Diagramme d'équilibre fer-carbone avec explication [Diagramme de phase]

Dans cet article, nous discuterons du diagramme d'équilibre fer-carbone , utilisations du diagramme d'équilibre, types de diagramme d'équilibre fer-carbone et diverses phases et termes associés au diagramme de phase fer-carbone.

Que sont les diagrammes de phase ?

Diagrammes de phases sont des représentations graphiques des phases présentes dans un alliage sous diverses conditions de température, de pression et de composition chimique.

La solidification des alliages métalliques est bien appréhendée au moyen de diagrammes d'équilibre. Ce sont des représentations graphiques des changements d'état dus aux variations de température et de concentration. Étant donné que ce diagramme indique la nature et la constitution des alliages, ainsi que la quantité et la composition des phases dans un système donné, il est également appelé diagramme de constitution ou diagramme de phase.

Caractéristiques et utilisations du diagramme d'équilibre

Équilibre implique que les changements qui se produisent dans un système à la suite d'un processus se déroulant dans une direction sont entièrement compensés par les changements dus à l'inversion du processus dans le système. Elle est donc considérée comme une condition dynamique d'équilibre entre mouvements atomiques où la résultante est nulle.

Les taux de changements de température ou de composition ont été extrêmement lents au cours des travaux expérimentaux, de sorte que l'alliage « s'immobilise » avant qu'une variable telle que la température ne soit à nouveau modifiée. La condition est donc celle du repos plutôt que du changement.

Le diagramme d'équilibre indique ce qui suit :

1. Température à laquelle l'alliage solide commencera à fondre et finira de fondre.

2. Changements de phase possibles qui se produiront à la suite d'une modification de la composition ou de la température.

Que représente le diagramme d'équilibre ?

Le diagramme décrit les conditions appropriées pour que deux phases ou plus existent en équilibre. Par exemple, le diagramme des phases de l'eau décrit un point (point triple) où l'eau peut coexister en trois phases différentes en même temps. Cela se produit juste au-dessus de la température de congélation (0,01°C) et 0,006 atm.

Utilisations du diagramme d'équilibre en métallurgie

• Développement des nouveaux alliages sur la base des exigences de l'application.
• Production de ces alliages.
• Développement et mise en œuvre de procédures de traitement thermique appropriées pour améliorer les propriétés chimiques, physiques et mécaniques de ces nouveaux alliages
• Résoudre les problèmes qui surviennent lors de l'utilisation de ces nouveaux alliages, améliorant ainsi la prévisibilité du produit.

Diagramme d'équilibre fer-carbone

Le diagramme d'équilibre fer-carbone (également appelé diagramme de phase fer-carbone) est une représentation graphique des états de microstructure respectifs de l'alliage fer-carbone (Fe-C) en fonction de la température et de la teneur en carbone.

Le diagramme de phase fer-carbone est couramment utilisé pour bien comprendre les différentes phases de l'acier et de la fonte. L'acier et la fonte sont à la fois des alliages de fer et de carbone. De plus, les deux alliages contiennent des oligo-éléments en petites quantités.

Le graphique est assez complexe, mais comme nous limitons notre enquête au Fe3C, nous n'examinerons que jusqu'à 6,67 % en poids de carbone.

Types de diagramme d'équilibre fer-carbone

Le diagramme d'équilibre binaire fer-carbone est à la base de l'acier et de la fonte. Il s'agit des transformations qui se produisent dans les alliages ayant des compositions allant du fer pur à la cémentite (6,67 % de carbone). Il existe deux versions du diagramme d'équilibre fer-carbone :

1. Système fer-cémentite. 2. Système fer-graphite.

Ces deux systèmes dépendent de la vitesse de refroidissement. Un refroidissement rapide produit de la cémentite et le système est connu sous le nom de système fer-cémentite . Dans ce système, les structures formées dans les phases solidifiées n'atteignent pas un équilibre suffisamment complet. Le système fer-cémentite est donc un système métastable un.

Alors qu'un refroidissement lent produit du graphite et que le système est connu sous le nom de système fer-graphite . Les structures qui se forment dans la phase solidifiée atteignent un équilibre suffisamment complet. C'est donc un stable une.

Types d'alliage ferreux sur le diagramme d'équilibre fer-carbone

L'échelle de pourcentage de poids sur l'axe X du diagramme de phase fer-carbone va de 0 % à 6,67 % Carbone. Le métal est simplement appelé fer ou fer pur jusqu'à une teneur maximale en carbone de 0,008 % en poids de carbone. A température ambiante, il existe dans la ferrite Etat.

Acier est un alliage fer-carbone avec une teneur en carbone allant de 0,008 à 2,14 pour cent. Les nuances d'acier de cette gamme sont appelées acier à faible teneur en carbone (ou acier doux), acier à carbone moyen , et acier à haute teneur en carbone .

