Diagramme Fer Carbone

DIAGRAMME FER-CARBONE / FER-CEMENTITE

INTRODUCTION……………………………………………………………………...2 I.

II.

III.

IV.

GENERALITES………………………………………………………………..3 1. Le fer et ses caractéristiques……………………………………………...4 2. Le carbone et ses caractéristiques...………………………………………5 3. La cémentite………………………………………………………………5 4. Alliage fer-carbone……………………………………………………….6 5. Les phases………………………………………………………………...6 DIAGRAMME D’EQUILIBRE……………………………………………….7 1. Définition…………………………………………………………………8 2. Différents types de diagrammes d’équilibre…………………………….. 8 3. Elaboration d’un diagramme binaire……………………………………..8 DIAGRAMME FER-CARBONE…………………………………………....10 1. Les différents types de diagrammes fer-carbone……………………......11 2. Conditions d’utilisation…………………………………………………12 A. DIAGRAMME FER-CEMENTITE……………………………………. 12 1. Présentation……………………………………………………………..12 2. Définition des constituants micrographiques…………………………...13 3. Les points et lignes caractéristiques du diagramme…………………….14 4. Les transformations……………………………………………………..16 5. Principe de lecture du diagramme………………………………………17 B. TRANSFORMATION DES ACIERS ET FONTES…………………... 18 1. Généralités………………………………………………………………18 2. Désignations normalisées……………………………………………….20 APPLICATION DES DIAGRAMMES D’EQUILIBRE…………………..23 1. En fonderie et en traitements thermiques……………………………….24 2. Dans le domaine de l’assemblage des métaux………………………….24

CONCLUSION………………………………………………………………………. 26 BIBLIOGRAPHIE……………………………………………………………………27 ANNEXE………………………………………………………………………………28

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Les matériaux utilisés par l’ingénieur ou le technicien supérieur sont rarement à l’état pur car difficilement utilisables dans l’industrie du fait de leurs propriétés mécaniques et chimiques inappropriées. L’addition d’un ou plusieurs éléments (métaux et métalloïde) à un élément pur peut profondément modifier ses propriétés. Les mélanges ainsi obtenus se nomment alliages métalliques. Ils comportent plusieurs phases distinctes. Celles-ci vont par ailleurs influencer les propriétés des matériaux par leur nature et leur répartition. Il existe une très grande variété d’alliage métallique. Parmi les plus répandus, on a les alliages du fer et du carbone. L’état thermodynamique d’équilibre des alliages fer-carbone s’étudie au travers du diagramme binaire Fe-C. Apprendre à lire, interpréter et utiliser les diagrammes d'équilibre binaires (ou diagrammes de phases) est donc d'une importance fondamentale en métallurgie. L’étude du cas particulier du diagramme Fer-Carbone permet d’avoir des compléments d’informations sur la formation des différentes phases du fer mais aussi sur la présence et le rôle que joue le corps d’addition c’est-à-dire le carbone dans l’alliage. C’est ainsi que l’étude du thème intitulé : «Diagramme Fer-Carbone/Fer-Cémentite» nous a été confié. Dans la suite du travail, nous ferons l’analyse de son mode d’élaboration et de ses particularités.

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1. Le fer et ses caractéristiques

Le fer est l’élément chimique le plus abondant et le plus utilisé de tous les métaux. Il constitue plus de 90 % des métaux raffinés dans le monde. Le fer est surtout utilisé après traitement chimique pour la fabrication du fer forgé, des aciers et d’autres alliages. Le tableau ci-après résume les informations sur le fer : CARTE D'IDENTITE DU FER fer Nom Fe Symbole Antiquité Date de la découverte 26 Numéro atomique 55,845 Masse atomique 1 538 °C Point de fusion 2 861 °C Point d'ébullition solide État physique à 20 °C du latin ferrum Origine du nom le plus utilisé de tous les métaux Particularité Il y a deux variétés allotropiques du fer (deux réseaux cristallins différents) :  Le fer  dont le réseau est cubique centré (CC)  Le fer γ dont le réseau est cubique à faces centrées (CFC). Le phénomène de la modification du réseau cristallin sous l'effet de la température porte le nom de transformation allotropique. Le fer  existe aux températures inférieures à 910°C et supérieures à 1400°C. Entre 770°C et 910°C, le fer  est désigné par Fe et au-dessus de 1400°C, il est désigné par Fe. Le fer  est magnétique jusqu'à la température de 770°C. Cette température est appelée point de curie, qui correspond à la transformation magnétique. Le Fer γ existe entre 910°C et 1400°C, il est paramagnétique c'est-à-dire qu’il ne possède pas d’aimantation en l’absence de champ magnétique extérieur autrement dit placé dans un champ magnétique, ces corps acquiert une faible aimantation. Type de fer

