Points de transformation du fer Courbe d’analyse thermique simple

768 Fe α (CC)

Liquide

Fe δ (CC)

Fe γ (CFC)Paramagnétique

Ferromagnétique

Fe δ Fe γTransf. isotherme

Liq SolSolidification 1538

1394

Fe γ Fe αTransf.isotherme

θ °C

temps

912

Cette courbe θ(t) illustre le polymorphisme cristallin du fer.

Quelques propriétés du ferρ : masse volumique (à 20°C) = 7870 kg.m-3α : coefficient de dilatation =

12,6 à 16 10-6 K-1 pour le fer α (entre 100 et 600°C)23,4 10-6 K-1 pour le fer γ (entre 900 et 1100°C)

Qqs caractéristiques mécaniquesRm : résistance traction = 180-290 MPaRe : limite d’élasticité = 100-170 MPaE : module d’Young = 210 000 MPaA% : allongement à la rupture = 40-50%Z : coefficient de striction = 80-95%H : dureté = 45-55 HB

Influence des éléments d’alliage Eléments α-gènes et γ-gènes

α + γ

γ

α

A3

δ + γA4

T °C

δ

%C

γ

α

T °C

δ

%C

SiCrMoVWTiNbS

A4

δ + γ

A3α + γ

α + γ

γ

α

A3

δ + γA4

T °C

δ

%C

γ

α

T °C

%C

δ NiMnCN

A4δ + γ

A3α + γ

Stabilisation de la phase CC Stabilisation de la phase CFC

Système binaire fer - carboneDiagrammes d’équilibre thermodynamique

Diagramme d’équilibre métastable ou à cémentite

Diagramme d’équilibre stable ou à graphite

Système binaire fer - carboneLes phases (en quelques définitions)

Ferrite α : Solution solide d’insertion de carbone dans du fer de structure CC.Solubilité maximale en carbone : 0,02%.Dureté : 90 HV.Magnétique.

Ferrite δ : Solution solide d’insertion de carbone dans du fer de structure CC.Solubilité maximale en carbone : 0,1%.

Austénite γ : Solution solide d’insertion de carbone dans du fer de structure CFC.Solubilité maximale en carbone : 2,11%. Amagnétique.

Système binaire fer - carboneLes phases (en quelques définitions)

Cémentite : Carbure de fer Fe3C (structure orthorhombique).Carbure métastable qui a tendance à se décomposer en :

3 Fe + Cgr (graphitisation).Dureté : 800 HV.Teneur en carbone :

( ) ( ) massique%67,6100x12x156x312x1

atomique%25100x13

1

=+

=+

Carbone « pur » ou carbone graphite : Cgr.C’est la forme stable de la phase riche en carbone du système binaire fer - carbone. La solubilité du fer dans le carbone est nulle.

1 phase 1 phase ⇔⇔ 1 structure sauf pour la phase liquide.1 structure sauf pour la phase liquide.

perliteperlite

Domaine tri-phasé : 3 phases en présenceou équilibre isotherme entre 3 phases⇔ « horizontale » sur le diagramme ⇒

Système binaire fer - carboneLes domaines (en quelques définitions)

transformation eutectoïde ou perlitique

transformation avec diffusion

Domaine bi- ou di-phasé : 2 phases en présence ⇒Domaine mono-phasé : 1 seule phase présente ⇒ 5

7

3

Exemple, à 727°C : γ ↔ α + Fe3C

Système binaire fer - carboneDiagramme d’équilibre métastable

Transformation péritectiqueliq + δ ↔ γ

Transformation eutectiqueliq ↔ γ + Fe3C

Transformation eutectoïdeγ ↔ α + Fe3C

Système binaire fer - carboneDiagramme d’équilibre stable ou à graphite

Transformation péritectiqueliq + δ ↔ γ

Transformation eutectiqueliq ↔ γ + Cgr

Transformation eutectoïdeγ ↔ α + Cgr

Système binaire fer - carboneLes alliages de fer (en quelques définitions)

1 alliage 1 alliage ⇔⇔ 1 verticale sur le diagramme d1 verticale sur le diagramme d’é’équilibre.quilibre.