Lorsque la teneur en carbone dépasse 2,14 pour cent, on atteint la fonte organiser. La fonte est extrêmement dure, mais sa fragilité limite considérablement ses applications et ses méthodes de formage.

SYSTÈME FER-CEMENTITE

Si une série de courbes de chauffage temps-température sont réalisées pour des aciers de différentes teneurs en carbone et les points critiques correspondants tracés, un diagramme similaire à la Fig. 2.14 serait obtenu. Ce diagramme, qui s'applique uniquement dans des conditions de refroidissement lent, est connu sous le nom de diagramme de phase fer-carbone partiel . En se référant à ce diagramme, on peut facilement observer les températures de trempe appropriées pour tout acier au carbone. Les points critiques de la Fig. 2.14 sur la ligne PSK sont notés A1, ceux de la ligne GS par A3 et ceux de la ligne SE par Acm

Diagramme d'équilibre fer-carbone avec explication

Austénite

Austénite , solution solide de carbone et d'autres constituants dans une forme particulière de fer appelée fer γ (gamma). Prenons l'exemple d'une pièce d'acier à 0,20 % de carbone qui a été portée à une température d'environ 850°C. Au-dessus de Ar3, point (ligne GS) cet acier est une solution solide (type interstitiel) de carbone dans du fer gamma et est appelé austénite . Il a un réseau cubique à faces centrées et est non magnétique.

L'austénite ordinaire peut contenir jusqu'à environ 2 % de carbone à une température de 1 130 °C. Lors du refroidissement de cet acier, les atomes de fer commencent à former un réseau cubique centré sous le point Ar3 (ligne GS). Cette nouvelle structure qui se forme est appelée ferrite ou fer alpha et est une solution solide de carbone dans du fer alpha contenant jusqu'à 0,008 % de carbone à température ambiante.

Lorsque l'acier est refroidi jusqu'à Ar1, (ligne PSK), de la ferrite supplémentaire se forme. À la ligne Arı, l'austénite qui reste est transformée en une nouvelle structure appelée perlite . Le nom perlite est dû à son éclat nacré. Il se compose de plaques alternées de ferrite et de cémentite et contient environ 87 % de ferrite. La perlite peut avoir une structure lamellaire ou granulaire fine à grossière. Il s'agit d'une substance solide et peut être raisonnablement bien coupée avec des outils de coupe, c'est-à-dire que la perlite constituant l'acier est usinable.

Acier eutectoïde

Lorsque la teneur en carbone de l'acier dépasse 0,20 %, la température à laquelle la ferrite est d'abord rejetée de l'austénite chute jusqu'à ce qu'à environ 0,80 % de carbone (point S), aucune ferrite libre ne soit rejetée de l'austénite. Cet acier est appelé acier eutectoide et est 100 % perlite .

Eutectoïde Pointe

Qu'est-ce que le point eutectoide ?

Le point eutectoïde dans n'importe quel métal, comme dit précédemment, est la température la plus basse à laquelle des changements se produisent dans une solution solide.

Si la teneur en carbone de l'acier est supérieure à l'eutectoïde (0,8 % de carbone), une nouvelle ligne est observée dans le diagramme de phase fer-carbone notée Acm (ligne S). La ligne indique la température à laquelle le carbure de fer est d'abord rejeté de l'austénite au lieu de la ferrite.

Le carbure de fer (Fe3C) est connu sous le nom de cémentite . Elle est extrêmement dure, cassante et se présente sous forme de plaques parallèles (couches lamellaires), de particules arrondies (sphéroïdes) ou d'enveloppes autour des grains de perlite. Au point C, le mélange eutectique contenant 4,3 % de carbone est appelé lédéburite . Ceci est rarement observé dans les alliages refroidis lentement car il se décompose, en raison de sa nature instable, en d'autres phases lors du refroidissement après la solidification.

Hypoeutectoïde et hypereutectoïde

Les aciers contenant moins de 0,80 % de carbone sont appelés hypoeutectoïdes et ceux qui contiennent plus de 0,8 % de carbone sont appelés hypereutectoïde aciers. Cette terminologie s'applique uniquement aux aciers ordinaires et faiblement alliés. Avec les aciers fortement alliés, la composition eutectoïde est altérée et la structure peut même ne pas exister.

Précisons d'abord que le diagramme d'équilibre normal représente bien l'équilibre métastable entre le fer et le carbure de fer (cémentite). La cémentite est métastable et le véritable équilibre devrait se situer entre le fer et le graphite.

Bien que le graphite soit largement présent dans les fontes (2 à 4 % en poids de C), il est généralement difficile d'obtenir cette phase d'équilibre dans les aciers (0,03 à 1,5 % en poids de C). Par conséquent, l'équilibre métastable entre le fer et le carbure de fer doit être pris en compte, car il est pertinent pour le comportement de la plupart des aciers dans la pratique.

