

Déterminer les fractions massiques et les compositions de phases présentes dans le cas :

d’un acier. d’une fonte

Présenter une étude de refroidissement d'un alliage fer carbone .

PREALABLES SUPPOSES CONNUS :

L’étudiant est supposé connaître : Notions élémentaires de mathématiques. Notions élémentaires de chimie. Diagrammes de phases binaires

MATERIEL DIDACTIQUE UTILISE : Tableau . Transparents + rétroprejecteur + védeoprojecteur (logiciel « Materiaux »). Polycopie .

CRITERES D'EVALUATION : L'étudiant sera jugé en lui demandant de(d’) :

Répondre convenablement aux applications que contient ce chapitre.

ISET de KAIROUAN - 59 - Hechmi CHERMITI

CONTENU DE LA LEÇON

I. Introduction

II. Propriétés du fer pur III. Alliages ferreux

IV. Diagrammes fer - carbone

IV.1diagramme métastable Fe – Fe3C

IV.2 Hystérésis des transformations

IV.3 Austénitisation

IV.4 Les aciers

Acier eutectoïde

Acier hypœutectoïde

Acier hypereutectoïde

IV.5 Les fontes

V. Evaluation



Diagramme d’équilibre fer – carbone

I. INTRODUCTION : Depuis la fin du 19iéme siècle (naissance et promotion de l’industrie lourde), les

matériaux métalliques les plus utilisés en construction mécanique sont les aciers. Ce sont les matériaux de base des pays industrialisés. Ceci est dû à plusieurs facteurs; d'abord l'abondance du fer (élément principal constituant l'acier) sur notre planète, ensuite la diversité des propriétés qu'ils peuvent avoir suivant les éléments d'alliage qu'on y ajoute ou les traitements qu'ils subissent. Cette diversité élargit considérablement l'éventail des utilisations des aciers. C'est pour cette raison qu'en métallurgie, on commence toujours par l'étude des aciers qui sont définis comme étant des alliages à base de fer contenant moins de 2% en carbone. Leur étude commence donc par la connaissance du diagramme d'équilibre qui leur est associé: le diagramme Fer - Carbone.

II. PROPRIÉTÉS DU FER PUR 1- Le fer pur existe sous 2 formes allotropiques:

- Ferrite : fer α θ <910°c, réseau C.C (0,02%C max à 723°c)

- Austénite : fer γ 910°c< θ <1394°c, réseau C.F.C (2,1%C max à 1147°c)

- Ferrite : fer δ 1394°c< θ <1535°c, réseau C.C (0,01%C max à 1495°c)

2- La température de fusion du fer est : θ f =1538°C

3- Le point Curie: θ = 768°C; à cette température, le fer perd ses propriétés magnétiques. Il

passe de l'état ferromagnétique à l'état paramagnétique vers les hautes températures.

4- Densité du fer (20°C): d = 7,87 (celle de T i=4,53 et de Al=2,69)

5- Propriétés mécaniques du fer pur:

- Rm(charge à la rupture) : 18 à 30 daN/mm2 - Re(limite d'élasticité) : 10 à 17 daN/mm2 - HB (dureté Brinell) : 45 - 55 - A % (allongement) : 40 - 50

III. ALLIAGES FERREUX : La mise en solution d'éléments dans le fer, modifie la position des points de température A3

(910°C) et A4 (1394°C). Voir schéma ci dessous. On appelle alphagène (α gène), tout éléments chimiques pouvant stabiliser la phase α ou δ (CC)

; Exemple : Si, Cr, Mo,.... On appelle gammagène (γ gène), tout éléments chimiques pouvant stabiliser la phase γ (CFC) ;

Exemple : Ni, Mn, C,

Eléments α gènes Eléments γ gènes.

IV. LE DIAGRAMME FER – CARBONE : Le diagramme Fe-C est une carte qui peut être utilisée pour suivre les séquences de

solidification des alliages Fe-C et pour savoir ce qui se passe au cours de certains types de traitements thermiques.

Ce diagramme peut être considéré comme un guide, cependant la plupart des aciers contiennent, en plus du carbone, d'autres éléments d'alliage qui modifient la position de certaines courbes. Par ailleurs, le diagramme Fe-C ne peut être utilisé que dans les conditions d'équilibre (refroidissement à vitesse très faible). Or plusieurs traitements thermiques se font dans des conditions hors d'équilibre.

