1- La structure des métaux. 2- Diagrammes d'équilibre: Microstructure. 3- Diagrammes d'équilibre: Alliages fer-carbone

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1 1- La structure des métaux 2- Diagrammes d'équilibre: Microstructure 3- Diagrammes d'équilibre: Alliages fer-carbone 4- Transformations isothermes et anisothermes 5-Traitements thermiques, thermo-mécaniques et chimiques des alliages 6- Diffusion et durcissement structurale des alliages 7- Corrosion: Mécanismes et préventions 8- Rupture: Notions et généralités 1

2 Diagrammes d équilibre Alliages fer-carbone Lamine HATTALI IUT Cachan 1 ère année Sciences des Matériaux 2

3 Etudes des alliages fer-carbone Le fer pur existe sous 2 formes allotropiques: Le fer α: de structure CC pour -273 C<T < 912 C Le fer γ: de structure CFC pour 912 C<T<1394 C Le fer δ: de structure CC pour 1394 C<T<1538 C 3

4 Les diagrammes de constitution à l équilibre du système Fe-C 4

5 M2104 Mise en œuvre et comportement des matériaux Les diagrammes de constitution à l équilibre du système Fe-C Si la phase riche en carbone formée est Fe3C, l évolution du système est décrite dans les conditions d équilibre par le diagramme métastable ou à cémentite Si la phase riche en carbone formée est Cgr, l évolution du système est décrite dans les conditions d équilibre par le diagramme stable ou à graphite 5

6 Diagramme d équilibre métastable ou à cémentite Ferrite α: solution solide d insertion de carbone dans le fer α Austenite γ: solution solide d insertion de carbone dans le fer γ Ferrite δ: solution solide d insertion de carbone dans le fer δ Composé défini : Fe 3 C %C = 6, 70% 6

7 Diagramme d équilibre métastable ou à cémentite Transformation allotropique : %C = 0 Point eutectique : T = 1147 C, %C = 4,30% L(4,3%C) Fe 3 C + γ (2,11%C) 7

8 Diagramme d équilibre métastable ou à cémentite Point eutectoïde : T = 727 C,%C = 0,76% γ(0,76%c) Fe 3 C + α (0,022%C) Point péritectique : T = 1494 C L(0,51%C)+δ(0,1%C) γ(0,16%c) 8

9 Diagramme d équilibre métastable ou à cémentite Fer : %C < 0, 008%, phase α Aciers : %C < 2, 14%, phase α et Fe3C En pratique : %C < 1% Fontes : 2, 14% < %C < 6, 70%, phase α et Fe3C En général : 2, 14% < %C < 4,5% 9

10 M2104 Mise en œuvre et comportement des matériaux Diagramme d équilibre stable ou à graphite Fe3C 3Fe + C en plusieurs années à 700 C Avec présence de Si, cette réaction est beaucoup plus rapide C sous forme de graphite Diagramme Fe-Graphite : utilisé pour l étude des fontes Les températures et pourcentages de C sont différentes de celle 10 du diagramme métastable.

11 Étude des aciers 11

12 Acier eutectoïde Acier eutectoïde Aciers hypo-eutectoïdes Aciers hyper-eutectoïdes Microstructure Eléments d addition Norme La perlite est un constituant diphasé, Les fractions massiques des deux phases Sont telles que: =,, = 0,11,, =, = 0,89,, L agrégat est en général lamellaire. Il est formé de lamelles alternées de Fe 3 C et de α. Un paramètre important est la distance Interlamelaire Δ. Par un traitement thermique approprié il est possible d obtenir une perlite globulaire soit directement, soit à partir d une perlite lamellaire: elle est alors formée de sphéroïdes Fe 3 C dans une matrice ferritique (Voir TP) 12

13 Aciers hypo-eutectoïdes Acier eutectoïde Aciers hypo-eutectoïdes Aciers hyper-eutectoïdes Microstructure Eléments d addition Norme Pour un acier à 0,4%C. Les fractions massiques des deux phases sont telles que: =,,,, = 0,5 =,,,, = 0,5 L acier est donc formé en quantités égales de cristaux de ferrite proeutectoïde et d agrégats perlitiques. 13

