Diagramme de Phases Fer-Carbone Expliqué : Clés pour l'Acier et la Fonte

Diagramme de Phases Fer-Carbone

Le diagramme de phases fer-carbone est largement utilisé pour comprendre les différentes phases de l'acier et de la fonte. L'acier et la fonte sont tous deux un mélange de fer et de carbone. De plus, les deux alliages contiennent un petit nombre d'éléments en traces.

Le graphique est assez complexe mais puisque nous limitons notre exploration à Fe3C, nous nous concentrerons seulement jusqu'à 6,67 pour cent en poids de carbone.

Ce diagramme de phases fer-carbone est tracé avec les concentrations de carbone en poids sur l'axe X et l'échelle de température sur l'axe Y.

La figure montre le diagramme d'équilibre Fe-C dans lequel diverses structures (obtenues pendant le chauffage et le refroidissement), phases, et constituants microscopiques de divers types d'acier et de fonte sont dépeints. Les structures principales, la signification des diverses lignes et points critiques sont discutés comme suit.

Structures dans le Diagramme Fe-C

Les principaux constituants microscopiques du fer et de l'acier sont les suivants :

• Austénite
• Ferrite
• Cémentite
• Perlite

1. Austénite

L'austénite est une solution solide de carbone libre (ferrite) et de fer dans le fer gamma. En chauffant l'acier, après la température critique supérieure, la formation de la structure se complète en austénite qui est dure, ductile et non magnétique.

Elle est capable de dissoudre une grande quantité de carbone. Elle se trouve entre les plages critiques ou de transfert pendant le chauffage et le refroidissement de l'acier. Elle se forme quand l'acier contient du carbone jusqu'à 1,8 % à 1130 °C. En refroidissant en dessous de 723 °C, elle commence à se transformer en perlite et ferrite. Les aciers austénitiques ne peuvent pas être durcis par les méthodes usuelles de traitement thermique et sont non magnétiques.

2. Ferrite

La ferrite contient très peu ou pas de carbone dans le fer. C'est le nom donné aux cristaux de fer pur qui sont mous et ductiles. Le refroidissement lent de l'acier à faible teneur en carbone en dessous de la température critique produit une structure de ferrite. La ferrite ne durcit pas quand elle est refroidie rapidement. Elle est très molle et hautement magnétique.

3. Cémentite

La cémentite est un composé chimique de carbone avec le fer et est connue comme carbure de fer (Fe3C). La fonte ayant 6,67 % de carbone possède la structure complète de cémentite. La cémentite libre est trouvée dans tous les aciers contenant plus de 0,83 % de carbone. Elle augmente avec l'augmentation du % de carbone comme reflété dans le diagramme d'équilibre Fe-C. Elle est extrêmement dure.

La dureté et la fragilité de la fonte sont censées être dues à la présence de cémentite. Elle diminue la résistance à la traction. Ceci est formé quand le carbone forme des combinaisons définies avec le fer sous forme de carbures de fer qui sont extrêmement durs par nature. La fragilité et la dureté de la fonte sont principalement contrôlées par la présence de cémentite en elle. Elle est magnétique en dessous de 200 °C.

4. Perlite

La perlite est un alliage eutectoïde de ferrite et de cémentite. Elle se produit particulièrement dans les aciers à carbone moyen et bas sous la forme d'un mélange mécanique de ferrite et de cémentite dans le ratio de 87:13. Sa dureté augmente avec la proportion de perlite dans le matériau ferreux.

La perlite est relativement forte, dure et ductile, tandis que la ferrite est faible, molle et ductile. Elle est construite de plaques alternées claires et sombres.

Ces couches sont alternativement ferrite et cémentite. Quand on la voit avec l'aide d'un microscope, la surface a une apparence comme une perle, d'où son nom perlite. Les aciers durs sont des mélanges de perlite et cémentite tandis que les aciers mous sont des mélanges de ferrite et perlite.

Alors que la teneur en carbone augmente au-delà de 0,2 % dans la température à laquelle la ferrite est d'abord rejetée de l'austénite chute jusqu'à ce que, à ou au-dessus de 0,8 % de carbone, aucune ferrite libre n'est rejetée de l'austénite. Cet acier est appelé acier eutectoïde, et c'est une structure de perlite en composition.

