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CHAPITRE V

DIAGRAMME Fe-C

Mr HAMANI M.S.

DIAGRAMME D’EQUILIBRE

0 6,67

Fe3C Fe2C FeC C Fe

Fig. Représentation schématique des alliages Fe-C pratiquement utilisés (partie hachurée)

Le diagramme doit être évidement prendre tous les

alliages de 0 jusqu’à 100%C. Cependant comme règle cela

nous conduit seulement sur une petite partie du système

du Fer jusqu’à la combinaison chimique la plus prés c’est à dire Fe3C (partie hachurée sur la figure)

9,67 17,64

CHAPITRE V : DIAGRAMME Fe-C Mr HAMANI M.S.

Par refroidissement très lent, le

liquide est le site d’une germination de

graphite (G) stable : cas des fontes

grises.

Par un refroidissement rapide, le

liquide donne lieu à une germination de carbure de fer appelé cémentite (Fe3C) : cas des aciers et fontes blanches


Le dépôt de graphite ou le dépôt de

cémentite s’oppèrent à des

températures variables suivant le titre

en carbone de l’alliage Fe-C.

Sur le diagramme binaire Fe-C ces

dépôts correspondent à deux lignes de

liquidus différentes :

L’une appartient au diagramme

stable.

L’autre appartient au diagramme

métastable


Du fait de la surfusion, les courbes du diagramme stable

sont toujours situées au dessous du diagramme

métastable (fig.3)

Fig.3: Portion de liquidus (CD et C’D’) des diagrammes Fe-Fe3C et Fe-Graphite


On constate la similitude entre les deux diagrammes de phases

Fer-graphite et fer Cémentite (fig)

Fig. Diagramme de phases Fer-Cémentite simplifié

Fig. Diagramme de phases Fe-Graphite simplifié


CONDITIONS D’ETABLISSEMENT DES DEUX EQUILIBRES

La propension du liquide à donner du

graphite ou de la cémentite dépend de

plusieurs facteurs :


2° Température initiale du bain Une température de coulée élevée facilite la

graphitisation

3° Le titre en carbone de l’alliage : Une fraction massique élevée en carbone

facilite la graphitisation.

Il faut : C 0,8

1° la vitesse de refroidissement Un refroidissement lent facilite la graphitisation.


4° la présence d’éléments d’alliage : Le Si, Cu, Ni, l’Al, Ti, P ont un effet graphitisant. Le Mn, Cr, Mo, Te, Bi, O dissous, ont un effet

antigraphitisant, c'est-à-dire carburigène ou formateur de cémentite.

L’art du fondeur est de jouer avec ces facteurs pour obtenir à volonté : Soit une fonte grise ou le carbone est graphitique

Soit une fonte blanche où le carbone est sous forme de cémentite (cette fonte est improprement appelée trempée) Soit une fonte mixte, mi-blanche-mi-grise, dite truitée


Pour des aciers dont la teneur en carbone est inférieure à 1% en poids, on peut se limiter à l’étude du système métastable, car dans les conditions pratique, il y a toujours formation de cémentite. Il présente de nombreuses: Réactions et Transformations - réaction eutectique - réaction péritectique - réaction eutectoide et Transformations - 2 transformations allotropiques - un point de curie

Réactions


LES POINTS


Les points caractéristiques du diagramme A : correspond à la température de fusion du fer pur (1539°C). D : correspond à la température de fusion de la cémentite (1392°C) B: 0,51% C dans la phase liquide en équilibre avec la ferrite δ et l’austénite à la température péritectique 1493°C. H : 0,10% C teneur limite du carbone dans la ferrite δ à 1493°C. I : 0,16% C dans l’austénite à la température péritectique 1499°C. N (1392°C) et G (910°C) : marquent la transformation polymorphe ferrite en austénite (δ γ) E: 2,l% C teneur limite du carbone dans l’austénite à la température eutectique (ECF 1147°C). S : 0,8% C dans l’austénite à la température eutectoide 727°C. P : 0,02%C teneur limite dans la ferrite à la température eutectoide

727°C C : 4,3%C transformation eutectique à la température 1147°C.


Les liquides du diagramme d'équilibre Fe-Fe3C qui déterminent le processus de cristallisation ont la notation et le sens physique suivant : AB : Liquidus qui matérialise la température de début de cristallisation de la ferrite δ à

partir de l'alliage liquide. NH et N : Limite supérieure et inférieure de la coexistence des deux phases ferrite δ et

austénite γ BC : Liquidus qui marque le début de cristallisation de l’austénite à partir de l'alliage

liquide. CD : Liquidus correspondant au début de cristallisation de la cémentite primaire à partir

de l'alliage liquide. Donc ABCD représente la ligne liquidus pour tout le diagramme, au dessus de ABCD tous

les alliages sont à l'état liquide. AH : Ligne de solidus traduisant les températures délimitants le domaine de l'alliage

liquide et les cristaux Fe δ. Au dessous de AH existent uniquement les cristaux de ferrite δ.

