Diagramme fer-carbone expliqué : équilibre, utilisations et phases clés

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

Que sont les diagrammes de phases ?

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

La solidification des alliages métalliques est clairement comprise grâce aux diagrammes d'équilibre. Ce sont des représentations graphiques des changements d'état dus aux variations de température et de concentration. Comme ce diagramme indique la nature et la constitution des alliages, ainsi que la quantité et la composition des phases dans un système donné, on l'appelle aussi diagramme de constitution ou diagramme de phases.

Caractéristiques et utilisations du diagramme d'équilibre

L'équilibre implique que les changements survenant dans un système suite à un processus dans un sens sont pleinement compensés par les changements dus à l'inversion du processus. C'est une condition dynamique d'équilibre entre mouvements atomiques où le résultat est nul.

Les taux de variation de température ou de composition ont été extrêmement lents lors des travaux expérimentaux, de sorte que l'alliage « vienne au repos » avant qu'une variable comme la température ne soit à nouveau modifiée. La condition est donc de repos plutôt que de changement.

Le diagramme d'équilibre indique :

1. Température à laquelle l'alliage solide commence et finit de fondre.
2. Changements de phases possibles résultant de la modification de la composition ou de la température.

Que représente un diagramme d'équilibre ?

Le diagramme décrit les conditions appropriées pour que deux ou plusieurs phases coexistent en équilibre. Exemple : le diagramme de phases de l'eau décrit un point (point triple) où l'eau coexiste en trois phases à la fois. Cela se produit juste au-dessus de la température de congélation (0,01 °C) et à 0,006 atm.

Utilisations du diagramme d'équilibre en métallurgie

• Développement de nouveaux alliages selon les exigences d'application.
• Production de ces alliages.
• Développement et mise en œuvre de traitements thermiques appropriés pour améliorer les propriétés chimiques, physiques et mécaniques.
• Résolution des problèmes survenant lors de l'utilisation de ces alliages, améliorant la prévisibilité du produit.

Diagramme d'équilibre fer-carbone

Le diagramme d'équilibre fer-carbone (ou 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.

Il est couramment utilisé pour comprendre pleinement les diverses phases de l'acier et de la fonte. Les deux sont des alliages fer-carbone, contenant aussi des éléments traces en faibles quantités. Le graphique est complexe, mais en limitant notre étude à Fe₃C, nous ne regardons que jusqu'à 6,67 % en poids de carbone.

Types de diagramme d'équilibre fer-carbone

Le diagramme binaire fer-carbone est la base de l'acier et de la fonte. Il concerne les transformations dans les alliages de composition allant du fer pur à la cémentite (6,67 % carbone). Il existe deux versions :

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

Ces deux systèmes dépendent de la vitesse de refroidissement. Un refroidissement rapide produit de la cémentite → système fer-cémentite (méta-stable, les structures n'atteignent pas un équilibre complet). Un refroidissement lent produit du graphite → système fer-graphite (stable, structures atteignant un équilibre suffisant).

Types d'alliages ferreux sur le diagramme fer-carbone

L'échelle en % poids de carbone sur l'axe X va de 0 % à 6,67 %. Le métal est simplement appelé fer ou fer pur jusqu'à 0,008 % de carbone max. À température ambiante, il est à l'état ferrite.

L'acier est un alliage fer-carbone avec 0,008 % à 2,14 % de carbone. Dans cette gamme : acier à faible teneur en carbone (acier doux), acier à teneur moyenne, acier à haute teneur.

Au-delà de 2,14 % de carbone : fonte. Extrêmement dure mais sa fragilité limite sévèrement ses applications et méthodes de formage.

Système fer-cémentite

Si l'on trace des courbes temps-température de chauffage pour des aciers de différentes teneurs en carbone et qu'on reporte les points critiques correspondants, on obtient un diagramme similaire à la Fig. 2.14. Ce diagramme, valable seulement en refroidissement lent, est un diagramme de phases fer-carbone partiel. Il permet d'observer les températures de trempe convenables pour tout acier au carbone. Les points critiques sur la ligne PSK sont notés A₁, sur GS par A₃, et sur SE par Acm.

Diagramme d'équilibre fer-carbone avec explication

Austénite

Austénite : solution solide de carbone et autres éléments dans une forme particulière de fer, le fer γ (gamma). Exemple : acier 0,20 % C chauffé vers 850 °C. Au-dessus de Ar₃ (ligne GS), cet acier est une solution solide (interstitielle) de carbone dans le fer gamma, appelée austénite. Réseau cubique à faces centrées, non magnétique.

L'austénite pure peut contenir jusqu'à ~2 % de carbone à 1130 °C. En refroidissant, les atomes de fer forment un réseau cubique centré en dessous de Ar₃ (GS). Cette nouvelle structure est la ferrite ou fer α, solution solide de carbone dans le fer α contenant jusqu'à 0,008 % C à température ambiante.

En refroidissant jusqu'à Ar₁ (ligne PSK), de la ferrite additionnelle se forme. À la ligne Ar₁, l'austénite restante se transforme en perlite (éclat perlé). Structure en lames alternées de ferrite et cémentite, ~87 % ferrite. Perlite fine à grossière lamellaire ou granulaire. Substance solide, usinable correctement avec outils coupants.

Acier eutectoïde

Au-delà de 0,20 % C, la température de rejet de la ferrite depuis l'austénite baisse jusqu'à ~0,80 % C (point S) où aucune ferrite libre n'est rejetée. Cet acier est l'acier eutectoïde et est 100 % perlite.