Pour les alliages Fe-C, on distingue 2 types de diagramme: le diagramme métastable Fe- Fe3C et le diagramme stable Fe-C graphite. Le graphite est une forme du carbone plus stable que Fe3C. Fe3C peut se décomposer en graphite. Cependant ce phénomène n'a jamais lieu dans les aciers. Il a, par contre, lieu dans les fontes. C'est pour cette raison que pour les aciers, c'est le diagramme Fe-Fe3C qui est exclusivement utilisé, alors que la technologie des fontes est beaucoup plus basée sur le diagramme Fe –C graphite. Cémentite : Fe3C (6,68%C)


1. Diagramme métastable Fe-Fe3C :

Le diagramme comprend 3 paliers caractéristiques qui correspondent à 3

types de transformation: • Transformation péritectique :

(0,17%C, 1495°c) : )C%17,0()C%53,0()C%09,0( γ⇒liquide+α• Transformation eutectique :

(4,3%C, 1147°c) : )C%68,6(3)C%1,2()C%3,4( CFe+γ⇒liquide

• Transformation eutectoïde :

(0,8%C, 723°c) : )C%68,6(3)C%02,0()C%8,0( CFe+α⇒γ

On distingue aussi 5 phases différentes (5 domaines monophasés): - La phase liquide vers les hautes températures.


- La phase solide δ qui est une solution solide d’insertion du carbone dans le ferδ, cette phase est appelée ferriteδ. La solubil i té maximale du carbone dans cette phase est de 0,1% et correspond à la température θ=1495°C. Comme le fer, la ferrite δ est cubique centrée (C.C.). - La phase solide γ qui est une solution solide du carbone dans le ferγ, el le est dite austéniteγ . La solubil i té maximale du carbone dans cette phase est de 2,11% à θ=1148°C. Comme le ferγ , l 'austénite est C.F.C. - La phase solide α qui est une solution solide d’insertion du carbone dans le fer α, el le est dite ferrite α . La solubil i té maximale du carbone dans cette phase est de 0,0218 à θ=727°C. Comme le fer α , la ferrite α est C.C. - Le composé défini Fe3C, dit cémentite dont la composit ion en carbone est de 6,68%. La structure cristallographique de Fe3C est orthorhombique.

2. Hystérésis des transformations, austénitisation. 2.1 Hystérésis des transformations Le diagramme Fer - cémentite ne peut être obtenu qu'on faisant appel à des conditions

opératoires soignés à savoir Echantillons de petites dimensions. Atmosphère neutre. Chauffage et refroidissement extrêmement lents.

Dans l'industrie, ces conditions ne sont jamais satisfaites du fait des tonnages importants traités et des hétérogénéités inévitables. De plus les vitesses de refroidissement et de chauffage, ne sont pas suffisamment lentes pour permettre, à chaque instant, d'obtenir un état d'équilibre ; De ce fait on note un retard de transformation qu'on l'appelle hystérésis.

Au chauffage. Au refroidissement.

La réaction (perlite γ ) ne se produit pas à A1 (723°C), mais à une température supérieure appelée Ac1

La fin de la transformation (α+γ γ) se produit à une température AC3 supérieure à A3.

La transformation (γ perlite) s'effectue en Ar1supérieure à A1.

La transformation (γ γ+α ) se situe à une température inférieure à A3 noté Ar3.


Hystérésis de transformation.

2.1 Austénitisation

L'austénitisation est l'opération qui consiste à mettre à l'état austénitique un acier, par

conséquent c'est un chauffage à une température dite d'austénitisation ; Cette opération est une condition nécessaire dans les traitements thermiques.

Comme l'indique la figure ci dessus et selon le pourcentage de carbone dans l'acier, on distingue les cas suivants


Nous allons nous intéresser à la partie du diagramme qui correspond aux Aciers: %C<1,4, Fontes 2<%C<5

3. Les aciers : Les aciers sont des all iages Fer-Carbone qui contiennent moins de 2% en

masse de carbone. Deux types de transformation entrent en jeu: la solidif ication (transformation l iquide -sol ide) et la transformation en phase solide.


a. Transformation Liquide- Solide : Elle concerne la partie supérieure du diagramme qui présente un palier

péritectique; 3 cas se présentent: Cas 1: Au cours de la transformation péritectique, c'est le l iquide qui

disparaît: γ ⇒δ + Liquide Cas 2: La f in de la transformation est marquée par la disparit ion des 2 phases

L etδ. γ ⇒δ + Liquide Cas 3: C'est δ qui disparaît à la f in de la transformation péritectique.