HIB : Ligne de transformation péritectique (T = 1499°C ). 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 ferrite S de composition H dégage de l’austénite de composition

ECF : Cette ligne correspond à la cristallisation de l’eutectique appelé Lédéburite (Lb). Donc AHIECF représente la ligne de solidus, au dessous de cette ligne tous les alliages se trouvent à l'état cristallin (solide).


Entre les lignes de solidus et de liquidus tous les alliages se trouvent à l'état pâteux avec des composantes hétérogènes du liquide et de cristaux (ferrite, austénite, cémentite) ayant des compositions différentes et dans des portions variables.


LES RÉACTIONS :


réaction péritectique

T = 1487°C (mais d’importance négligeable de point de vue industrielle.)

Haute Température Cette zone est caractérisée par: la fusion du fer pur à 1538 °C la réaction péritectique à 1487°C. A cette température, le liquide à 0.51% de C + la phase δ à 0.1 % C donne lors du

refroidissement la phase γ (austénite) à 0.16% de C suivant la réaction :

Liq + δ → γ

Le diagramme Fer-carbone contient trois réactions isothermes caractérisées par des paliers :


réaction eutectoide

T = 727°C

Basse Température

Cette zone est caractérisée par: A 727 °C par la réaction eutectoide. A cette température, la phase γ à 0.8 % de C se décompose lors du refroidissement, pour donner simultanément la phase α (ferrite) à 0.022 % C et de la cémentite (Fe3C) à 6.67 %C suivant la réaction :

γ → α + Fe3C.


réaction eutectique Cette zone correspond au domaine des fontes, elle est caractérisée par : la réaction eutectique à la température de 1147°C A cette température, le liquide à 4.3 % de C se décompose pour donner simultanément la phase γ à 2.11 % de C et de la cémentite (Fe3C) à 6.67 % de C suivant la réaction :

Liq → γ + Fe3C. Le constituant formé au cours de cette réaction isotherme réversible est nommé Lédéburite.


LES TRANSFORMATIONS


Formes allotropiques du fer pur

: ferrite alpha (cubique centrée ( 912°C) : ferrite delta (cubique centrée (1394-1538°C) :: austénite (cubique faces centrées) (912-1394°C)

la transformation allotropique γ ↔ δ à la température de 1400°C. La phase γ de structure CFC se transforme en fer δ de structure CC.


- La ferrite (fer ) : jusqu’à T=906°C forme stable du fer structure cristalline cubique centrée (CC, a = 290 pm) solubilité du C est alors très faible (< 0,02 %)

- L’austénite (fer ) : de 906 à 1401°C structure cubique à faces centrées (CFC, a = 360 pm) solubilité du C peut alors atteindre ~ 2 % en masse nouvelle phase est de forme plus compacte et plus déformable

- La ferrite (fer ) : de 1401 à 1528°C structure CC (a = 293 pm) forme peu importante au niveau industriel


Point de curie

Point de curie : Le fer pur perd son magnétisme à la température de 770 °C. Il devient paramagnétique. Le paramagnétisme est une Propriété des corps ou des substances paramagnétiques de s'aimanter faiblement dans le sens du champ magnétisant quand ils y sont placés. Cette transformation réversible est observée dans d’autres matériaux et alliages par exemple le Cobalt à la température de 1115°C, l’alliage CuO Fe2O3 etc …


LES COURBES


Le diagramme complet comprend les

courbes suivantes:

Le liquidus ABCD. Le point D n’est pas

très bien connu car certains auteurs

prétendent que la cémentite se décompose

avant de fondre. Le solidus AHJECF avec un palier

eutectique ECF à 1130°C

Le liquoide GSE qui limite inférieurement

la zone de l’austénite.

Le solidoide GPSK avec un palier eutectoide PSK à 723°C


DIAGRAMME FER-GRAPHITE


3-DIAGRAMME FER-GRAPHITE

Tout diagramme peut être étudié

du point de vue des phases ou du

point de vue des constituants. Le

digramme des phases est le plus

simple. Aussi commencerons-nous

par là :

Diagramme des phases simplifié :


1-Diagramme des phases simplifié

Par refroidissement très lent on obtient

des fontes grises dont les phases

constitutives sont (FigX4) :


Ferrite

Des lamelles de graphite G

Ces phases ne sont obtenues que

si les conditions supplémentaires

suivantes sont réunies :