Point eutectoïde

Qu'est-ce que le point eutectoïde ?

Le point eutectoïde est la température la plus basse à laquelle des changements surviennent dans une solution solide.

Si la teneur en carbone dépasse l'eutectoïde (0,8 % C), une nouvelle ligne apparaît sur le diagramme, notée Acm (ligne S). Elle indique la température à laquelle le carbure de fer est rejeté de l'austénite au lieu de la ferrite.

Le carbure de fer (Fe₃C) est la cémentite. Extrêmement dur, cassant, apparaît en lames parallèles (couches lamellaires), particules arrondies (sphéroïdes) ou enveloppes autour des grains de perlite. Au point C, le mélange eutectique à 4,3 % C est la lédébure. Rarement vue en refroidissement lent car instable, elle se décompose en autres phases lors du refroidissement après solidification.

Hypoeutectoïde et Hypereutectoïde

Aciers < 0,80 % C = hypoeutectoïdes ; > 0,8 % C = hypereutectoïdes. Terminologie valable pour aciers ordinaires et faiblement alliés. Avec aciers hautement alliés, la composition eutectoïde change et la structure peut ne pas exister.

Le diagramme d'équilibre normal représente l'équilibre méta-stable entre fer et carbure de fer (cémentite). La cémentite est méta-stable, le vrai équilibre devrait être entre fer et graphite. Bien que le graphite apparaisse beaucoup dans les fontes (2-4 % C), il est difficile d'obtenir cette phase d'équilibre dans les aciers (0,03-1,5 % C). L'équilibre méta-stable fer-cémentite est donc pertinent pour le comportement de la plupart des aciers en pratique.

Système fer-graphite

La cémentite (carbure de fer) est méta-stable, bien qu'elle persiste indéfiniment dans des conditions normales. Quand elle se décompose :

Fe₃C ⟶ 3Fe + C

Dans la phase stable, du carbone libre ou graphite apparaît au lieu de la cémentite. Avec un léger surrefroidissement, le graphite se forme lors de la solidification de la fonte à partir de l'état liquide. Le refroidissement lent favorise la graphitisation. Le refroidissement rapide la supprime partiellement ou totalement et mène à la formation de cémentite.

Un système fer-graphite (en pointillés) est montré Fig. 2.14. Illustration avec un alliage à 3,5 % C :

1. Point 1 : état liquide.
2. Point 2 sur la courbe de refroidissement : réaction exprimée par [équation].
3. Entre points 2 et 3 : l'excès de carbone dans l'austénite précipite en graphite libre, pas en cémentite.
4. Point 3 : réaction eutectoïde. [équation].

Le mécanisme de transformation eutectoïde doit transformer une phase solide unique en deux autres, toutes deux de compositions différentes de l'originale. Exemple : décomposition eutectoïde du fer, l'austénite à 0,8 % C se transforme en ferrite (fer quasi sans carbone) et cémentite (Fe₃C, 25 at% carbone). Les atomes de carbone doivent diffuser pour former Fe₃C, laissant la ferrite. Des noyaux de petites lames de ferrite et cémentite se forment aux joints de grains de l'austénite, la diffusion du carbone se fait à très locale juste devant l'interface. Les lames grandissent, consommant l'austénite, formant la perlite. La graphitisation est contrôlée en variant la vitesse de refroidissement et par alliage approprié de la matrice métallique.

Termes utilisés dans le diagramme fer-carbone

Point eutectique

Le point eutectoïde est la température la plus basse où des changements surviennent dans une solution solide. Les réactions eutectiques s'y produisent : une phase liquide gèle en un mélange de deux phases solides. Cela se produit quand un alliage liquide de composition eutectique est refroidi jusqu'à sa température eutectique. Les alliages formés à ce point sont les alliages eutectiques. Ceux à gauche et droite sont hypoeutectiques et hypereutectiques (hypo = moins que, hyper = plus que en grec).

Austénite

Solution solide de carbone et autres constituants dans le fer γ (gamma). Phase = solution solide de carbone dans Fe FCC avec solubilité max 2,14 % C. En chauffant davantage, se transforme en ferrite BCC à 1395 °C. γ-austénite instable sous température eutectique (727 °C) sauf refroidissement rapide.

Fer α ou Ferrite

Existant à basses températures et faible teneur en carbone, α-ferrite = solution solide de carbone dans Fe BCC. Phase stable à température ambiante. Sur le graphique : mince bande à gauche avec axe Y à gauche et A₂ à droite. Magnétique sous 768 °C. Teneur max en carbone 0,022 %, se transforme en γ-austénite à 912 °C.

Cémentite

Phase méta-stable de composition fixe Fe₃C. À température ambiante, se décompose extrêmement lentement en fer et carbone (graphite). Temps de décomposition très long, bien supérieur à la durée de vie d'application. D'autres facteurs (hautes températures, éléments d'alliage) peuvent influencer cette décomposition en favorisant la formation de graphite. La cémentite est dure et cassante, idéale pour renforcer l'acier. Ses propriétés mécaniques dépendent de sa microstructure, elle-même déterminée par son mélange avec la ferrite.

Nous avons couvert tous les termes liés au diagramme de phases fer-carbone, incluant les diverses phases et termes pour une meilleure compréhension. J'espère que cet article sur le diagramme d'équilibre fer-carbone vous a plu. Donnez votre avis en commentaire.