γ ⇒δ + Liquide

1 2 3

b. Transformation Solide- Solide : Ce sont des transformations très importantes à connaître étant donné que tous

les traitements (chauffage suivi d’un refroidissement contrôlé) effectués sur les pièces métall iques après élaboration se font à l 'état solide. La partie du diagramme Fe-Fe3C concernée est la partie inférieure qui présente un palier eutectoïde à 723°C

Nous distinguerons 3 types d'acier suivant le % en carbone. I ls seront repérés

par rapport au point eutectoïde E (0,8%C). Notons que (α + Fe3C) est un composé biphasé nommé perlite qui est un

agrégat hétérogène de deux phases (ferrite +cémentite) correspondant à la transformation eutectoïde, i l se présente sous forme de lamelles alternées de α et Fe3C.


La perl i te est dure (HV=270) de bonne résistance à la traction et ayant une bonne ducti l ité (A=10%).

Acier eutectoïde (0,8%C) :

(Règle de l’horizontale) 444 3444 21%)100=f(perlite

)C%68,6(3)C%02,0()C%8,0(

p

CFe+α⇒γ

Acier hypoeutectoïde (0,022 < X (%C) <0,8) :

Exemple : pour un acier hypoeutectoïde (0,2%C) et en utilisant la règle de l’horizontale:

444 3444 21321

25%)=(fp100%)=perlite(f

(6,68%C)3(0,02%C)

75%)=(fpprimaireα

(0,02%C)(0,2%C)

pα1

CFe+α+α⇒γ

Exemple : pour un acier hypoeutectoïde (0,6%C) et en utilisant la règle de l’horizontale:

444 3444 21321

75%)=(fp=100%)perlite(f

(6,68%C)3(0,02%C)

25%)=(fpprimaireα

(0,02%C)(0,6%C)

pα1

CFe+α+α⇒γ


Acier hypereutectoïde (0,8 < %C <1,4%C) : Exemple : pour un acier hypereutectoïde (1%C) et en utilisant la règle de l’horizontale:

444 3444 2143421

96,6%)=(fp100%)=Perlite(f

(6,68%C)3(0,02%C)

3,4%)=(fpprimaireCeF

(6,68%C)3(1%C)

pC3Fe

3

CFe+α+CeF⇒γ

Exemple : pour un acier hypereutectoïde (1,2%C) et en utilisant la règle de l’horizontale :

444 3444 2143421

93,2%)=(fp100%)=Perlite(f

(6,68%C)3(0,02%C)

6,8%)=(fpprimaireCeF

(6,68%C)3(1,2%C)

pC3Fe

3

CFe+α+CeF⇒γ

Acier hypoeutectoïde Acier hypereutectoïde

0,8 %C



Les aciers « hypo » sont constitués de ferrite et de perlite. Les aciers « hyper » sont constitués de perlite et de cémentite.

Application :

1. Déterminer les fractions massiques de cémentite et de ferrite dans la perlite. 2. Soit un acier à 0,38%C à 723°C-ε , déterminer les fractions massiques de ses

constituants ainsi que leurs compositions en carbone.

4. Les fontes Lédéburite : C'est l'alliage à 4.3%C correspondant à la transformation eutectique. Cet

alliage est formé de ferrite (éventuellement perlite) + cémentite jusqu'à la température 723°C, et de cémentite+austénite entre 723 et 1145°C. (Voir diagramme).

Selon que le % C dans l'alliage (fontes à cémentite « ou blanche ») est supérieur ou inférieur à 4.3%, on parle de fontes hyper ou hypœutectiques, dont la description au cours du refroidissement est semblable à ce que nous avons vu dans le chapitre précédent.

Evaluation

1. Qu'appelle t on transformation allotropique ?

2. Citer les variétés allotropiques du fer.

3. qu'appelle t on point de CURIE.

4. Qu'appelle t on éléments α gène et éléments γ gène ? Citer quelques éléments.

5. Qu'appelle t on ferrite α ? Austénite γ? Ferrite δ ?

6. Définir le domaine des aciers et des fontes.

7. Qu'appelle t on diagramme à cémentite ?

8. Qu'appelle t on diagramme à graphite ?

9. Pour l'étude des aciers, quel type de diagramme utilise t-on ?

10. Pour l'étude des fontes blanches, quel type de diagramme utilise t- on ? Même

question pour les fontes grises ?

11. Lequel des diagrammes est dit « métastable » ? Pourquoi cette appellation ?

12. Qu'appelle t on perlite ? Qu'appelle t on lédéburite ?

13. Qu'appelle t on hystérésis de transformation?

1.fe - fe3c

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