Titre en carbone %˃0,8

Teneur en éléments graphitisants

suffisante


Si l’on considère une fonte grise hypoeutectique à 3% de carbone

(alliage I) (fig X4) qui se refroidit très lentement, on remarque que la phase graphite se dépose en trois temps :

Fig.X 4 Diagramme de phases Fe-Graphite simplifié


Premier temps (point 1) : Dépôt de graphite à partir de la réaction eutectique :

Liquide (C’) austenite (E’) +Graphite

Deuxième temps (entre les points 1et 2) : Dépôt de graphite

appelé secondaire provenant d’une perte en carbone de

l’austénite entre les points E’ (2%) et S’(0,7%)

Troisième temps (point 2) : Dépôt de graphite eutectoide à

partir de la réaction eutectoide :

Austénite ( S’) Ferrite (P) + Graphite

Les graphites eutectique et secondaire se présentent

sous forme de grandes lames de quelques millimètres

(figX5). Le graphite eutectoide est lamelles plus fines.


FigX5: Morphologie du graphite (alliage correspondant au point M de la fig X4)

Graphite eutectique et secondaire

Graphite eutectoide

Remarque : Il y a aussi dépôt de graphite tertiaire entre 738°C et

l’ambiante, mais ce dépôt est négligeable.

FigX5: Morphologie du graphite (alliage correspondant au point M de la fig X4)

Graphite eutectique et secondaire

Graphite eutectoide


2- Diagramme des constituants (figX6) :

Fig X6: Diagramme stable Fer-Graphite en constituants micrographiques


On remarquera la complexité du diagramme

complet. Il n’a été effectivement expérimenté que

pour un titre en carbone suffisamment élevé C˃ 0,8%

est cependant assuré de la forme des courbes situées

dans la zone 0,85C%

Ce diagramme comprend :

Le liquidus ABC’D’. la ligne C’D’ est assimilable

à une droite d’équation :

C%=1,3+2,57x10-3 Le solidus AHJE’C’F’ avec un palier

eutectique E’C’F’ à 1145°C, certains auteurs, à 1152°C

pour d’autres, à 1170°C pour d’autres


Le liquoide GS’E’ qui limite intérieurement la zone de

solution solide limité austénite NJE’S’G.

Le solidoide GPS’K’ avec un palier eutectoide P’S’K’ à 735-738°C

La zone de solution solide ou ferrite OQPG de très

faible étendue

L’eutectique à 4,25%C constitué de fines lamelles et

fins amas de graphite dans une matrice d’austénite.

L’eutectoide à 0,70%C qui n’a pas été obtenu avec

certitude mais le graphite constitué de fins amas et de

lamelles de graphite dans une matrice ferrite. L’eutectique transformé à 4,25%C qui pour <735°C

constitué de fines lamelles de graphite dans une

matrice eutectoide (graphite +ferrite)


DIAGRAMME FER-CEMENTITE


4-DIAGRAMME FER-CEMENTITE

Ce diagramme dont l’application sert à

l’étude des aciers ordinaires et des fontes

blanches peut être examiné du point de vue

des phases et du pont de vue des

constituants.

On a l’habitude de le limiter aux titres

C<6,67% c'est-à-dire d’arrêter le diagramme sur le composé défini (Fe3C) cémentite


1-Diagramme de phases simplifié (figX7)

On constate la similitude avec le diagramme de phases Fer-graphite

(figX4)

Fig.X7 Diagramme de phases Fer-Cémentite simplifié


On constate la similitude avec le diagramme

de phases fer-graphite

Les différences principales sont :

La température du palier eutectique 1145°C au lieu de 1130°C

La température du palier eutectoide de 738°C au lieu de 723°C

Le titre de l’eutectique : 4% au lieu de

4,3C%

Le titre de l’eutectoide : 0,70% au lieu de

0,8C%


•2- Diagramme de constituants

Le diagramme complet est présenté à la figure

X8. Il comprend :

Le liquidus ABCD. Le point D n’est pas très

bien connu car certains auteurs prétendent que

la cémentite se décompose avant de fondre. Le solidus AHJECF avec un palier

eutectique ECF à 1130°C

Le liquoide GSE qui limite inférieurement la

zone de l’austénite.

Le solidoide GPSK avec un palier eutectoide PSK à 723°C

La zone de ferrite OQPG


L’eutectique à 4,3%C qui est constitué de

fin amas de Fe3C dans une matrice

d’austénite. Cet eutectique s’appelle lédéburite (fig IV.10). en dessous de 723°C ,

l’eutectique se transforme en lédéburite

transformé, constituée de petits ilots alternés de Fe3C et de perlite.

L’eutectoide à 0,85%C qui est constitué de lamelles alternées de Fe3C et de ferrite .

Cet eutectoide s’appelle perlite (fig IV 9).


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