Acier non allié : Alliage de fer avec une teneur en carbone qui n’excède pas 2% (en pratique : 1,4%), dans lequel les teneurs enautres éléments sont inférieures à des limites fixées par la norme NF A 35-551.

On distingue les aciers hypoeutectoïdes (pas chers, facilement usinables et facilement trempant telle la nuance XC 55 des marteaux) et les aciers hypereutectoïdes (durs, cassants comme les aciers à matrice et les aciers à outils, mèches ou forets).

0,060,22O,020,210,020,0150,020,270,660,36

AlCuMoCrNiPSSiMnC

exemple : XC 38

Acier pour traitements thermiques

Système binaire fer - carboneLes alliages de fer (en quelques définitions)

Fonte : Alliage de fer avec une teneur en carbone supérieure à 2%.

On distingue les fontes à cémentite ou blanches (NF A 32-401) et les fontes à graphite ou grises. Dans les fontes grises, on note la présence de Si, élément graphitisant.

On distingue encore les fontes à graphite lamellaire (NF A 32-101 et 32-102 ⇒ ex : Ft25) et les fontes à graphite sphéroïdal (NF A 32-201 ⇒ ex : FGS 700-2). Dans les fontes à graphite sphéroïdal, on note la présence de Mg, élément modificateur du graphite.

2420700FGS 700-20,5 à 10,8 à 0,9 Rm250Ft 25

A%Re (MPa)Rm min (MPa)

Système binaire fer - carboneLes alliages de fer (en quelques définitions)

Acier non allié : pour la construction mécanique (NF A 35-501 ⇒ex : A 50-2).

Acier non allié : pour la construction métallique (NF A 35-501 ⇒ex : E 30).

Acier faiblement allié : acier dans lequel aucun des éléments d’alliages n’a une teneur supérieure à 5% (NF A 35-551 ⇒ ex : 35 CD 4 et NF A 35-590 ⇒ ex : 20 DN 34-13).

Acier fortement allié : acier dans lequel un au moins des éléments d’alliages a une teneur supérieure à 5% (NF A 35-581 ⇒ ex : Z 6 CNUD 15-04).

AusténitisationLa possibilité de traiter thermiquement un acier est soumise à une condition indispensable :

«« Avoir 100% d’austénite avant le refroidissementAvoir 100% d’austénite avant le refroidissement »».

C’est ce qu’on appelle l’austénitisation.

Paramètres d’austénitisation :Ta , la température d’austénitisation.ta , la durée ou le temps de maintien à haute température.

Bande d’austénitisation « classique »Ac3 + 50°C

Ac3

% C1 % C

θ °C

Ac1

S1

S’1 E’700

1000

α + Fe3 C

α + γ

γ + Fe3 C

γ

α

% C2

θ a1

θ a2

La température d’austénitisation est fonction du pourcentage de carbone dans l’acier.

AusténitisationLa possibilité de traiter thermiquement un acier est soumise à une condition indispensable :

«« Avoir 100% d’austénite avant le refroidissementAvoir 100% d’austénite avant le refroidissement »».

C’est ce qu’on appelle l’austénitisation.

Paramètres d’austénitisation :Ta , la température d’austénitisation.ta , la durée ou le temps de maintien à haute température.

L’état austénitisé est caractérisé par :La composition moyenne de l’austénite ( / celle de l’acier).L’indice de grain.

Influence de la température (θa) etdu temps (ta) d’austénitisation …

G

23456789

… sur l’indice de grain.

Le même indice de grain peut être obtenu pour plusieurs couples (θ a ,ta) : (1050 °C, 10

0,7 s) (910 °C, 101,7 s)

Transformation avec diffusion :transformation eutectoïde

ou perlitique

0,4 % C

1 2

S1

α + perlite

α + γ

γ + Fe3Causténite + cémentite

perlite + cémentite

% C

γausténite

aciershyper eutectoïdes

aciers

0,02S’1 0,77 E’

1,2 % C

acier eutectoïde

6,7S’2

600

1000912

727

θ °C

αferrite

hypo eutectoïdes

Germination et croissance dela perlite

γ

Joint γ

α

αα

Fe3Cγ

Fe3C

Joint γ

Formation des colonies de perliteà la périphérie des grains d’austénite

Ilots sphéroïdaux de perlite

Matrice austénitique Texture cellulaire

Transformation perlitique pour un acier de composition eutectoïde

t (s)

200

100

700

10 100 1031

γ + α

+ Fe3C

Ms

α + Fe3C

Phase γmétastable

Phase γstable

T °C

à 350 °C, il faut 1000 s pour obtenir 100% de perlite.

