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PLAN DE LA LEÇON N°4 Cours : Science des matériaux Titre de la leçon : DIAGRAMM

PLAN DE LA LEÇON N°4 Cours : Science des matériaux Titre de la leçon : DIAGRAMMES D'EQUILIBRE FER-CARBONE Profit: Maintenance Industrielle Programme : 1ére semestre OBJECTIF GENERAL : Comprendre et savoir utiliser le diagramme FER-CARBONE. OBJECTIFS SPECIFIQUES : A la fin de cette leçon l’étudiant devrait être capable de : Définir les types de diagrammes fer -carbone; Déterminer les fractions massiques et les compositions de phases présentes dans le cas : d’un acier. d’une fonte Présenter une étude de refroidissement d'un alliage fer carbone . PREALABLES SUPPOSES CONNUS : L’étudiant est supposé connaître : Notions élémentaires de mathématiques. Notions élémentaires de chimie. Diagrammes de phases binaires MATERIEL DIDACTIQUE UTILISE : Tableau . Transparents + rétroprejecteur + védeoprojecteur (logiciel « Materiaux »). Polycopie . CRITERES D'EVALUATION : L'étudiant sera jugé en lui demandant de(d’) : Répondre convenablement aux applications que contient ce chapitre. ISET de KAIROUAN - 59 - Hechmi CHERMITI CONTENU DE LA LEÇON I. Introduction II. Propriétés du fer pur III. Alliages ferreux IV. Diagrammes fer - carbone IV.1diagramme métastable Fe – Fe3C IV.2 Hystérésis des transformations IV.3 Austénitisation IV.4 Les aciers Acier eutectoïde Acier hypœutectoïde Acier hypereutectoïde IV.5 Les fontes V. Evaluation ISET de KAIROUAN - 61 - Hechmi CHERMITI ISET de KAIROUAN - 62 - Hechmi CHERMITI Diagramme d’équilibre fer – carbone I. INTRODUCTION : Depuis la fin du 19iéme siècle (naissance et promotion de l’industrie lourde), les matériaux métalliques les plus utilisés en construction mécanique sont les aciers. Ce sont les matériaux de base des pays industrialisés. Ceci est dû à plusieurs facteurs; d'abord l'abondance du fer (élément principal constituant l'acier) sur notre planète, ensuite la diversité des propriétés qu'ils peuvent avoir suivant les éléments d'alliage qu'on y ajoute ou les traitements qu'ils subissent. Cette diversité élargit considérablement l'éventail des utilisations des aciers. C'est pour cette raison qu'en métallurgie, on commence toujours par l'étude des aciers qui sont définis comme étant des alliages à base de fer contenant moins de 2% en carbone. Leur étude commence donc par la connaissance du diagramme d'équilibre qui leur est associé: le diagramme Fer - Carbone. II. PROPRIÉTÉS DU FER PUR 1- Le fer pur existe sous 2 formes allotropiques: - Ferrite : fer α θ <910°c, réseau C.C (0,02%C max à 723°c) - Austénite : fer γ 910°c< θ <1394°c, réseau C.F.C (2,1%C max à 1147°c) - Ferrite : fer δ 1394°c< θ <1535°c, réseau C.C (0,01%C max à 1495°c) 2- La température de fusion du fer est : θ f =1538°C 3- Le point Curie: θ = 768°C; à cette température, le fer perd ses propriétés magnétiques. Il passe de l'état ferromagnétique à l'état paramagnétique vers les hautes températures. 4- Densité du fer (20°C): d = 7,87 (celle de T i=4,53 et de Al=2,69) 5- Propriétés mécaniques du fer pur: - Rm(charge à la rupture) : 18 à 30 daN/mm2 - Re(limite d'élasticité) : 10 à 17 daN/mm2 - HB (dureté Brinell) : 45 - 55 - A % (allongement) : 40 - 50 III. ALLIAGES FERREUX : La mise en solution d'éléments dans le fer, modifie la position des points de température A3 (910°C) et A4 (1394°C). Voir schéma ci dessous. On appelle alphagène (α gène), tout éléments chimiques pouvant stabiliser la phase α ou δ (CC) ; Exemple : Si, Cr, Mo,.... On appelle gammagène (γ gène), tout éléments chimiques pouvant stabiliser la phase γ (CFC) ; Exemple : Ni, Mn, C, Eléments α gènes Eléments γ gènes. IV. LE DIAGRAMME FER – CARBONE : Le diagramme Fe-C est une carte qui peut être utilisée pour suivre les séquences de solidification des alliages Fe-C et pour savoir ce qui se passe au cours de certains types de traitements thermiques. Ce diagramme peut être considéré comme un guide, cependant la plupart des aciers contiennent, en plus du carbone, d'autres éléments d'alliage qui modifient la position de certaines courbes. Par ailleurs, le diagramme Fe-C ne peut être utilisé que dans les conditions d'équilibre (refroidissement à vitesse très faible). Or plusieurs traitements thermiques se font dans des conditions hors d'équilibre. Pour les alliages Fe-C, on distingue 2 types de diagramme: le diagramme métastable Fe- Fe3C et le diagramme stable Fe-C graphite. Le graphite est une forme du carbone plus stable que Fe3C. Fe3C peut se décomposer