Structure cristalline

Fer 

Domaine d’existence (°C)

Cubique centré En dessous de 770

Fer 

De 770 à 910

Fer 

De 1400 à 1500

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Cubique à Face Centré Fer 

De 910 à 1400

2. Le carbone et ses caractéristiques

Le carbone est un élément chimique appartenant à la famille des metalloïdes. Il est essentiel à l’existence des organismes vivants et possède de nombreuses applications industrielles. CARTE D'IDENTITE DU CARBONE Carbone Nom C Symbole Antiquité Date de la découverte 6 Numéro atomique 12,011 Masse atomique 3 527 °C Point de fusion 4 027 °C Point d'ébullition Solide État physique à 20 °C du latin carbo, « charbon », substance riche en carbone Origine du nom essentiel à l'existence des organismes vivants Particularité 3. La cémentite

La cémentite ou carbone de fer (Fe3C) est une combinaison chimique de fer et de carbone dont la teneur en carbone peut atteindre 6,67 %. Elle est magnétique jusqu'à 210°C et très dure mais fragile. Sa température de fusion est d’environ 1216°C et celle de curie est d’environ 206.85°C. La microstructure de la cémentite peut se présenter dans les aciers sous les formes suivantes :  Lamellaire dans la perlite lamellaire  Grains dans les aciers ayant subit un traitement thermique de recuit  Précipités inter-granulaires dans les aciers ayant un pourcentage de carbone supérieur à 0,8 %. La cémentite est un composé métastable et chimiquement défini de structure orthorhombique.

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4. Alliage fer-carbone

En pratique, le fer pur s’emploie qu’à l’état d’alliage avec d’autres corps. Il subsiste toujours dans ces alliages un peu d’impuretés (soufre, phosphore) qu’il est impossible d’éliminer complètement à l’affinage du minerai de fer qui contient ces corps. Tous les alliages à base de fer ayant comme deuxième constituant le carbone portent le nom commun d’acier. Le carbone joue un rôle fondamental : il durcit le fer et rend possible le phénomène de la trempe. 5. Les phases

Les phases sont les parties homogènes d’un système. Elles sont caractérisées par :  La composition chimique, le type de réseau cristallin et les propriétés résultantes  La présence d'une surface de séparation avec les autres parties du système appelée ‘’interface‘’  Un changement brusque de composition et de propriétés lors du passage à travers cette interface. Parmi les phases, on distingue :  Les solutions solides  Les solutions liquides  Les combinaisons chimiques (type AnBn).

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1. Définition Dans les conditions d'équilibre prévues, le diagramme d'équilibre représente les domaines d'existence des différentes phases rencontrées dans un plan température-composition. Il permet, le plus souvent, de prévoir la morphologie, la composition ainsi que la proportion des phases en présence. Les diagrammes d'équilibre sont donc des documents de base pour le métallurgiste. Ils lui permettent de connaître les conditions à respecter pour obtenir certaines phases ou, au contraire, pour éviter leur formation, et ceci afin d'obtenir les propriétés désirées pour l'alliage considéré, alliage destiné à un emploi donné. 2. Différents types de diagramme d’équilibre L’addition à un métal pur, d’un ou de plusieurs éléments, métalliques ou non, peut profondément modifier ses propriétés. Les substances qui forment les alliages sont appelées : ‘’composants’’. Selon le nombre de composants, un alliage peut être :  Binaire (2 composants)  Ternaire (3 composants)  Quaternaire (4 composants)  etc. Ainsi, un diagramme porte le nom de l’alliage qu’il représente. C’est le cas du diagramme binaire fer-carbone. Dans la suite du travail, les diagrammes d’équilibre que nous étudierons se rapportent aux alliages binaires. 3. Elaboration d’un diagramme binaire Les diagrammes d'équilibre sont une représentation des transformations solide-liquide ou solide-solide d'un alliage. Ils sont établis à partir des courbes de refroidissement tempstempérature de l’alliage binaire considéré. Ces courbes sont relevées pour différentes valeurs de la teneur en élément d’alliage. Les paramètres qui varient sont la température et la concentration en élément d’alliage de l’alliage considéré. Quel que soit le type d'alliage, la solubilité de l'élément "B" (appelé métal d’apport), dans le métal "A" (appelé métal de base) va dépendre de la température.