à 550 °C, il faut 10 s pour obtenir 100% de perlite.

350

550

Diagramme TTT

Bainite supérieure

F

FF

F

Plaquettes Fe3C

Ancien joint de grains γ

F

FF

F

Lattes de ferrite

La phase nucléante est la ferrite.

Les atomes de carbone se regroupent et des plaquettes de Fe3C précipitent

entre les lattes de ferrite.

Bainite inférieureLes atomes de C n’ont pas le temps de sortir des lattes de F et des carbures ε

précipitent à l’intérieur.

Aiguilles de ferrite

Plaquettes ε

3 domaines de transformationavec diffusion : A → F + C

Dom

aine

de

la b

aini

tesu

p

log temps

Ms

T °C

Dom

aine

pe

rlitiq

ueD

omai

ne d

e la

bai

nite

inf

Diagramme TTT

Traitements thermiques des aciersLa trempabilité

La trempabilité d’un matériau est son aptitude à prendre la trempe, c’est à dire à éviter la formation d’agrégat ferrite (α) - cémentite (Fe3C).La trempabilité dépend essentiellement du matériau, de ses dimensions et du milieu de trempe.Pour une nuance d’acier donnée, trempée dans un milieu donné, les vitesses de refroidissement ne sont pas les mêmes en tous les points de la pièce.

On dit qu’un matériau est trempé quand il contient au moins 50% de martensite (α’).

Austénite Austénite

Influence de la vitesse de refroidissement

Différents types de refroidissementRefroidissement lent (four fermé).⇒ tjrs en état d’équilibre thermodynamique⇒ extrapolation au diagramme d’équilibre

thermodynamique

Refroidissement à l’huile

Refroidissement à l’eau

Refroidissement à l’air

Refroidissement four ouvert

Ta°T°

tDureté

Transf. quasi-instantanée,sans diffusion ou martensitique.

⇒ utilisation du diagramme TRC

Transformations avec diffusion

Austénitisé à 850°Cpendant 30 mn

Indice des grains : 9

Diagramme T.R.C.

Acier 35 CD 40,01

% Si

0,02

% P

0,10

% Cu

< 0,17

% Ni

0,180,300,791,000,37

% Mo% Si% Mn% Cr% C

Carbure de titane dansune matrice bainito-martensitique

Structure bainito-martensitiqueavec grains de ferrite

Points de transformation du fer Courbe d’analyse thermique simpleQuelques propriétés du ferInfluence des éléments d’alliage Eléments ?-gènes et ?-gènesSystème binaire fer - carboneDiagrammes d’équilibre thermodynamiqueSystème binaire fer - carboneLes phases (en quelques définitions)Système binaire fer - carboneLes phases (en quelques définitions)Système binaire fer - carboneLes domaines (en quelques définitions)Système binaire fer - carboneDiagramme d’équilibre métastableSystème binaire fer - carboneDiagramme d’équilibre stable ou à graphiteSystème binaire fer - carboneLes alliages de fer (en quelques définitions)Système binaire fer - carboneLes alliages de fer (en quelques définitions)Système binaire fer - carboneLes alliages de fer (en quelques définitions)AusténitisationBande d’austénitisation « classique »AusténitisationInfluence de la température (?a) etdu temps (ta) d’austénitisation …Transformation avec diffusion :transformation eutectoïdeou perlitiqueGermination et croissance dela perliteFormation des colonies de perliteà la périphérie des grains d’austéniteTransformation perlitique pour un acier de composition eutectoïdeBainite supérieureBainite inférieure3 domaines de transformationavec diffusion : A ? F + CTraitements thermiques des aciersLa trempabilitéInfluence de la vitesse de refroidissementDifférents types de refroidissementDiagramme T.R.C.Carbure de titane dansune matrice bainito-martensitiqueStructure bainito-martensitiqueavec grains de ferrite