en graphite. Cependant ce phénomène n'a jamais lieu dans les aciers. Il a, par contre, lieu dans les fontes. C'est pour cette raison que pour les aciers, c'est le diagramme Fe-Fe3C qui est exclusivement utilisé, alors que la technologie des fontes est beaucoup plus basée sur le diagramme Fe –C graphite. Cémentite : Fe3C (6,68%C) ISET de KAIROUAN - 63 - Hechmi CHERMITI 1. Diagramme métastable Fe-Fe3C : Le diagramme comprend 3 paliers caractéristiques qui correspondent à 3 types de transformation: • Transformation péritectique : (0,17%C, 1495°c) : ) C % 17 , 0 ( ) C % 53 , 0 ( ) C % 09 , 0 ( γ ⇒ liquide + α • Transformation eutectique : (4,3%C, 1147°c) : ) C % 68 , 6 ( 3 ) C % 1 , 2 ( ) C % 3 , 4 ( C Fe + γ ⇒ liquide • Transformation eutectoïde : (0,8%C, 723°c) : ) C % 68 , 6 ( 3 ) C % 02 , 0 ( ) C % 8 , 0 ( C Fe + α ⇒ γ On distingue aussi 5 phases différentes (5 domaines monophasés): - La phase liquide vers les hautes températures. ISET de KAIROUAN - 64 - Hechmi CHERMITI - La phase solide δ qui est une solution solide d’insertion du carbone dans le ferδ, cette phase est appelée ferriteδ. La solubilité maximale du carbone dans cette phase est de 0,1% et correspond à la température θ=1495°C. Comme le fer, la ferrite δ est cubique centrée (C.C.). - La phase solide γ qui est une solution solide du carbone dans le ferγ, elle est dite austéniteγ. La solubilité maximale du carbone dans cette phase est de 2,11% à θ=1148°C. Comme le ferγ, l'austénite est C.F.C. - La phase solide α qui est une solution solide d’insertion du carbone dans le fer α, elle est dite ferrite α. La solubilité maximale du carbone dans cette phase est de 0,0218 à θ=727°C. Comme le fer α, la ferrite α est C.C. - Le composé défini Fe3C, dit cémentite dont la composition en carbone est de 6,68%. La structure cristallographique de Fe3C est orthorhombique. 2. Hystérésis des transformations, austénitisation. 2.1 Hystérésis des transformations Le diagramme Fer - cémentite ne peut être obtenu qu'on faisant appel à des conditions opératoires soignés à savoir Echantillons de petites dimensions. Atmosphère neutre. Chauffage et refroidissement extrêmement lents. Dans l'industrie, ces conditions ne sont jamais satisfaites du fait des tonnages importants traités et des hétérogénéités inévitables. De plus les vitesses de refroidissement et de chauffage, ne sont pas suffisamment lentes pour permettre, à chaque instant, d'obtenir un état d'équilibre ; De ce fait on note un retard de transformation qu'on l'appelle hystérésis. Au chauffage. Au refroidissement. La réaction (perlite γ ) ne se produit pas à A1 (723°C), mais à une température supérieure appelée Ac1 La fin de la transformation (α+γ γ) se produit à une température AC3 supérieure à A3. La transformation (γ perlite) s'effectue en Ar1supérieure à A1. La transformation (γ γ+α ) se situe à une température inférieure à A3 noté Ar3. ISET de KAIROUAN - 65 - Hechmi CHERMITI Hystérésis de transformation. 2.1 Austénitisation L'austénitisation est l'opération qui consiste à mettre à l'état austénitique un acier, par conséquent c'est un chauffage à une température dite d'austénitisation ; Cette opération est une condition nécessaire dans les traitements thermiques. Comme l'indique la figure ci dessus et selon le pourcentage de carbone dans l'acier, on distingue les cas suivants ISET de KAIROUAN - 66 - Hechmi CHERMITI Nous allons nous intéresser à la partie du diagramme qui correspond aux Aciers: %C<1,4, Fontes 2<%C<5 3. Les aciers : Les aciers sont des alliages Fer-Carbone qui contiennent moins de 2% en masse de carbone. Deux types de transformation entrent en jeu: la solidification (transformation liquide -solide) et la transformation en phase solide. ISET de KAIROUAN - 67 - Hechmi CHERMITI a. Transformation Liquide- Solide : Elle concerne la partie supérieure du diagramme qui présente un palier péritectique; 3 cas se présentent: Cas 1: Au cours de la transformation péritectique, c'est le liquide qui disparaît: γ ⇒ δ + Liquide Cas 2: La fin de la transformation est marquée par la disparition des 2 phases L etδ. γ ⇒ δ + Liquide Cas 3: C'est δ qui disparaît à la fin de la transformation péritectique. γ ⇒ δ + Liquide 1 2 3 b. Transformation Solide- Solide : Ce sont des transformations très importantes à connaître étant donné que tous les traitements (chauffage suivi d’un refroidissement contrôlé) effectués sur les pièces métalliques après élaboration se font à l'état solide. La partie du diagramme uploads/Ingenierie_Lourd/ 1-fe-fe3c.pdf