Diagramme binaire de composants A-B

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La courbe correspondant au liquidus, est la ligne de formation (ou disparition) des premières gouttes (ou dernières) de liquide. Au-dessus de cette ligne, il n'y a que du liquide. La courbe correspondant au solidus, est la ligne de formation (ou disparition) des premières germes (ou dernières) de solide. En-dessous de cette courbe, il n'y a que du solide.

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1. Les différents types de diagramme fer-carbone Le carbone dont le point de fusion est supérieur à 3500°C est soluble dans le fer et peut se cristalliser à l'état pur en formant le graphite ou se combiner avec le fer en formant une phase intermétallique Fe3C appelée cémentite ou carbone de fer. Lorsque le refroidissement du métal liquide est lent les atomes de carbone se cristallisent en formant le graphite et dans le cas contraire on a la formation de la cémentite (Fe3C), qui ne peut se décomposer à la température ambiante. Mais à un maintien de température supérieure à 500°C et une durée très longue, la cémentite peut se décomposer en graphite. La présence aussi du silicium peut favoriser la décomposition de la cémentite (formation du graphite). On a donc l'existence de deux diagrammes d'équilibres : a. Le diagramme fer-cémentite Le diagramme d'équilibre métastable Fe-Fe3C (cémentite) est caractérisé par la présence de cémentite Fe3C, correspond aux aciers et aux fontes blanches. Il représente la composition des phases et la structure des alliages dont la concentration varie du fer pur à la cémentite. La cémentite correspond à 6,67 % de carbone. Ce diagramme se présente comme suit :

b. Le diagramme fer-graphite Le diagramme d'équilibre stable fer-graphite est caractérisé par la présence de carbone libre C correspondant aux fontes grises, produits titrant au moins 2% de carbone. Il ressemble beaucoup au précédent, cependant la verticale du solidus correspondant à la cémentite (à 6,67% de carbone) n'existant plus, le diagramme se poursuit jusqu'au carbone pur: dans l'analyse précédente, il suffit donc de remplacer le terme cémentite par graphite, mais l'étude se limite aux faibles teneurs en carbone.

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Dans la suite de l’exposé, nous nous limiterons à l’étude du diagramme fer-cémentite. 2. Conditions d’utilisation Ces diagrammes ne sont valables en toute rigueur que pour les alliages formés exclusivement de fer et de carbone. Si un ou plusieurs éléments interviennent en faible proportion, le diagramme obtenu reste très voisin du diagramme théorique. C’est ainsi que l’on peut utiliser le diagramme fer-carbone pour les aciers ordinaires. Mais si la proportion de l’élément étranger augmente, le diagramme peut être profondément modifié. A. DIAGRAMME FER-CEMENTITE 1. Présentation

