Comprendre le diagramme de phases Fer-Carbone : clés pour la métallurgie

Les diagrammes de phases sont outils essentiels en étude alliages pour résoudre problèmes pratiques métallurgie. Ils définissent régions stabilité phases existant dans système allié sous pression atmosphérique constante. Système binaire : coordonnées = température et composition. Interrelations phases, température, composition présentées par diagramme phases uniquement conditions équilibre (chauffage/refroidissement lents, cinétiques transformations négligeables).

Forme la plus simple : fer et aciers = alliages fer (Fe) + carbone (C). Trois types alliages ferreux : (i) fer < 0,0008 % C température ambiante, (ii) aciers 0,008–2,14 % C (généralement < 1 %) microstructure ferrite + cémentite, (iii) fontes 2,14–6,7 % C (généralement < 4,5 %). Étude constitution/structure fer/aciers commence par diagramme Fe-C (figure 1). Base compréhension traitements thermiques.

Figure 1 : Diagramme de phases fer-carbone

Nombreux traits fondamentaux système Fe-C influencent comportement même alliages fer/aciers complexes. Ex : phases système binaire Fe-C persistent aciers complexes, mais examiner effets éléments alliage sur formation/propriétés phases nécessaire. Diagramme Fe-C = fondement précieux pour connaissances aciers au carbone et alliés.

C = impureté interstitielle Fe. Forme solution solide avec phases alpha, gamma, delta fer. Solubilité max C fer alpha = 0,025 % à 727 °C. Fer cubique centré (CC) = positions interstitielles petites. Solubilité max C fer gamma cubique face centrée (CFC) = 2,14 % à 1148 °C. Fer CFC = positions interstitielles plus grandes. Propriétés mécaniques alliages Fe-C dépendent microstructure (mélange phases).

Diagramme Fe-C figure 2 montre en fait deux diagrammes : (i) stable fer-graphite (lignes rouges), (ii) métastable Fe-Fe₃C. Cémentite = métastable, équilibre vrai = fer-graphite (C). Graphite fréquent fontes, mais difficile obtenir phase équilibre aciers. Condition stable = très long temps développement, surtout basses températures/teneurs C. Donc diagramme équilibre normalement utilisé = métastable Fe-Fe₃C (pertinent comportement plupart aciers pratique).

Détails diagrammes stable/métastable système Fe-C, côté Fe-riche, mieux connus que tout autre système binaire complexité similaire. Cependant zones substantielles pas bien établies : gammes température/composition/pression non directement liées sidérurgie.

Figure 2 : Diagramme fer-carbone phases stable et métastable

Phases et microconstituants métallurgiques importants

Système Fe-Fe₃C : C impureté interstitielle Fe. Solution solide avec alpha (ferrite α), gamma (austénite), delta (ferrite δ). Phases importantes diagramme Fe-Fe₃C. Entre champs monophasés : régions mélanges deux phases : ferrite+cémentite, austénite+cémentite, ferrite+austénite. Températures max : champ phase liquide ; en dessous : champs biphasés liquide+austénite, liquide+cémentite, liquide+ferrite. Traitements thermiques aciers : phase liquide toujours évitée. Point eutectique (4,26 % C) : alliage liquide refroidi → directement austénite + cémentite sans champ biphasé. Point eutectoïde (0,76 % C) : austénite refroidie → directement ferrite + cémentite sans champ biphasé. Frontières importantes champs monophasés ont noms spéciaux facilitant compréhension.

