Diagramme de phase fer-carbone : définition, phases et applications

Le diagramme de phases fer-carbone est très important en science des matériaux. Il montre comment les différentes températures et quantités de carbone modifient les phases du fer et de ses alliages. Lorsque les ingénieurs disposent de ce diagramme, ils peuvent améliorer encore l'acier, ce qui est utile dans de nombreux domaines, comme la construction de bâtiments ou le pilotage d'avions.

Fig 1 : Diagramme de phase Fe-C

Qu'est-ce que le diagramme de phases fer-carbone ?

Ce diagramme est un tableau qui nous aide à voir comment la température et les niveaux de carbone fonctionnent ensemble avec le fer et ses alliages. Il est très utile en métallurgie car il peut prédire quel type de microstructure vous obtiendrez dans l'acier ou la fonte.

Quelle est la phase la plus dure dans le diagramme fer-carbone ?

La martensite est la phase la plus dure du diagramme de phases fer-carbone. Cette phase dure se forme lorsque l'austénite refroidit très rapidement. Lorsqu'elle refroidit rapidement, le carbone ne peut pas s'échapper de la structure du fer. Vous obtenez ainsi une solution solide, extrêmement dure et résistante.

Pourquoi le diagramme de phase fer-carbone ne va-t-il que jusqu'à 6.7 % de carbone ?

La quantité de carbone pouvant être présente dans le diagramme de phase fer-carbone est limitée : 6.67 % au maximum. En effet, à ce niveau, on produit de la cémentite (Fe₃C). S'il y a plus de carbone que cela, les matériaux deviennent cassants et ne sont pas adaptés aux travaux d'ingénierie.

Phases, limites de phase, point eutectique

Phases

Partie homogène et distincte du système. Ses propriétés sont différentes de celles des autres parties du système.

Limites de phases

Les régions où se produit la transformation de phase sont appelées limites de phase. Les limites communes que nous devons mentionner sont la ligne A1, la ligne A3 et la ligne ACM

Point eutectique

Ce point se trouve sur le diagramme Fe-C qui signifie la conversion de la phase liquide en deux phases solides. Cette transformation se produit à 1147°C avec 4.3% C.

Pourquoi les diagrammes de phases sont essentiels dans la conception des alliages

Ces diagrammes sont d'une grande importance dans votre application quotidienne et vous aident à déterminer la composition exacte, les propriétés et les changements microstructuraux requis dans votre application.

Structures cristallines du fer

Voici les principales structures cristallines trouvées dans le diagramme de phases Fe-C :

α-Ferrite

Vous trouverez une structure BCC dans le fer alpha avec une teneur maximale en carbone allant jusqu'à 0.02 %. De plus, si vous avez besoin de bonnes propriétés magnétiques dans votre application, cette phase joue un rôle clé à cet égard.

γ-Austénite

Dans cette phase, vous trouverez une structure FCC avec une teneur maximale en carbone allant jusqu'à 2.14 %. De plus, si votre application nécessite une modification des propriétés de résistance, cette phase est importante pour effectuer plusieurs processus de traitement thermique.

δ-Ferrite

Vous retrouverez cette phase à température élevée, soit autour de 1390°C, et elle est constituée d'une structure BCC. Cette phase vous sera bénéfique dans les applications qui nécessitent une stabilité à haute température.

Cémentite (Fe₃C)

Il s'agit de la phase la plus dure de ce diagramme de phases, avec une teneur maximale en C allant jusqu'à 6.67 %. De plus, il vous sera utile dans les applications qui nécessitent un acier à haute résistance.

Phase liquide (solution Fe-C)

Cette phase aide le fabricant à exécuter les processus de moulage et vous trouverez cette phase à température élevée d'environ 1530°C.

Quelles sont les cinq phases solides dans un diagramme fer-carbone ?

Voici les cinq phases que vous trouverez dans ce diagramme de phases :

• Ferrite
• austénite
• Cémentite
• Ferrite delta
• Perlite

Caractéristiques de chaque phase

Le tableau ci-dessous vous fournit les caractéristiques importantes de chaque phase :

Tableau 1 : Caractéristiques de phase

Plages de température et stabilité de chaque phase

Vous trouverez ci-dessous les phases importantes avec leur plage de température et de stabilité :

α-Ferrite:Cette phase existe de la température ambiante à près de 910°C et vous observerez son état stable en dessous de 727°C avec un faible C.