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2. Définition des constituants micrographiques a. La ferrite C’est une solution solide de carbone dans le fer , c'est à dire que la ferrite est constituée par du fer  renfermant des traces de carbone (faible teneur en carbone, inférieure à 0,02 %), ainsi que d'autres inclusions. On distingue la ferrite  à basse température et à solubilité du carbone allant jusqu'à 0,02 % et la ferrite  à haute température et à solubilité limite en carbone allant jusqu'à 0,1 %. La ferrite est peu tendre et très ductile. Elle est magnétique à température ordinaire, au microscope la ferrite a l'aspect de grains homogènes polyédriques. Elle est ferromagnétique jusqu'à 760°C, c’est-à-dire qu’elle possède une aimantation permanente même en l’absence de champ magnétique extérieur. b. L'austénite C’est une solution solide de carbone et d’autres inclusions dans le fer γ, La solubilité limite du carbone dans le fer γ est de 2,14 %. L'austénite est stable à haute température, elle est peu dure est relativement malléable. La microstructure de l'austénite est composée de grains polyédriques. Elle peut exister à la température ambiante que dans un état métastable. Elle est antiferromagnétique c’est-à-dire que son aimantation magnétique est nulle. c. La cémentite Selon le diagramme Fe-Fe3C et lors du refroidissement, la cémentite peut exister sous trois différentes formes de liaisons mais avec la même composition chimique. DESIGNATION Cémentite primaire Cémentite secondaire Cémentite tertiaire

OBTENTION PAR Cristallisation du métal liquide suivant la ligne CD Ségrégation à partir de l’austénite suivant la ligne ES Ségrégation à partir de la ferrite suivant la ligne PQ

d. La perlite C'est un eutectoïde formé d'un mélange de grains de cémentite sphéroïdaux noyés dans la ferrite globulaire en couches alternées (88 % de ferrite et 12 % de cémentite). Elle est obtenue lors du refroidissement et par décomposition de l'austénite à 0,8 % de carbone. Elle présente dans l’acier ordinaire toujours une teneur en carbone de 0,85 %. La perlite est dure et assez ductile.

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e. Le lédéburite I C’est un mélange eutectique entre l'austénite et la cémentite et provenant lors du refroidissement du métal liquide avec 4,3 % de carbone à la température eutectique. Le lédéburite I contient 51,4 % d'austénite et 48,6 % de cémentite et peut contenir 2,06 à 6,67% de carbone. Son domaine de stabilité est 723°C à 1147°C. f. Le lédéburite II Le lédéburite ll provient durant le refroidissement du lédéburite I par décomposition eutectoïdale du composant contenant 51,4 % d'austénite en perlite à la température de 723°C. Le lédéburite II contient 51,4 % de perlite et 48,6 % de cémentite. Durant la solidification des alliages de fer et de carbone, il y a lieu trois types de transformations isothermiques, il s'agit des réactions péritectiques, eutectiques et eutectoïdes. 3. Les points et lignes caractéristiques du diagramme

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a. Les points du diagramme Ils sont donnés dans le tableau ci-après : POINTS

CORRESPONDANCES

TEMPERATURE (°C)

% DE CARBONE

A

Fusion du fer pur Phase liquide en équilibre avec la ferrite δ et l'austénite à la température péritectique Transformation eutectique à la température Fission de la cémentite Teneur limite du carbone dans l'austénite à la température eutectique Teneur limite du carbone dans la ferrite L'austénite à la température péritectique Transformation polymorphe réciproque ferrite-austénite (δ-γ) Teneur limite dans la ferrite à la température eutéctoïde L'austénite à la température eutectoïde -

1538

0

1493

0,51

1147

4,30

1392

6.67

1147

2,1

1147 906

6,67 0

1493

0,10

1499

0,16

723 760

6,67 0

1392

0

721

0,02

20

0,006

721

0,8

1147 1153 727

4,30 2,03 0,69

B C D E F G H J K M N P Q S C’ E’ S’

b. Les lignes caractéristiques Les lignes du diagramme d'équilibre Fe-Fe3C qui déterminent le processus de cristallisation ont la notation et le sens physique suivant : LIGNES

CORRESPONDANCES Liquidus qui matérialise la température de début de cristallisation de la ferrite δ AB à partir de l'alliage liquide Limite supérieure intérieure de la coexistence des deux phases ferrite δ et NH et NJ austénite (A)

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BC CD AH

HJB ECF

Liquidus qui marque le début de cristallisation de l'austénite A à partir de l’alliage liquide Liquidus correspondant au début de cristallisation de la cémentite primaire (Cml) à partir de l'alliage liquide Ligne de solidus traduisant les températures délimitant le domaine de l'alliage liquide et les cristaux Fe δ. Au-dessous existent uniquement les cristaux de ferrite δ Ligne de transformation péritectique (T = 1499°C, C = constante), A la température inférieure à 1499°C, on a l'amorce de la réaction péritectique (interaction du liquide de composition B avec les cristaux de fonte δ de composition H dégage de l'austénite de composition I Cette ligne correspond à la cristallisation de l'eutectique appelé lédéburite (Lb)