Système Fer Graphite

SYSTÈME FER-GRAPHITE

Il a déjà été dit que le carbure de fer ou la cémentite est un métastable, bien que dans des conditions normales, il ait tendance à persister indéfiniment. Lorsque la cémentite se décompose, elle le fait selon la réaction :

Fe3C <——–> 3Fe + C

Dans la phase stable, sans carbone ou graphite se produit à la place de la phase connue sous le nom de cémentite . Lors d'un faible degré de surfusion, du graphite se forme lorsque la fonte se solidifie à partir de l'état liquide. Un refroidissement lent favorise la graphitisation . Un refroidissement rapide supprime partiellement ou totalement la graphitisation et conduit à la formation de cémentite.

Un système fer-graphite (en pointillés) est illustré à la Fig. 2.14. Le cas d'un alliage de carbone contenant 3,5 % de carbone en poids est pris à titre illustratif.

Au point 1 l'alliage est à l'état liquide. Au point 2 sur la ligne de refroidissement, la réaction qui se produit peut être exprimée comme :

Image

> Entre les points 2 et 3, le carbone en excès dans l'austénite est précipité sous forme de graphite libre et non sous forme de cémentite. Au point 3, la réaction eutectoïde se produit. Cela s'exprime comme suit :

Image

Le mécanisme de transformation eutectoïde doit transformer une seule phase solide en deux autres, toutes deux de compositions différentes de l'original.

Si l'on prend l'exemple de la décomposition eutectoïde du fer, l'austénite contenant 0,8% de C se transforme en ferrite (fer ne contenant presque pas de carbone) et en cémentite (Fe3C, contenant 25 at% de carbone). Par conséquent, les atomes de carbone doivent diffuser ensemble pour former Fe3C, laissant de la ferrite. Des noyaux de petites plaques de ferrite et de cémentite se forment aux joints de grains de l'austénite, et la diffusion du carbone a lieu à une échelle très locale juste en avant de l'interface (schéma ci-dessous).

Ainsi les plaques grossissent, consommant l'austénite au fur et à mesure, pour former de la perlite. Le processus de graphitisation est contrôlé en faisant varier la vitesse de refroidissement et en alliant correctement la matrice métallique.

Termes utilisés dans le diagramme d'équilibre fer-carbone

Point eutectique

Le point eutectoïde de tout métal est la température la plus basse à laquelle des changements se produisent dans une solution solide.

Des réactions eutectiques se produisent à ces points, où une phase liquide gèle en un mélange de deux phases solides. Cela se produit lorsqu'un alliage liquide de composition eutectique est refroidi jusqu'à sa température eutectique.

Les alliages eutectiques sont les alliages qui se forment à ce stade. Les alliages sur les côtés gauche et droit de ce point sont appelés alliages hypoeutectiques et alliages hypereutectiques ("hypo" en grec signifie inférieur à, "hyper" signifie supérieur à).

Austénite

Austénite, solution solide de carbone et d'autres constituants dans une forme particulière de fer appelée fer γ (gamma).

Cette phase est une solution solide de carbone dans du FCC Fe avec une solubilité maximale de 2,14 % C. Lors d'un chauffage supplémentaire, elle se transforme en ferrite BCC à 1395 °C. La γ-austénite est instable à des températures inférieures à la température eutectique (727 °C) à moins d'être refroidie rapidement.

Fer alpha ou ferrite

Existant à basse température et à faible teneur en carbone, l'α-ferrite est une solution solide de carbone dans du BCC Fe. Cette phase est stable à température ambiante. Dans le graphique, il peut être vu comme un ruban sur le bord gauche avec l'axe Y sur le côté gauche et A2 sur la droite. Cette phase est magnétique en dessous de 768°C.

Il a une teneur maximale en carbone de 0,022 % et il se transformera en γ-austénite à 912 °C, comme indiqué sur le graphique.

Cementite

La cémentite, phase métastable de cet alliage à composition fixe en Fe3C, est une phase métastable de cet alliage. A température ambiante, il se décompose extrêmement lentement en fer et en carbone (graphite).

Ce temps de décomposition est long, et il prendra beaucoup plus de temps que la durée de vie de l'application à température ambiante. D'autres facteurs, tels que des températures élevées et l'ajout de certains éléments d'alliage, peuvent influencer cette décomposition en favorisant la formation de graphite.

La cémentite est dure et cassante, ce qui la rend idéale pour les armatures en acier. Ses propriétés mécaniques sont déterminées par sa microstructure, elle-même déterminée par son mélange avec la ferrite.

Nous avons essayé de couvrir tous les termes liés au diagramme de phase fer-carbone, y compris les différentes phases et les termes utilisés pour mieux comprendre. J'espère que vous avez aimé cet article sur le diagramme d'équilibre fer-carbone . Veuillez donner votre avis dans le commentaire ci-dessous.