Phases principales fer/aciers équilibre

• Ferrite ou fer-α : forme stable fer température ambiante. Phase basse température relativement douce, phase équilibre stable. Transformation fer CFC austénite (γ) à 910 °C. Ferrite constituant commun aciers, structure CC moins dense que CFC. Douce, assez ductile. Magnétique < 768 °C. Faible résistance, bonne ténacité.
• Austénite ou fer-γ : phase haute température. Solution solide C dans fer CFC → structure CFC compacte. Non magnétique, ductile. Transformation ferrite δ CC à 1394 °C. Instable < température eutectoïde (727 °C) sauf refroidissement rapide. Bonne résistance et ténacité.
• Ferrite δ : solution solide C fer CC. Stable seulement > 1394 °C. Fusion 1538 °C. Propriétés paramagnétiques.
• Cémentite (Fe₃C) : carbure fer. Composé inter-métallique Fe-C. Structure orthorhombique complexe, phase métastable. Dur, cassant. Faible résistance traction, bonne résistance compression, faible ténacité. Se décompose (très lentement, années) → ferrite α + C (graphite) 650–700 °C.

Comparaison austénite/ferrite : solubilité C plus grande austénite (max 2,14 % à 1148 °C). Haute solubilité C austénite = cruciale traitement thermique : traitement solution austénite + trempe rapide → solution solide sursaturée C dans fer. Ferrite limitée max 0,025 % C à 727 °C. Gamme C aciers courants 0,05–1,5 % → ferrite normalement associée cémentite. Phase δ très restreinte 1394–1538 °C ; disparaît complètement à 0,5 % C.

Alliage composition eutectoïde (0,76 % C) refroidi lentement → perlite, structure lamellaire deux phases : ferrite-α + cémentite. Perlite = mélange phases ferrite-cémentite. Aspect caractéristique, entité microstructurale/microconstituant. Agrégat lames alternées ferrite/cémentite dégénère (sphéroïdisation/grossissement) → particules cémentite dispersées matrice ferrite après maintien prolongé < 727 °C. Eutectoïde, structure CC. Solution partielle Fe-C. Mécaniquement : propriétés intermédiaires ferrite douce/ductile et cémentite dure/cassante. Haute résistance, faible ténacité.

Alliages hypoeutectoïdes : ferrite proeutectoïde (formée > température eutectoïde) + perlite eutectoïde (ferrite eutectoïde + cémentite). Alliages hypereutectoïdes : cémentite proeutectoïde (> température eutectoïde) + perlite (ferrite eutectoïde + cémentite).

Microstructures solidification non-équilibre

• Bainite : phase entre perlite et martensite. Microconstituant métastable dur, mélange non lamellaire ferrite+cémentite échelle extrêmement fine. Bainite supérieure : temp. plus hautes, aspect plumeux. Bainite inférieure : temp. plus basses, aspect aciculaire. Dureté augmente température formation décroissante. Bonne résistance et ténacité.
• Martensite : structure cristalline acier très dure. Nommée d'après Adolf Martens (métallurgiste allemand). Formée refroidissement rapide, dure, cassante. Fer cubique tétragonal centré (CCT) avec C dissous. Formée trempe : réseau CFC austénite distordu en CCT sans perte atomes C vers cémentite/ferrite. Solution sursaturée atomes C ferrite. Phase métastable dure. Morphologie lames C < 0,6 %, plaques C > 1 %, mélange entre. Haute résistance/dureté, faible ténacité.
• Sorbite/Troostite : structures stade perlite inférieure flocons très fins. Structures transformation stade perlite correspondant taux refroidissement croissants. Modifie rapport structure et formation perlite (distance flocons). Non visible microscope optique.
• Ferrite Widmanstätten : acier carbone hypoeutectoïde refroidi rapidement depuis température > A3. Refroidissement rapide → peu temps nucléation cristaux ferrite non seulement joints grains mais aussi داخل gros grains austénite. Croissent rapidement directions cristallographiques préférentielles à l'intérieur grain → allongeants. Structure aiguilles (lames) ou plaques alignées même direction dans un grain.