ABCD représente donc la ligne liquidus au-dessus de laquelle tous les alliages sont à l'état liquide, et AHJECF représente la ligne de solidus en-dessous de laquelle tous les alliages se trouvent à l'état cristallin (solide). c. Les points de transformations Les points de transformations des aciers jouent un rôle prédominant dans la détermination des températures des traitements thermiques (trempe, revenu, recuit et cémentation). Ces points sont notés par A0, A1, A2, A3 et Acm, lors du chauffage ou du refroidissement sont notés respectivement par AC0, AC1, AC2, AC3 et ACCm et Ar0, Ar1, Ar2, Ar3 et ArCm. A0 : (T = 210°C) correspond à la transformation lors du chauffage de la cémentite ferromagnétique en cémentite non magnétique. A1 : (T = 727°C) correspond à la transformation réversible perlite –austénite. A2 : point de curie (T = 769°C), au-dessus de cette température le fer perd ses propriétés magnétiques, cette température est marquée par ligne MO. A3 : correspond aux températures associées à la ligne SE (Cm est le symbole abrégé de la cémentite) Donc les lignes GOS et SE représentent le lieu des points A3 et Acm définissant des températures variables. 4. Les transformations a. La transformation péritectique Durant le refroidissement des alliages titrant de 0,1 à 0,51 % de carbone, se précipite la ferrite  (F) suivant la ligne AB. A la température de 1493°C, il y a interaction péritectique des cristaux  (0,1 % C) avec le reste du liquide de composition B (0,51 % C), (LB), en formant l’austénite de composition I (0,16 % C) selon la réaction péritectique :

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b. La transformation eutectique Les alliages liquides titrant de 2,06 à 6,67 % C se solidifient suivant la ligne BC en donnant de l’austénite primaire suivant la ligne CD en donnant la cémentite primaire. A la température eutectique de 1147°C, se décompose le liquide eutectique restant (4,3%C) en austénite (2,06 % C) et cémentite (6,67 % C) selon la réaction eutectique :

Le mélange formé d’austénite (E) et de cémentite (F) est appelé lédéburite selon le nom du métallurgiste allemand Ledebur. c. La transformation eutectoïde A la température eutectoïde de 723°C se décompose l’austénite eutectoïde titrant 0,8%C en formant la ferrite avec 0,02 % C et la cémentite secondaire avec 6,67 % C (Fe3C(K)) suivant la réaction eutectoïde :

Le mélange constitué de ferrite et de cémentite Fe3C s’appelle perlite. 5. Principe de lecture du diagramme Les différentes règles de lecture que nous présenterons dans cette partie s’appliquent dans n’importe quel domaine biphasé de n’importe quel diagramme d’équilibre binaire. a. Règle des phases - Domaine biphasé A l’équilibre, le nombre V de variables indépendantes est fixé par l’équation de GIBBS : la variance ou le degré de liberté V = N – P + 2 avec N = nombre de constituants P = nombre de phases 2 = ce chiffre représente la température et la pression Dans les systèmes qui nous intéressent, l’influence de la pression est négligeable. Ainsi nous avons V = N – P + 1. On a donc, en fonction de N, dans un système biphasé V = 3 – P. Dans un domaine biphasé, la règle des phases nous donne V = 3 – 2 ; V = 1 si la température est fixée arbitrairement.

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b. La règle de l’horizontale A une température T donnée, les compositions des phases liquide et solide en présence sont données par les abscisses des points d’intercession de l’horizontale (de la température T) correspondant avec le liquidus et le solidus. On obtient ainsi la composition, en pourcentage, de l’alliage à la température T. c. La règle des segments inverses Soit un mélange A-B de composition initiale C0 pris à la température T. la composition de la phase liquide est CL et celle de la phase solide est CS. Soit FL et FS les proportions relatives du liquide et du solide de ce mélange. La conservation de la masse totale de l’alliage permet d’écrire : FL + FS = 1 d’où FS = 1 - FL (FL*CL) + (FS*CS) = C0  FL*CL + CS - CS*FL = C0  FL*(CL - CS) = C0 - CS

Le problème est équivalent à celui qui consiste à équilibrer une balance.