γ-Austénite:Cette phase existe de 727 à près de 1147°C et vous observerez son état stable au-dessus de 727°C avec des C élevés.

Cémentite:Pour cette phase, vous retrouverez sa plage de température inférieure à 1147°C et certainement stable avec du C élevé dans sa composition.

δ-Ferrite:Vous retrouverez la formation de cette phase entre 1390-1538°C et privilégierez la stabilité à des températures élevées.

Perlite:Vous observerez la stabilité de cette phase en composition eutectoïde. De plus, sa formation se produit à 723°C.

Réactions majeures dans le diagramme de phase fer-carbone

Les réactions suivantes se produisent et sont mentionnées ci-dessous :

Réaction eutectoïde

Ci-dessous se trouve la réaction eutectoïde qui signifie la conversion d'une phase solide en deux autres phases solides.

Réaction eutectique

Ci-dessous se trouve la réaction eutectique qui signifie la conversion de la phase liquide en deux autres phases solides.

Réaction péritectique

Vous observerez la réaction ci-dessous à une température élevée d'environ 1498 ° C qui se produit par la réaction d'une phase solide et liquide produisant de l'austénite.

Limites de phase et points critiques

Vous trouverez ci-dessous une brève description de la limite de phase et des points critiques importants :

Comprendre les points eutectiques et eutectoïdes

Point eutectique :

• Se produit à 4.3 % C et à une température de 1147 °C.
• Transformation du liquide en γ et Fe₃
• Important dans la production de fonte.

Pointe Eutectique:

• Se produit à 0.76 % C et à une température de 727 °C.
• Transformation de γ en α et Fe₃
• Vous donne de la perlite, responsable d'un mélange de force et de ténacité.

Températures critiques dans les alliages fer-carbone

Tableau 2 : Températures critiques

Règle de levier et analyse de composition aux limites

Un outil de calcul mathématique qui vous fournit la proportion de phase (fraction massique) dans une plage spécifique de température ainsi que de composition.

Champs de phase et régions de stabilité

Les détails ci-dessous vous donnent une brève analyse des champs de phase et de la région de stabilité :

Interprétation des régions de stabilité pour les phases α, γ et δ

Pour l'α-Ferrite, la phase existe de la température ambiante à près de 910°C et vous observerez son état stable en dessous de 727°C avec de faibles De plus, la phase γ-Austénite existe de 727 à près de 1147°C et vous observerez son état stable au-dessus de 727°C avec de fortes C. Enfin, vous trouverez la formation de la phase δ entre 1390-1538°C et favoriserez la stabilité à des températures élevées.

Conséquences pour le traitement thermique de l'acier

Lorsque vous comprenez efficacement la zone de stabilité, vous bénéficiez d'un traitement thermique optimisé. Par conséquent, elle est essentielle pour le contrôle de la transformation de phase, le développement de la microstructure ainsi que la longévité du matériau.

Classification des aciers par teneur en carbone

La classification principale de l'acier est donnée ci-dessous :

Aciers hypoeutectoïdes et hypereutectoïdes

L'acier hypoeutectoïde vous offre une bonne ductilité ainsi qu'une bonne ténacité dans vos applications et une teneur en C inférieure à 0.76 % se retrouve dans cet acier. D'autre part, l'acier hypereutectoïde vous offre une bonne dureté tout en compensant la ductilité et possède plus de 0.76 % de C

Rôle dans le traitement thermique et la personnalisation des alliages

Ce diagramme de phases vous offre de nombreuses informations, notamment sur le traitement thermique et la personnalisation de l'alliage.

Prédire les propriétés mécaniques grâce à l'analyse de phase

Les principales fonctionnalités qui vous aident à prédire les propriétés mécaniques grâce à l'analyse de phase sont :

• Contrôler les changements microstructuraux
• Bonne compréhension des températures critiques
• Personnalisation des propriétés des alliages

Types d'applications de l'acier

Tableau 2 : Types d'acier et applications

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