M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux

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1- La structure des métaux

2- Diagrammes d'équilibre: Microstructure

3- Diagrammes d'équilibre: Alliages fer-carbone

4- Transformations isothermes et anisothermes

5-Traitements thermiques, thermo-mécaniques et chimiques des alliages

6- Diffusion et durcissement structurale des alliages

7- Corrosion: Mécanismes et préventions

8- Rupture: Notions et généralités

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Alliages fer-carbone

Diagrammes d’équilibre

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Lamine HATTALI

IUT Cachan – 1ère année Sciences des Matériaux

lamine.hattali@u-psud.fr

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Le fer pur existe sous 2 formes allotropiques:

Le fer α: de structure CC pour -273°C<T < 912°C

Le fer γ: de structure CFC pour 912°C<T<1394°C

Le fer δ: de structure CC pour 1394°C<T<1538°C

Etudes des alliages fer-carbone

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Les diagrammes de constitution à l’équilibre du système Fe-C

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Diagrammes Fe-C

Diagramme métastable

Diagramme stable

Etude des aciers

Ce qu’il faut retenir

Si la phase riche en carboneformée est Fe3C, l’évolutiondu système est décrite dansles conditions d’équilibre parle diagramme métastable ouà cémentite

Si la phase riche en carboneformée est Cgr , l’évolutiondu système est décrite dansles conditions d’équilibre parle diagramme stable ou àgraphite

Les diagrammes de constitution à l’équilibre du système Fe-C

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Diagramme d’équilibre métastable ou à cémentite

Ferrite α: solution solide d’insertion de carbone dans le fer α Austenite γ: solution solide d’insertion de carbone dans le fer γ Ferrite δ: solution solide d’insertion de carbone dans le fer δ Composé défini : Fe3C %C = 6, 70%

Diagrammes Fe-C

Diagramme métastable

Diagramme stable

Etude des aciers

Ce qu’il faut retenir

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Diagramme d’équilibre métastable ou à cémentite

Transformation allotropique : %C = 0

Point eutectique : T = 1147°C, %C = 4,30%

L(4,3%C) ↔ Fe3C + γ (2,11%C)

Diagrammes Fe-C

Diagramme métastable

Diagramme stable

Etude des aciers

Ce qu’il faut retenir

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Diagramme d’équilibre métastable ou à cémentite

Point eutectoïde : T = 727°C,%C = 0,76%γ(0,76%C) ↔ Fe3C + α (0,022%C)

Point péritectique : T = 1494°CL(0,51%C)+δ(0,1%C) ↔ γ(0,16%C)

Diagrammes Fe-C

Diagramme métastable

Diagramme stable

Etude des aciers

Ce qu’il faut retenir

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Diagramme d’équilibre métastable ou à cémentite

Fer : %C < 0, 008%, phase α Aciers : %C < 2, 14%, phase α et Fe3C

En pratique : %C < 1% Fontes : 2, 14% < %C < 6, 70%, phase α et Fe3C

En général : 2, 14% < %C < 4,5%

Diagrammes Fe-C

Diagramme métastable

Diagramme stable

Etude des aciers

Ce qu’il faut retenir

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Diagramme d’équilibre stable ou à graphite

Fe3C → 3Fe + C en plusieurs années à 700°C Avec présence de Si, cette réaction est beaucoup plus rapide C sous forme de graphite Diagramme Fe-Graphite : utilisé pour l’étude des fontes Les températures et pourcentages de C sont différentes de celle

du diagramme métastable.

Diagrammes Fe-C

Diagramme métastable

Diagramme stable

Etude des aciers

Ce qu’il faut retenir

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Étude des aciers

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Acier eutectoïde

La perlite est un constituant diphasé,Les fractions massiques des deux phasesSont telles que:

=

, ,

, ,= 0,11

=

,

, ,= 0,89

L’agrégat est en général lamellaire. Il estformé de lamelles alternées de Fe3C etde α. Un paramètre important est la distanceInterlamelaire Δ.

Par un traitement thermique approprié ilest possible d’obtenir une perlite globulairesoit directement, soit à partir d’une perlitelamellaire: elle est alors formée de sphéroïdesFe3C dans une matrice ferritique (Voir TP)

Diagrammes Fe-C

Diagramme métastable

Diagramme stable

Etude des aciers

Acier eutectoïde

Aciers hypo-eutectoïdes

Aciers hyper-eutectoïdes

Microstructure

Eléments d’addition

Norme

Ce qu’il faut retenir

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Aciers hypo-eutectoïdes

Pour un acier à 0,4%C. Les fractionsmassiques des deux phases sont telles que:

=

, ,

, ,= 0,5

=

, ,

, ,= 0,5

L’acier est donc formé en quantitéségales de cristaux de ferriteproeutectoïde et d’agrégats perlitiques.

Diagrammes Fe-C

Diagramme métastable

Diagramme stable

Etude des aciers

Acier eutectoïde

Aciers hypo-eutectoïdes

Aciers hyper-eutectoïdes

Microstructure

Eléments d’addition

Norme

Ce qu’il faut retenir

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Aciers hyper-eutectoïdes

Pour un acier à 1,2%C. Les fractionsmassiques des deux phases sont telles que:

.