C0 - CS M

CL - CS P

N

MLiquide

MSolide L’équilibre est réalisé pour :

B. TRANSFORMATION DES ACIERS ET FONTES 1. Généralités Les alliages à teneur en carbone inférieure ou égale à 2 %C s'appellent aciers et ceux dont la teneur en carbone est comprise entre 2 et 6.67 %C s'appellent fontes. Cette délimitation coïncide avec la solubilité limite du carbone dans l'austénite. L'austénite possède une structure très plastique, ce qui rend les aciers malléables tandis que les fontes possèdent de bonnes Mécanique et Automatismes Industriels

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propriétés de fonderie, un point de fusion plus bas et des retraits plus petits dus à la présence dans la structure du composant eutectique lédéburite. Selon le pourcentage de carbone, nous avons :      

Aciers hypoeutectoïdes %C < 0.8 Aciers eutectoïdes %C = 0.8 Aciers hypereutectoïdes %C > 0.8 Fontes hypoeutectiques %C < 4.3 Fontes eutectoïdes %C = 4.3 Fontes hypereutectiques 4.3 < %C < 6.67 a. Les aciers

A titre d’exemple, nous pouvons citer : Les aciers à 0,05 % C : Lorsque la ligne liquidus est atteinte, il y a précipitation des cristaux primaires Fe dans l’alliage liquide. Après dépassement de la ligne solidus AH (T=1510°C), la totalité de l’alliage est solidifié et se compose de Fe. A la température 1440°C (ligne NH), commence la transformation de la ferrite Fe en austénite (γ) pauvre en carbone et selon la réaction :

La figure ci-dessous montre la structure de l’acier à 0,05 % C et à la température ambiante (agrandissement x 100). A côté des cristaux de ferrite clairs, on peut distinguer les taches sombres dans les joints de grains de Fe, représentant la perlite et à l’intérieur des grains de Fe, les taches sombres représentant la scorie restant dans l'acier.

Les aciers à 0,80 % C : La cristallisation primaire de cet acier s’effectue comme celle de l'acier à 0,60% C et la cristallisation secondaire s’effectue sans transformation de la ferrite, à partir de l’austénite. Il y a transformation eutectoïde directe de l’austénite en perlite. La figure ci-dessous, montre la structure métallographique (perlite pure) de l’acier eutectoïde.

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Les aciers à 0.90% C : La figure ci-dessous montre la structure de cet acier, lequel a été trempé durant 10 heures à T = 700°C.

b. Les fontes Dans la fonte, une partie du carbone dissous à l’état solide se précipite sous forme de graphite ou de carbure. Plusieurs types de fontes existent. 



La fonte blanche (sans graphite) : La solidification et le refroidissement s’opèrent suivant le diagramme fer-cémentite. En fonction de la teneur en carbone par rapport à l’eutectique, l’on distingue les fontes blanches hypoeutectoïde (3 < %C < 4.3) et les fontes blanches hypereutectoïde. La fonte grise : La plupart du carbone se trouve sous forme de lamelles de graphite. Le pourcentage en carbone de la matrice dépendra de la vitesse de refroidissement. Si la vitesse de refroidissement est très lente, tout le refroidissement depuis l’état liquide s’opérera en suivant le diagramme fer-graphite : la structure finale sera de type ferritegraphite. Si on augmente la vitesse de refroidissement, la solidification commencera suivant le diagramme fer-graphite puis se poursuivra selon le diagramme fer-cémentite. Dans ce cas, on obtiendra de la ferrite et de la lédéburite. On distingue, en fonction de la teneur en carbone par rapport à l’eutectique, les fontes grises hypoeutectoïde (%C = 3) et les fontes grises hypereutectoïde (%C = 5). 2. Désignation normalisée a. Les aciers



Classification par emploi

La désignation commence par la lettre S pour les aciers d’usage général et par la lettre E pour aciers de construction mécanique. Le nombre qui suit indique la valeur minimale de la limite d’élasticité (en mégapascals). S’il s’agit d’un acier moulé, la désignation est précédée de la lettre G. Exemple : S 235, GE 295