14 Aciers hyper-eutectoïdes Acier eutectoïde Aciers hypo-eutectoïdes Aciers hyper-eutectoïdes Microstructure Eléments d addition Norme Pour un acier à 1,2%C. Les fractions massiques des deux phases sont telles que:. =,,,, = 0,07 =,,,, = 0,93 14

15 Relation microstructure / propriétés mécaniques Acier eutectoïde Aciers hypo-eutectoïdes Aciers hyper-eutectoïdes Microstructure Eléments d addition Norme Pour les aciers ferrito-perlitiques (hypoeutectoïdes) : (aciers de construction courants). Les propriétés mécaniques de ce type d acier dépendent : des fractions massiques des constituants, des paramètres microstructuraux : Δ: espacement interlamellaire de la perlite d: grosseur moyenne du grain ferritique Si d Si Δ R e T df : température de transition ductile/fragile. Re : limite d élasticité T df 15

16 Influence des éléments d addition Acier eutectoïde Aciers hypo-eutectoïdes Aciers hyper-eutectoïdes Microstructure Eléments d addition Norme Evolution de la température eutectoïde Evolution du pourcentage de C de l eutectoïde Le diagramme binaire ne suffit plus! De plus, si le refroidissement est plus rapide, le diagramme d équilibre ne décrit pas les phases formées. Voir nos prochains cours diagrammes TTT et TRC. 16

17 Désignation normalisée des aciers Acier eutectoïde Aciers hypo-eutectoïdes Aciers hyper-eutectoïdes Microstructure Eléments d addition Norme Norme NF-EN Groupe 1 : aciers désignés à partir de leur emploi et de leurs caractéristiques mécaniques et physiques Aciers de construction y compris les aciers à grains fins S 235 : symbole S, Re =235 MPa minimum Aciers de construction mécanique E 335 : symbole E, Re =335 MPa minimum Désignation précédée de la lettre G lorsque l acier est spécifique sous forme d une pièce moulée (exemple : GE 335). 17

18 Désignation normalisée des aciers Acier eutectoïde Aciers hypo-eutectoïdes Aciers hyper-eutectoïdes Microstructure Eléments d addition Norme Groupe 2 : Aciers désignés à partir de leur composition chimique Sous-groupe 2-1 : Aciers non-alliés. Sauf aciers de décolletage. La teneur en manganèse est inférieure à 1%, Exemple : C 35 : symbole du carbone C suivi du centuple du pourcentage de carbone (0,35 % de carbone). Désignation précédée de la lettre G lorsque l acier est spécifié sous forme d une pièce moulée (exemple : GC 35). 18

19 Désignation normalisée des aciers Acier eutectoïde Aciers hypo-eutectoïdes Aciers hyper-eutectoïdes Microstructure Eléments d addition Norme Sous-groupe 2-2 : Aciers faiblement alliés, Aciers non alliés avec une teneur en manganèse > 1%, Aciers non alliés de décolletage. Exemple : 20 Mn Cr 5 : 0,2 % de C, 1,25% de manganèse (5/4), traces de chrome. Les symboles chimiques indiquent les éléments d alliage dans l ordre décroissant des teneurs de ces éléments. Les nombres représentent la valeur moyenne multipliée par un facteur: Cr,Co,Mn,Si,W : x4 Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr : x10 Ce, N, P, S : x100 B : x

20 Désignation normalisée des aciers Acier eutectoïde Aciers hypo-eutectoïdes Aciers hyper-eutectoïdes Microstructure Eléments d addition Norme Sous-groupe 2-3 : aciers alliés dont la teneur d au moins un des éléments d alliage 5%. Symbole X Exemple : X 6 Cr Ni 18-9 : 0,06 % de C, 18% de chrome, 9% de nickel. Les symboles chimiques indiquent les éléments d alliage dans l ordre décroissant des teneurs de ces éléments. Les nombres représentent la valeur moyenne en pourcentage de chaque élément. 20

21 Après avoir étudié ce cours, vous pourrez Plages de pourcentage de carbone pour le fer, les acier et les fontes. Microstructures des aciers hypo-eutectoïdes et aciers hyper-eutectoïdes. Désignation normalisée des aciers. 21

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