Points de transformation du fer

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2 Points de transformation du fer θ C Courbe d analyse thermique simple Liquide Solidification 1538 Liq Sol Fe δ (CC) Transf. isotherme 1394 Fe δ Fe γ Paramagnétique Fe γ (CFC) Transf. isotherme 912 Fe γ Fe α 768 Ferromagnétique Fe α (CC) temps Cette courbe θ(t) illustre le polymorphisme cristallin du fer.

3 Quelques propriétés du fer ρ : masse volumique (à 20 C) = 7870 kg.m -3 α : coefficient de dilatation = 12,6 à K -1 pour le fer α (entre 100 et 600 C) 23, K -1 pour le fer γ (entre 900 et 1100 C) Qqs caractéristiques mécaniques Rm : résistance traction = MPa Re : limite d élasticité = MPa E : module d Young = MPa A% : allongement à la rupture = 40-50% Z : coefficient de striction = 80-95% H : dureté = HB

4 Influence des éléments d alliage Eléments α-gènes et γ-gènes T C T C A4 A4 A3 A3 δ γ α δ + γ δ + γ α + γ α + γ Si Cr Mo V W Ti Nb S A4 A4 A3 A3 δ γ α δ + γ δ + γ α + γ α + γ Ni Mn C N %C %C Stabilisation de la phase CC Stabilisation de la phase CFC

5 Système binaire fer - carbone Diagrammes d équilibre thermodynamique Diagramme d équilibre métastable ou à cémentite Diagramme d équilibre stable ou à graphite

6 Système binaire fer - carbone Les 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.

7 Système binaire fer - carbone Les phases (en quelques définitions) Cémentite : Carbure de fer Fe 3 C (structure orthorhombique). Carbure métastable qui a tendance à se décomposer en : 3 Fe + C gr (graphitisation). Dureté : 800 HV. 1 Teneur en carbone : x 100 = 25% atomique x12 x 100 = 6,67% massique 3x56 + 1x12 ( ) ( ) Carbone «pur» ou carbone graphite : C gr. 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 structure sauf pour la phase liquide.

8 Système binaire fer - carbone Les domaines (en quelques définitions) Domaine mono-phasé : 1 seule phase présente 5 Domaine bi- ou di-phasé : 2 phases en présence Domaine tri-phasé : 3 phases en présence ou équilibre isotherme entre 3 phases «horizontale» sur le diagramme 7 3 Exemple, à 727 C : γ α + Fe 3 C transformation eutectoïde ou perlitique perlite transformation avec diffusion

9 Système binaire fer - carbone Diagramme d équilibre métastable Transformation péritectique liq + δ γ Transformation eutectique liq γ+ Fe 3 C Transformation eutectoïde γ α+ Fe 3 C

10 Système binaire fer - carbone Diagramme d équilibre stable ou à graphite Transformation péritectique liq + δ γ Transformation eutectique liq γ+ C gr Transformation eutectoïde γ α+ C gr

11 Système binaire fer - carbone Les alliages de fer (en quelques définitions) 1 alliage 1 verticale sur le diagramme d éd équilibre. Acier non allié : Alliage de fer avec une teneur en carbone qui n excède pas 2% (en pratique : 1,4%), dans lequel les teneurs en autres éléments sont inférieures à des limites fixées par la norme NF A exemple : XC 38 C Mn Si S P Ni Cr Mo Cu Al 0,36 0,66 0,27 0,02 0,015 0,02 0,21 O,02 0,22 0,06 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). Acier pour traitements thermiques

12 Système binaire fer - carbone Les 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 ) 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 et ex : Ft25) et les fontes à graphite sphéroïdal (NF A ex : FGS 700-2). Dans les fontes à graphite sphéroïdal, on note la présence de Mg, élément modificateur du graphite. R m min (MPa) R e (MPa) A% Ft ,8 à 0,9 R m 0,5 à 1 FGS

13 Système binaire fer - carbone Les alliages de fer (en quelques définitions) Acier non allié : pour la construction mécanique (NF A ex : A 50-2). Acier non allié : pour la construction métallique (NF A ex : E 30). Acier faiblement allié : acier dans lequel aucun des éléments d alliages n a une teneur supérieure à 5% (NF A ex : 35 CD 4 et NF A 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 ex : Z 6 CNUD 15-04).