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

Classification par composition chimique

Acier non alliés : teneur en manganèse inférieure à 1%. La désignation se compose de la lettre C suivie du pourcentage de la teneur moyenne en carbone multipliéé par 100. Exemple : C 40 avec 40 = 0.40% de carbone Aciers faiblement alliés : teneur en manganèse supérieure ou égale à 1% et teneur de chaque élément d’alliage inférieure à 5%. La désignation comprend dans l’ordre :  Un nombre entier, égal à cent fois le pourcetage de la teneur moyenne en carbone  Un ou plusieures groupes de lettres qui sont les symboles chimiques des éléments d’addition rangés dans l’ordre des teneures décroissantes  Une suite de nombres rangés dans le même ordre que les élélments d’alliage, et indiquant le pourcentage de la teneur moyenne de chaque élément Les teneurs sont multipliées par un coeficient multiplicateur variable en fonction des éléments d’alliage (voir tableau ci-après). COEFICIENT MULTIPLICATEUR Coef Eléme,t d’alliage Elément d’alliage 4 Ce, N, P, S Cr, Co, Mn, Ni, Si, W 10 B Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Tl, V, Z

Coef 100 1000

Exemples : 55 Cr 3 correspond à 0.55% de C ; 0.75 % de chrome (3/4=0.75) 51 Cr V4 correspond à 0.51 % de C ; 1% de chrome (4/4=1), pour cette désignétion, le pourcentage de vanadium n’est pas précisé. Aciers fortement alliés : teneur d’au moins un élément d’alliage supérireure ou egale à 5%. La désignation commence par la lettre X suivie de la même désignation que celle des aciers faiblement alliés, à l’exeption des valeus des teneurs qui sont des pourcentages nominaux réels. Exemple : X 55 Cr 30 corespond à 0.30% de C ; 13% de chrome Aciers rapides : La désignation comprend successivement les symboles suivants :   

Les lettres HS Les nombres indiquants les valeurs des élélments d’alliage dans l’ordre suivant : Tungsrène (W), Molybdène (Mo), Vanadium (V), Cobalt (Co). Chaque nombre répresente la teneur moyenne.

Exemple : HS 8.5-3.5-3.5-5-11 correspond à 8.5% de tungstène, 3.5% de molybdène, 3.5% de vanadium, 11% de cobalt. Mécanique et Automatismes Industriels

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b. Les fontes Fontes à graphite lamellaire : après le prefixe EN, les fontes sont désignées par le symbole GJL suivi de la valeur en mégapascas de la resistance minimale à la rupture par extension. Exemple : EN-GJL 100 Fontes maleables à graphite shéroïdale : après le prefixe EN, les fontes sont désignées par le symbole (GJMW, GJMB, GJS) suivi de la valeur en mégapascas de la resistance minimale à la rupture par extension et du pourcentage de l’allongement après rupture. Exemple : EN-GJS-350-22

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Comme application, nous citerons à titre d'exemple trois grands domaines de la métallurgie où l'utilisation de ces diagrammes est indispensable pour obtenir rapidement l'objectif à atteindre  L'élaboration (fonderie, frittage)  Les traitements thermiques (mise en solution, transformations structurales,  L'assemblage (brasage, soudage).

recuits)

1. En fonderie et en traitement thermique Ces diagrammes sont d'une importance fondamentale. Le fondeur peut en tirer les informations suivantes :   

  

La température minimale à laquelle il faut chauffer un alliage donné pour qu'il soit totalement liquide, La nature des transformations susceptibles de se produire, ou d'être partiellement escamotées, La température de fin de solidification minimale dans le cas de la diffusion nulle dans le solide, sachant que la fin de solidification, selon la vitesse de refroidissement, sera intermédiaire entre cette température minimale et la température théorique donnée par le diagramme d'équilibre pour l'alliage considéré, La nature des phases formées et les caractéristiques mécaniques associées (cas des composés intermétalliques fragiles...) pour un alliage donné, Quelle composition choisir pour obtenir les caractéristiques voulues (liées à la nature des phases formées), ou pour éviter la formation de composés indésirables... La composition des alliages à bas point de fusion avantageux en fonderie

