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PARTIE B TRAITEMENTS THERMIQUES DES METAUX CHAPITRE IV DIAGRAMME D’EQUILIBRE DE

PARTIE B TRAITEMENTS THERMIQUES DES METAUX CHAPITRE IV DIAGRAMME D’EQUILIBRE DES ALLIAGES FER-CARBONE Le fer est un métal de numéro atomique ZFe = 2 6 e t d e m a s s e v o l u m i q u f o n d à 1 5 2 8 ° C . S a r é s i s t a n c e à l a r u p t u r e e très ductile. Ces caractéristiques sont celles du fer chimiquement pur, produit au laboratoire, et n ’ a p r a t i q u e m e n t aucune application industrielle. I- Structures cristallines et formes allotropiques Le fer cristallise comme beaucoup de métaux dans le système cubique. Il présente plusieurs variétés allotropiques. En chimie, ou, plus largement, en Science des Matériaux, le terme « allotropie » désigne la propriété que possèdent certains corps (éléments ou composés) de se p r é s e n t e r s o u s d i f f é r e n t e s v a r i é t é s ( g é n é r a l peuvent avoir des formes physiques, des arrangements atomiques ou moléculaires (types de liaisons, structure cristalline), des densités... différentes. Toutefois, elles possèdent des propriétés chimiques très proches. Les variétés du fer sont : - Le fer α, stable de la température ambiante à 906°C, cristallise dans le système cubique centré (paramètre de maille = 2,87 Å). - Le fer γ, stable entre 906 et 1401°C, dont la maille est cubique à faces centrées (paramètre de maille = 3,63 Å). - Le fer δ, stable au-delà de1401°C, qui reprend la structure cubique centrée mais avec un paramètre de maille de 2,93 Å). E n r é s u m é , l e s t r a n s f o r m a t i o n s s u b i e s p a r l e fer α ֞ fer γ ֞ fer δ c.c. 906°C c.f.c. 1401°C c.c Les alliages résultant de la combinaison du fer et du carbone sont les aciers et les fontes. Ces produits ont de nombreuses applications industrielles et font partie des matériaux les plus utilisés p a r l ’ h o m m e . C e q u i j u s t i f i e l ’ é t u d e d u d i a g fer-carbone. II- Solutions solides fer-carbone S i o n s ’ i n t é r e s s e à l a d i s s o l u t i o n d u c a r b o n s o l u t i o n s s o l i d e s d e d i f f é r e n t e s n a t u r e s s e l différentes variétés allotropiques : α, γ et δ : - Le fer α ne d i s s o u t q u e 0 , 0 2 % e n m a s s e d e c a r b o n e carbone dans le fer α est appelée ferrite α. Elle a une structure cubique centrée. - Le fer γ, peut dissoudre beaucoup plus de carbone : 1,7% en masse à 1148°C. La solution solide d ’ i n s e r t i o n d u c a r b o n e , d e s t r u c t u r e c u b i q u e austénite. - Le fer δ, ne dissout au maximum que 0,09% en masse de carbone à 1495°C, donnant une s o l u t i o n d ’ i n s e r t i o n d e s t r u c t u r e c u b i q u e c e ferrite δ. III- Diagramme simplifié Fer-Carbone 1- Le diagramme simplifié Les aciers, les fontes blanches et les fontes grises sont des alliages fer-carbone. La teneur en carbone des aciers et fontes blanches varie de 0 à 1,7% et de 1,7 à 6,7% pour les fontes grises. Ces produits ont une grande application en industrie. Le diagramme simplifié fer-carbone est représenté sur la figure 1. Figure 1 : Diagramme fer – carbone ou fer – cémentite On constate que : - Ce diagramme ne comporte pas le domaine de la solution solide ferrite δ, qui existe à très h a u t e t e m p é r a t u r e e t q u i d ’ u n p o i n t d e v u e - La zone étudiée du diagramme est très étroite se limitant à une fraction massique de 6,67% d e c a r b o n e . L e s p r o d u i t s o b t e n u s p o u r d e s f ucun intérêt technologique. 2- Description et interprétation du diagramme a- Les lignes du diagramme : - Le liquidus simplifié est formé de deux branches AE et EC. - Le solidus s i m p l i f i é e s t f o r m é d e s s e g m e n t s A B , - Les lignes de transformation s o n t l e s b r a n c h e s o b l i q u e s Q S , eutectoïde PSR - Le diagramme est limité vers les hautes teneurs en carbone, par la verticale CDR qui c o r r e s p o n d à 6 , 6 7 % d e c a r b o n e . C ’ e s t u n composé défini, la cémentite, de formule Fe3C. Vérification : % massique de C dans Fe3C = ࢓ࢇ࢙࢙ࢋ ࡯ ࢓ࢇ࢙࢙ࢋ ࢚࢕࢚ࢇ࢒ࢋ et masses molaires MC = 12 et MFe = 56 g/mol, Soit : % massique de C = ெ ஼ ெ ஼ ା ଷ ெி௘ soit, ଵଶ ଵଶ ା ଷ ௑ ହ଺ = 0,0667 soit 0,67% en masse de C. b- Les phases : L e d i a g r a m m e m e t e n é v i d e n c e l ’ e x i s t e n c e d e équilibre dans les différents domaines sont : - Domaine ABE : austénite + liquide - Domaine ECD : cémentite + liquide - Domaine ABSQ : austénite - Domaine BSDR : austénite + cémentite - Domaine QPS : austénite + ferrite - Domaine OPQ : ferrite - Domaine OPSR : cémentite + ferrite c- Les points eutectiques : (i)- Eutectique E (à 4,3% de carbone) C e t e u t e c t i q u e e s t f o r m é d e c é m e n t i t e D ( 6 , c a r b o n e ) . G r â c e à l ’ a p p l i c a t i o n d e la règle des moments, on peut calculer le rapport des m a s s e s d e c e s c o n s t i t u a n t s d a n s l ’ e u t e c t i q u ௠௔௦௦௘ ௖ ௠௘௡௧௜௧௘ ௠௔௦௦ ௘ ௔௨௦௧ ௡௜௧௘ = ஻ா ா஽ = ସ ǡ ଷ ି ଵ ǡ ଻ ଺ ǡ ଺଻ ି ସ ǡ ଷ = ଶ ǡ ଺ ଶ ǡ ଷ଻ = ହଶ ସ଼ Cet eutectique nommé lédéburite, est donc formé de 52% de cémentite et de 4 8 % d ’ a u s t é n i a réaction eutectique est toujours un équilibre du type : liquide ֞ͳ൅ . Ausi, dans notre cas la réaction le long du palier eutectique BED est : liquide ֞ austénite (sol.) + cémentite (sol.) (ï)- Eutectoïde S (à 0,85% de carbone). Cet eutectoïde est formé de cémentite R (6,67% de c a r b o n e ) e t d e f e r r i t e P ( 1 , 7 % d e c a r b o n e ) . G la règle des moments, on peut c a l c u l e r l e r a p p o r t d e s m a s s e s d e c e s c o n s t i ௠௔௦௦௘ ௙௘௥௥௜௧௘ ௠௔௦௦௘ ௖ ௠௘௡௧௜ ௧௘ = ோௌ ௌ௉ = ଺ ǡ ଺଻ ି ଴ ǡ ଼ହ ଴ ǡ ଼ହ ି uploads/Finance/ partie-b-pr-moussa.pdf