Chapitre 3 Diagramme Fer Carbone [PDF]

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Chapitre 3 Diagramme de phase Fer – Carbone

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III- Diagramme Fer-Carbone Ce diagramme décrit les différents états du mélange fer+carbone selon la proportion de fer et de carbone dans le mélange.

Ce diagramme est très utile pour comprendre les aciers, les fontes et les traitements thermiques. Aciers et fontes %C < 2%  aciers %C > 2%  fontes

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– le diagramme Fe–Fe3C(cémentite), représentant des états métastables; – le diagramme Fe – C (graphite), représentant les états stables. 3

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Figure : Diagramme de phases des alliages Fer-Cémentite (concentration massique)

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– le diagramme Fe – C (graphite), représentant les états stables.

E'

C'

Austénite

Lédéburite Austénite + Graphite S'

Perlite

Ferrite + Graphite

6 100%

III-1 Remarques importantes diagramme stable La teneur du carbone  refroidissements

Ajout des éléments

100%  Lent Favoriser la formation du graphite

graphitisants activent la décomposition de la cémentite (Si, P, Al, Ni, Cu,…)

diagramme métastable 6,67% Rapide Pour éviter la décomposition de la cémentite Fe3C métastable en fer et graphite

antigraphitisants ou carburigènes, stabilisent la cémentite ou des carbures mixtes analogues (Mn, Cr, Mo, S, …)

 concernant les phases dans le diagramme stable Fe – C il suffit de remplacer la cémentite par le graphite.

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III-2 Lecture du diagramme fer-carbone III-2-1 Variétés allotropique du Fer pur Le fer pur a une structure en réseau cristallin régulier qui subit des transformations réversibles lorsque la température varie:

A l'extrême gauche du diagramme on à le fer pur qui se présente en fonction de la température sous la forme:

Fer  alpha Ferrite CC

Fer  gamma Austénite CFC

Fer  delta CFC

fer α en dessous de 906 °C qui a une structure cristalline cubique centrée ;

fer γ entre 906°C et 1 401°C a une structure cristalline cubique à faces centrées ; fer δ au-dessus de 1 401°C a une structure cristalline cubique centrée. Au dessus de 1536°C le fer se liquéfie. 9

Figure : Diagramme de phases des alliages Fer-Cémentite (concentration massique)

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III-2-2 Constituants et phases présents on particulière dans le diagramme Fe-C métastable

A partir du diagramme alliages Fer-carbone on distingue ce qui suit:

Ferrite (Fe α) Austénite (Fe ) Perlite (P) Lédéburite (Led) Cémentite ( Fe3C)

solution solide (phase); solution solide (phase); structure hétérogène (constituant); structure hétérogène (constituant); combinaison chimique (phase);

En plus dans le diagramme stable Graphite (G) : carbone libre (phase ).

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Les différentes phases du système Fer-Carbone L'austénite (de Austen, métallurgiste anglais) (γ). L'austénite (solution solide) d’insertion du carbone dans le fer γ cristallisé sous la forme cubique a faces centrées. Cette cristallisation donne un matériau plus dense et plus dur que la ferrite.

La ferrite est une solution solide composée de (Fer α) cristallisé sous la forme cubique centré ne renfermant que des traces de carbone (ferrite ne dissout pratiquement pas le carbone) a la température ordinaire . Elle relativement douce, très ductile et très résiliente.

La cémentite Fe3C est un composé chimique de formule Fe3C très dur, mais cassant. La cémentite est le composant principal des fontes

Perlite: mélange eutectoïde à 0.85%.de C de forme lamellaire ; chaque grain est formée de lamelles alternées de de ferrite et de cémentite a température ambiante. La perlite est dure, résistante et assez ductile.

lédéburite est l'eutectique correspondant à une teneur de 4,3 % en masse de carbone ; sa formule brute est (Fe3C:2Fe), il fond à 1 148 °C constitué d’une matrice de cémentite Fe3C contenant des globules d'austénite. Puis, a la température ordinaire, l'austénite se transforme en perlite; l'alliage porte alors le nom de fonte grise.

Graphite: carbone en excès dans le fer, donc à l’état libre très fragile et localisé dans les joints de grains. 12

III-2-3 forme et Points de transformation particulière dans le diagramme métastable:

A-Forme et courbes de solubilité dans le diagramme:

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B- Points de transformation particulière dans le diagramme métastable: 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.

Transformation eutectique dans le système métastable: 1148°C

Liq (4.30%C)  Fe(2.11 %C) + Fe3C(6.67%C)

Transformation eutectoïde dans le système métastable

727°C

Fe(0.85%C)  Feα(0.025%C)+Fe3C(6.67%C).

Transformation peritectique dans le système métastable: 1490°C Fe(0.18 %C) Liq (0,5.%C) + Feδ(0.1%C)  14

III-2-4 Constituants et Microstructures des aciers et fontes blanches dans le diagramme métastable:

A partir du diagramme fer-cémentite, on peut définir les aciers et fontes suivant la teneur en carbone

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A- Constituants et Microstructures des Aciers

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Les aciers Acier eutectoïde Aciers ferritiques

Aciers hypereutectoïdes

Aciers hypoeutectoïdes

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B- Constituants et Microstructures des fontes blanches

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Les Fontes Blanches

Eutectique

4.3% Hypoeutectique

Hypereutectique

% carbone 19

2.06%

6.67%

III-2-5 Fontes grises dans le diagramme stable:

solidifient entièrement dans le système stable,

Fontes grises

Famille des fontes où le carbone se trouve sous forme de graphite La structure graphitique du carbone est obtenue par un refroidissement très lent de la fonte, ou l'ajout de composants graphitisants comme le silicium jusqu'a 3%. L'apparition du graphite est obtenue lorsque la cémentite se décompose en Fe3C  3Fe + C

L'apparition du graphite dans les fontes grises sous formes:

lamellaire

Fonte grise ordinaire

sphéroïdal

Fonte à haute résistance

nodulaire

Fonte malléable 20

A- Fonte grise ordinaire (lamellaire)

Le graphite s'y trouve sous forme de lamelles.

• Température de coulée élevée. • Refroidissement lent. • Eléments graphitisants (C élevé, Si). • Pas de stabilisateurs de cémentite. •facilité d'usinage •excellente coulabilité ; •relativement fragile comparé aux aciers •prix du métal peu élevé 21

B- Fonte à haute résistance (GS) Graphite se trouve sous forme de nodules (sphéroïdes). Changement de la forme lamellaire en sphéroïdale obtenue par l'ajout de magnésium (0.03-0.07)

• très résistante comparé aux fontes grises •ductile •bonne coulabilité •bonne soudabilité

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C- Fonte malléable

Fonte blanche 2.5-3%C

Graphite se trouve sous forme de nodules Initialement fonte blanche;

Recuit prolongé Fonte malléable 900-950°C

A graphite nodulaire

• grande résistance à la traction • propriétés mécaniques améliorées comparé aux fontes GL et GS 23 • très ductile