Les diagrammes sont aussi d'une grande utilité dans le domaine des traitements thermiques c'est-à-dire des transformations à l'état solide. 2. Dans le domaine de l'assemblage des métaux Ils fournissent aussi des informations précieuses. a. Cas du brasage Ils vont permettre :   

De définir la composition des alliages susceptibles d'être utilisés comme métal d'apport, De préciser, connaissant la composition du métal d'apport, la température minimale à laquelle il faudra braser les pièces, D'indiquer la nature des phases susceptibles de se former entre le métal d'apport et le métal de base. b. Cas du soudage hétérogène

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DIAGRAMME FER-CARBONE / FER-CEMENTITE

Lorsque l'on veut assembler par soudage deux pièces de nature différente, le problème métallurgique est similaire à celui rencontré avec le brasage en ce qui concerne la nature des phases qui vont se former entre les deux métaux et les propriétés qui en découlent: la connaissance des diagrammes est l'un des éléments indispensables pour prévoir le comportement de la soudure. Si les deux matériaux ont des points de fusion très différents, des problèmes technologiques s'ajouteront pour les procédés de soudage classique. Le "soudage diffusion" qui est un procédé d'assemblage à l'état solide permet de s'affranchir de ce dernier problème. Il permet aussi de résoudre souvent le problème de l'incompatibilité métallurgique des matériaux à assembler, c'est à dire la formation de composés intermétalliques fragiles dans l'interface. Pour réaliser une jonction exempte de phases fragiles, il faut interposer, entre les deux pièces, des couches (feuillards ou dépôts) de métaux compatibles deux à deux avec leurs voisins immédiats. Le choix de ces intermédiaires ne peut se faire qu'en consultant les différents diagrammes d'équilibre: seuls les métaux ne formant pas de phases intermétalliques avec leurs voisins immédiats peuvent convenir.

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DIAGRAMME FER-CARBONE / FER-CEMENTITE

Cet exposé nous a permis de comprendre que la connaissance des diagrammes de phase est un outil de base pour le métallurgiste et le métallographe. Ceux-ci renseignent en effet sur : Les types de transformations qui doivent se produire pendant la solidification et le refroidissement du solide (ou inversement au chauffage) Les températures de début et de fin de transformation La nature des phases en présence La composition de ces phases à l'équilibre La proportion des phases présentes à une température donnée (règle des segments inverses ou règle de l’horizontale appliquée sur les concentrations exprimées en masse %). Notons aussi que les diagrammes binaires ne peuvent comporter que des domaines étendus à une ou deux phases. La coexistence de trois phases n’est possible que lors d'une réaction de type eutectique, péritectique, eutectoïde ou péritectoïde. Il y a donc toujours alternance des domaines monophasés et biphasés. L’intérêt de cette étude réside dans le fait qu’elle a été pour nous une opportunité de concrétiser nos connaissances sur la solidification des métaux, et de savoir lire et utiliser les diagrammes d’équilibre.

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DIAGRAMME FER-CARBONE / FER-CEMENTITE

Documents techniques  André CHEVALIER, 2004. Guide du dessinateur industriel. Hachette Technique, Page 324-326  Dr DAGO Gnassé Leon, 2008. Cour de metallurgie. Chapitre III  Martine HOURCADE. Les diagrammes d’équilibre binaires ou diagrammes de phases  Encarta Junior, 2009. Sciences et techniques-la physique-la mécanique-le fer / le carbone. Webographie  http://search.mywebsearch.com/mywebsearch/GGmain.jhtml?searchfor=digramme+fe r-carbone&st=kwd  http://www.mywebsearch.com/jsp/cfg_redir2.jsp?id=ZCfox000&fl=0&ptb=mT7AtqN HuHEbFmChzK9ueQ&url=http://search.mywebsearch.com/mywebsearch/dft_redir.jh tml&st=kwd&searchfor=diagramma+binaire

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A. Structure micrographique de quelques aciers et fontes B. Diagramme d’équilibre fer-cémentite

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A. Structure micrographique de quelques aciers et fontes

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B. Diagrammes d’équilibre fer-cémentite

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