=

, ,

, ,= 0,07

=

, ,

, ,= 0,93

Diagrammes Fe-C

Diagramme métastable

Diagramme stable

Etude des aciers

Acier eutectoïde

Aciers hypo-eutectoïdes

Aciers hyper-eutectoïdes

Microstructure

Eléments d’addition

Norme

Ce qu’il faut retenir

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Relation microstructure / propriétés mécaniques

Pour les aciers ferrito-perlitiques (hypoeutectoïdes) : (aciers de construction courants). Les propriétés mécaniques de ce type d’acier dépendent :

des fractions massiques des constituants,

des paramètres microstructuraux : Δ: espacement interlamellaire de la perlite d: grosseur moyenne du grain ferritique

Tdf : température de transition ductile/fragile.Re : limite d’élasticité

Re Tdf

Si d

Si Δ

Diagrammes Fe-C

Diagramme métastable

Diagramme stable

Etude des aciers

Acier eutectoïde

Aciers hypo-eutectoïdes

Aciers hyper-eutectoïdes

Microstructure

Eléments d’addition

Norme

Ce qu’il faut retenir

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Influence des éléments d’addition

Evolution de la température eutectoïde

Evolution du pourcentage de C de l’eutectoïde

Le diagramme binaire ne suffit plus !

De plus, si le refroidissement est plus rapide, le diagrammed’ équilibre ne décrit pas les phases formées.

Voir nos prochains cours diagrammes TTT et TRC.

Diagrammes Fe-C

Diagramme métastable

Diagramme stable

Etude des aciers

Acier eutectoïde

Aciers hypo-eutectoïdes

Aciers hyper-eutectoïdes

Microstructure

Eléments d’addition

Norme

Ce qu’il faut retenir

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Norme NF-EN10027-1

Groupe 1 : aciers désignés à partir de leur emploi et de leurscaractéristiques mécaniques et physiques

Aciers de construction y compris les aciers à grains finsS 235 : symbole S, Re =235 MPa minimum

Aciers de construction mécaniqueE 335 : symbole E, Re =335 MPa minimum

Désignation précédée de la lettre G lorsque l’acier est spécifique sous forme d’une pièce moulée (exemple : GE 335).

Désignation normalisée des aciers

Diagrammes Fe-C

Diagramme métastable

Diagramme stable

Etude des aciers

Acier eutectoïde

Aciers hypo-eutectoïdes

Aciers hyper-eutectoïdes

Microstructure

Eléments d’addition

Norme

Ce qu’il faut retenir

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Groupe 2 : Aciers désignés à partir de leur composition chimique

Sous-groupe 2-1 : Aciers non-alliés. Sauf aciers de décolletage.La teneur en manganèse est inférieure à 1%,

Exemple : C 35 : symbole du carbone C suivi du centuple dupourcentage de carbone (0,35 % de carbone).

Désignation précédée de la lettre G lorsque l’acier est spécifié sousforme d’une pièce moulée (exemple : GC 35).

Désignation normalisée des aciers

Diagrammes Fe-C

Diagramme métastable

Diagramme stable

Etude des aciers

Acier eutectoïde

Aciers hypo-eutectoïdes

Aciers hyper-eutectoïdes

Microstructure

Eléments d’addition

Norme

Ce qu’il faut retenir

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Sous-groupe 2-2 : Aciers faiblement alliés, Aciers non alliés avec une teneur en manganèse > 1%, Aciers non alliés de décolletage.

Exemple : 20 Mn Cr 5 : 0,2 % de C, 1,25% de manganèse (5/4), traces de chrome.

Les symboles chimiques indiquent les éléments d’alliage dans l’ordredécroissant des teneurs de ces éléments. Les nombres représentent la valeur moyenne multipliée par un facteur:

Cr,Co,Mn,Si,W : x4Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr : x10Ce, N, P, S : x100B : x1000

Désignation normalisée des aciers

Diagrammes Fe-C

Diagramme métastable

Diagramme stable

Etude des aciers

Acier eutectoïde

Aciers hypo-eutectoïdes

Aciers hyper-eutectoïdes

Microstructure

Eléments d’addition

Norme

Ce qu’il faut retenir

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Sous-groupe 2-3 : aciers alliés dont la teneur d’au moins un des éléments d’alliage

5%. Symbole X

Exemple : X 6 Cr Ni 18-9 : 0,06 % de C, 18% de chrome, 9% de nickel.

Les symboles chimiques indiquent les éléments d’alliage dans l’ordredécroissant des teneurs de ces éléments.

Les nombres représentent la valeur moyenne en pourcentage dechaque élément.

Désignation normalisée des aciers

Diagrammes Fe-C

Diagramme métastable

Diagramme stable

Etude des aciers

Acier eutectoïde

Aciers hypo-eutectoïdes

Aciers hyper-eutectoïdes

Microstructure

Eléments d’addition

Norme

Ce qu’il faut retenir

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Plages de pourcentage de carbone pour le fer, les acier et les fontes.

Microstructures des aciers hypo-eutectoïdes et aciershyper-eutectoïdes.

Désignation normalisée des aciers.

Après avoir étudié ce cours, vous pourrezDiagrammes Fe-C

Diagramme métastable

Diagramme stable

Etude des aciers

Ce qu’il faut retenir