Alors que le fer ayant divers % de carbone (jusqu'à 6 %) est chauffé et refroidi, les phases suivantes représentant les lignes parleront de la structure du fer, comment elle change.

Signification des Lignes de Transformation

1. Ligne ABCD

La ligne ABCD indique qu'au-dessus de cette ligne la fusion a été complétée pendant le chauffage du fer. Le métal fondu est purement sous forme liquidus. En dessous de cette ligne et au-dessus de la ligne AHJECF, le métal est partiellement solide et partiellement liquide.

Le métal solide est connu comme austénite. Ainsi la ligne ABCD représente les températures auxquelles la fusion est considérée comme complétée. Au-delà de cette ligne, le métal est totalement à l'état fondu. Ce n'est pas une ligne horizontale, la température de fusion variera avec la teneur en carbone.

2. Ligne AHJECF

Cette ligne nous dit que le métal commence à fondre à cette température. Cette ligne n'est pas horizontale et donc les températures de fusion changeront avec la teneur en carbone. En dessous de cette ligne et au-dessus de la ligne GSEC, le métal est sous forme solide et a une structure d'austénite.

3. Ligne PSK

Cette ligne se produit près de 723 °C et est une ligne horizontale et est connue comme une ligne de température critique inférieure parce que la transformation de l'acier commence à cette ligne. Le % de carbone n'a pas d'effet sur elle, ce qui signifie que l'acier ayant différents % de carbone se transformera à la même température.

La plage au-dessus de la ligne jusqu'à GSE est connue comme la plage de transformation. Cette ligne nous dit que l'acier ayant du carbone jusqu'à 0,8 % jusqu'à 0,8 % commencera à se transformer de ferrite et perlite en austénite pendant le chauffage.

4. Ligne ECF

C'est une ligne à la température 1130 °C qui indique que pour la fonte ayant % de C de 2 % à 4,3 %. En dessous de cette ligne et au-dessus de la ligne SK, la fonte aura austénite + ledeburite et cémentite + ledeburite.

FAQ

Qu'est-ce que le diagramme fer-carbone ?

Le diagramme Fe-C (aussi appelé diagramme de phases fer-carbone ou diagramme d'équilibre) est une représentation graphique des états de microstructure respectifs de l'alliage fer-carbone (Fe-C) selon la température et la teneur en carbone. Pour expliquer ce diagramme, une introduction sur les structures métalliques et le fer pur doit être faite.

Comment lire un diagramme fer-carbone ?

Pourquoi le diagramme fer-carbone est-il appelé diagramme d'équilibre ?

Le carbure de fer est appelé la phase métastable. Par conséquent, le diagramme fer-carbure de fer, bien que techniquement représentant des conditions métastables, peut être considéré comme représentant des changements d'équilibre, sous des conditions de chauffage et refroidissement relativement lents.

Quelles sont les phases dans le diagramme de phases fer-carbone ?

Pour le diagramme de phases fer-carbone, les champs de phases d'intérêt sont la ferrite, la cémentite, l'austénite, ferrite + cémentite, ferrite + austénite, et austénite + cémentite.

Qu'est-ce que le diagramme d'équilibre du carbone ?

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

Quel est le pourcentage de carbone dans l'acier eutectoïde ?

L'acier contenant 0,8 % C est connu comme acier eutectoïde. La microstructure d'équilibre de l'acier eutectoïde obtenue à température ambiante est la perlite.

Qu'est-ce que l'acier doux ?

L'acier doux est un métal ferreux fait de fer et de carbone. C'est un matériau à bas prix avec des propriétés qui conviennent à la plupart des applications d'ingénierie générales. L'acier doux à faible teneur en carbone a de bonnes propriétés magnétiques en raison de sa haute teneur en fer ; il est donc défini comme étant « ferromagnétique ».

De quoi l'acier est-il fait ?

L'acier, alliage de fer et de carbone dans lequel la teneur en carbone varie jusqu'à 2 pour cent (avec une teneur en carbone plus élevée, le matériau est défini comme fonte). De loin le matériau le plus largement utilisé pour construire l'infrastructure et les industries du monde, il est utilisé pour fabriquer tout, des aiguilles à coudre aux pétroliers.