Températures et points critiques diagramme Fe-C

Nombreuses températures/points critiques importants (base et pratique). Températures où transformations phases et magnétiques surviennent refroidissement/chauffage. Températures transformations état solide = températures critiques ou points critiques. Principaux :

• Température A₀ : Température Curie changement magnétique/non-magnétique cémentite chauffage. Structure peut développer défauts (dislocations, lacunes, vides). Cémentite métallique ferromagnétique, Curie ~210 °C. Alliée : solutés métalliques substituent sites fer ; atomes plus petits (bore) remplacent C sites interstitiels.
• Température A₁ : 727 °C, transformation eutectoïde. Perlite ↔ austénite chauffage/refroidissement.
• Température A₂ : Curie ferrite (768 °C), ferromagnétique → paramagnétique chauffage. Pas changement microstructure.
• Température A₃ : Température début formation ferrite depuis austénite refroidissement acier hypoeutectoïde ou dernières traces ferrite libre → austénite chauffage. Correspond frontière γ+α/γ acier hypoeutectoïde, fonction teneur C : décroît 910 °C (0 % C) à 727 °C (0,76 % C). Aussi température critique supérieure aciers hypoeutectoïdes. Intervalle A₁–A₃ = domaine critique où austénite équilibre ferrite.
• Température Acm : Acier hypereutectoïde : température début formation cémentite proeutectoïde (refroidissement) depuis austénite. Frontière γ/γ+Fe₃C, fonction C. Ligne Acm : solubilité solide C austénite chute rapidement max 2,14 % (1148 °C) → 0,76 % (727 °C) par stabilité accrue cémentite basses températures. C excédent précipite austénite comme cémentite proeutectoïde aciers hypereutectoïdes (aussi cémentite secondaire fontes). Séparation cémentite austénite (refroidissement) accompagnée dégagement chaleur.
• Température A₄ : Transformation austénite → fer δ. Valeur minimale 1394 °C (fer pur). Augmente avec % C.
• Température Ms : Début transformation austénite → martensite refroidissement.
• Température Mf : Fin formation martensite refroidissement. Tous changements (sauf martensite) surviennent températures plus basses refroidissement que chauffage, dépendent vitesse changement température.

Transformations austénite-ferrite et austénite-cémentite

Transformation austénite-ferrite (équilibre) : ferrite proeutectoïde formée alliages Fe-C jusqu'à 0,76 % C. Réaction 910 °C fer pur, mais 910–727 °C alliages Fe-C. Trempe depuis état austénitique vers températures < eutectoïde → ferrite possible jusqu'à 600 °C. Changements morphologiques prononcés température transformation abaissée (s'appliquent généralement hypoeutectoïdes/hypereutectoïdes, variations cristallographie précise). Ex : mêmes principes formation cémentite depuis austénite, mais distinction ferrite/cémentite morphologique aisée.

Transformation austénite-cémentite : morphologies cémentite différentes températures transformation décroissantes. Développement initial allotriomorphes joints grains similaire ferrite ; croissance plaques latérales Widmanstätten cémentite même patron. Allotriomorphe = forme ne reflétant pas symétrie cristalline interne (nucléation surfaces grains austénite → couches suivant contours joints grains). Plaques cémentite plus rigoureusement cristallographiques, malgré relation orientation austénite plus complexe. Comme ferrite, plupart plaques latérales proviennent allotriomorphes joints grains, mais réaction cémentite : plus plaques nucléées joints macles austénite.

Réaction austénite-perlite

Perlite = microstructure la plus familière diagramme Fe-C. Découverte Sorby il y a > siècle, correctement supposée mélange lamellaire fer + carbure fer. Constituant commun grande variété aciers, contribution substantielle résistance. Structures eutectoïdes lamellaires ce type répandues métallurgie aciers. Points communs réactions précipitation cellulaire. Les deux : nucléation + croissance → contrôlées diffusion. Noyaux perlite joints grains austénite, mais aussi associés ferrite/cémentite proeutectoïdes. Aciers commerciaux : nodules perlite peuvent nucléer sur inclusions.