14 Austénitisation La possibilité de traiter thermiquement un acier est soumise à une condition indispensable : «Avoir 100% d austénite avant le refroidissement». C est ce qu on appelle l austénitisation. Paramètres d austénitisation : T a, la température d austénitisation. t a, la durée ou le temps de maintien à haute température.

15 Bande d austénitisation «classique» θ C 1000 θ a 2 γ Ac C Ac 3 S 1 γ + Fe 3 C θ a 1 α 700 α + γ S 1 E α + Fe 3 C Ac 1 % C 1 % C 2 % C La température d austénitisation est fonction du pourcentage de carbone dans l acier.

16 Austénitisation La possibilité de traiter thermiquement un acier est soumise à une condition indispensable : «Avoir 100% d austénite avant le refroidissement». C est ce qu on appelle l austénitisation. Paramètres d austénitisation : T a, la température d austénitisation. t a, 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.

17 Influence de la température (θ a ) et du temps (t a ) d austénitisation sur l indice de grain G Le même indice de grain peut être obtenu pour plusieurs couples (θ a, t a ) : (1050 C, 10 0,7 s) (910 C, 10 1,7 s)

18 Transformation avec diffusion : transformation eutectoïde ou perlitique

19 θ C S α ferrite ,4 % C γ austénite α + γ 0,02 S 1 0,77 E α + perlite 1,2 % C γ + Fe 3 C austénite + cémentite perlite + cémentite 1 2 aciers aciers hypo eutectoïdes hyper eutectoïdes acier eutectoïde % C 6,7 S 2

20 Germination et croissance de la perlite Joint γ Joint γ Fe 3 C α α γ γ α Fe 3 C

21 Formation des colonies de perlite à la périphérie des grains d austénite Ilots sphéroïdaux de perlite Matrice austénitique Texture cellulaire

22 Transformation perlitique pour un acier de composition eutectoïde T C Phase γ stable γ + α + Fe 3 C α + Fe 3 C à 550 C, il faut 10 s pour obtenir 100% de perlite. à 350 C, il faut 1000 s pour obtenir 100% de perlite Phase γ métastable 100 M s Diagramme TTT t (s)

23 Bainite supérieure Lattes de ferrite F F F F F Ancien joint de grains γ F La phase nucléante est la ferrite. F F Plaquettes Fe 3 C Les atomes de carbone se regroupent et des plaquettes de Fe 3 C précipitent entre les lattes de ferrite.

24 Bainite inférieure Les 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

25 3 domaines de transformation avec diffusion : A F + C T C Domaine perlitique Domaine de la bainite sup M s Diagramme TTT Domaine de la bainite inf log temps

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27 Traitements thermiques des aciers La 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 (Fe 3 C). 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 ).

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29 Austénite Influence de la vitesse de refroidissement Austénite

30 Différents types de refroidissement T T a Refroidissement à l eau Dureté Refroidissement à l huile Refroidissement lent (four fermé). tjrs en état d équilibre thermodynamique extrapolation au diagramme d équilibre thermodynamique Refroidissement four ouvert Refroidissement à l air t Transf. quasi-instantanée, Transformations avec diffusion sans diffusion ou martensitique. utilisation du diagramme TRC

31 Austénitisé à 850 C pendant 30 mn Indice des grains : 9 Diagramme T.R.C. Acier 35 CD 4 % C 0,37 % Cr 1,00 % Mn 0,79 % Si 0,30 % Mo 0,18 % Ni < 0,17 % Cu 0,10 % P 0,02 % Si 0,01

32 Carbure de titane dans une matrice bainito-martensitique

33 Structure bainito-martensitique avec grains de ferrite

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