Quelle est la signification de la température a0 dans le diagramme fer-carbure de fer ?

La ligne A1 est la ligne de température eutectoïde et est la température la plus basse à laquelle le fer f.c.c. peut exister sous conditions d'équilibre. Juste au-dessus de la ligne A1, la microstructure consiste en environ 25 pour cent d'austénite et 75 pour cent de ferrite.

Qu'est-ce que la température critique dans le diagramme fer-carbone ?

Ainsi, c'est la température correspondant à la limite de phase gamma + alpha/gamma pour l'acier hypoeutectoïde et est une fonction de la teneur en carbone de l'acier, car elle diminue de 910 °C à 0 % C à 727 °C à 0,76 % C. Elle est aussi appelée la température critique supérieure des aciers hypoeutectoïdes.

Qu'est-ce que la température eutectoïde dans le diagramme fer-carbone ?

La réaction eutectoïde décrit la transformation de phase d'un solide en deux solides différents. Dans le système Fe-C, il y a un point eutectoïde à environ 0,8 % en poids C, 723 °C. La phase juste au-dessus de la température eutectoïde pour les aciers au carbone ordinaires est connue comme austénite ou gamma.

Quelle est l'importance du diagramme fer-carbone ?

Le diagramme de phases fer-carbone est largement utilisé pour comprendre les différentes phases de l'acier et de la fonte. L'acier et la fonte sont tous deux un mélange de fer et de carbone. De plus, les deux alliages contiennent une petite quantité d'éléments en traces.

Le carbone est-il un FCC ?

Le carbone est plus soluble dans la phase FCC, qui occupe la zone « γ » sur le diagramme de phases, qu'il ne l'est dans la phase BCC. Le pourcentage de carbone détermine le type d'alliage de fer qui est formé lors du refroidissement depuis la phase FCC, ou depuis le fer liquide : fer alpha, acier au carbone (perlite), ou fonte.

Comment savoir si c'est BCC ou FCC ?

La différence la plus directe entre les cristaux FCC et BCC est dans les arrangements atomiques. La structure cubique à faces centrées a un atome à toutes les 8 positions de coin, et au centre de toutes les 6 faces. La structure cubique à corps centré a un atome à toutes les 8 positions de coin, et un autre au centre du cube.

L'acier est-il BCC ou FCC ?

La phase alpha est appelée ferrite. La ferrite est un constituant commun dans les aciers et a une structure Cubique à Corps Centré (BCC) [qui est moins densément compactée que FCC].

Qu'est-ce que l'équilibre fer-carbone ?

Sous conditions d'équilibre, la ferrite proeutectoïde se formera dans les alliages fer-carbone contenant jusqu'à 0,8 % de carbone. La réaction se produit à 910 °C dans le fer pur, mais a lieu entre 910 °C et 723 °C dans les alliages fer-carbone.

Qu'est-ce que la perlite dans le diagramme fer-carbone ?

La perlite est le mélange eutectoïde de cémentite et de ferrite. Diagramme d'équilibre fer-carbone : Le diagramme de phases de Fe-Fe3C n'est pas un vrai équilibre parce que le carbure de fer est une phase instable qui après un traitement thermique prolongé se décompose en fer et carbone (la forme graphite).

Qu'est-ce que la ferrite dans le diagramme fer-carbone ?

La ferrite est connue comme solution solide α. C'est une solution solide interstitielle d'une petite quantité de carbone dissous dans α (BCC) fer. La solubilité maximale est 0,025 % C à 723 °C et elle ne dissout que 0,008 % C à température ambiante. C'est la structure la plus molle qui apparaît sur le diagramme.

Quelle est la phase de fer presque pur ?

Le fer pur (α-fer, ou « ferrite ») subit un changement de structure cristalline quand il est chauffé au-dessus de 910 °C, formant le γ-fer, ou « austénite ».

Pourquoi la ligne ACM est-elle plus raide que la ligne A3 ?

La ligne Acm est beaucoup plus raide que la ligne A3, ce qui, bien que cela signifie que la quantité de cémentite proeutectoïde dans les aciers commerciaux est très petite, signifie aussi qu'il faut chauffer à des températures trop élevées pour dissoudre cette cémentite pour une homogénéisation complète de l'austénite.