M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux
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
M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux
Alliages fer-carbone
Diagrammes d’équilibre
2
Lamine HATTALI
IUT Cachan – 1ère année Sciences des Matériaux
M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux
3
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
Etudes des alliages fer-carbone
M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux
4
Les diagrammes de constitution à l’équilibre du système Fe-C
M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux
5
Diagrammes Fe-C
Diagramme métastable
Diagramme stable
Etude des aciers
Ce qu’il faut retenir
Si la phase riche en carboneformée est Fe3C, l’évolutiondu système est décrite dansles conditions d’équilibre parle diagramme métastable ouà cémentite
Si la phase riche en carboneformée est Cgr , l’évolutiondu système est décrite dansles conditions d’équilibre parle diagramme stable ou àgraphite
Les diagrammes de constitution à l’équilibre du système Fe-C
M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux
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 : Fe3C %C = 6, 70%
Diagrammes Fe-C
Diagramme métastable
Diagramme stable
Etude des aciers
Ce qu’il faut retenir
M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux
7
Diagramme d’équilibre métastable ou à cémentite
Transformation allotropique : %C = 0
Point eutectique : T = 1147°C, %C = 4,30%
L(4,3%C) ↔ Fe3C + γ (2,11%C)
Diagrammes Fe-C
Diagramme métastable
Diagramme stable
Etude des aciers
Ce qu’il faut retenir
M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux
8
Diagramme d’équilibre métastable ou à cémentite
Point eutectoïde : T = 727°C,%C = 0,76%γ(0,76%C) ↔ Fe3C + α (0,022%C)
Point péritectique : T = 1494°CL(0,51%C)+δ(0,1%C) ↔ γ(0,16%C)
Diagrammes Fe-C
Diagramme métastable
Diagramme stable
Etude des aciers
Ce qu’il faut retenir
M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux
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%
Diagrammes Fe-C
Diagramme métastable
Diagramme stable
Etude des aciers
Ce qu’il faut retenir
M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux
10
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
du diagramme métastable.
Diagrammes Fe-C
Diagramme métastable
Diagramme stable
Etude des aciers
Ce qu’il faut retenir
M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux
11
Étude des aciers
M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux
12
Acier eutectoïde
La perlite est un constituant diphasé,Les fractions massiques des deux phasesSont telles que:
=
, ,
, ,= 0,11
=
,
, ,= 0,89
L’agrégat est en général lamellaire. Il estformé de lamelles alternées de Fe3C etde α. Un paramètre important est la distanceInterlamelaire Δ.
Par un traitement thermique approprié ilest possible d’obtenir une perlite globulairesoit directement, soit à partir d’une perlitelamellaire: elle est alors formée de sphéroïdesFe3C dans une matrice ferritique (Voir TP)
Diagrammes Fe-C
Diagramme métastable
Diagramme stable
Etude des aciers
Acier eutectoïde
Aciers hypo-eutectoïdes
Aciers hyper-eutectoïdes
Microstructure
Eléments d’addition
Norme
Ce qu’il faut retenir
M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux
13
Aciers hypo-eutectoïdes
Pour un acier à 0,4%C. Les fractionsmassiques des deux phases sont telles que:
=
, ,
, ,= 0,5
=
, ,
, ,= 0,5
L’acier est donc formé en quantitéségales de cristaux de ferriteproeutectoïde et d’agrégats perlitiques.
Diagrammes Fe-C
Diagramme métastable
Diagramme stable
Etude des aciers
Acier eutectoïde
Aciers hypo-eutectoïdes
Aciers hyper-eutectoïdes
Microstructure
Eléments d’addition
Norme
Ce qu’il faut retenir
M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux
14
Aciers hyper-eutectoïdes
Pour un acier à 1,2%C. Les fractionsmassiques des deux phases sont telles que:
.
=
, ,
, ,= 0,07
=
, ,
, ,= 0,93
Diagrammes Fe-C
Diagramme métastable
Diagramme stable
Etude des aciers
Acier eutectoïde
Aciers hypo-eutectoïdes
Aciers hyper-eutectoïdes
Microstructure
Eléments d’addition
Norme
Ce qu’il faut retenir
M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux
15
Relation microstructure / propriétés mécaniques
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
Tdf : température de transition ductile/fragile.Re : limite d’élasticité
Re Tdf
Si d
Si Δ
Diagrammes Fe-C
Diagramme métastable
Diagramme stable
Etude des aciers
Acier eutectoïde
Aciers hypo-eutectoïdes
Aciers hyper-eutectoïdes
Microstructure
Eléments d’addition
Norme
Ce qu’il faut retenir
M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux
16
Influence des éléments d’addition
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 diagrammed’ équilibre ne décrit pas les phases formées.
Voir nos prochains cours diagrammes TTT et TRC.
Diagrammes Fe-C
Diagramme métastable
Diagramme stable
Etude des aciers
Acier eutectoïde
Aciers hypo-eutectoïdes
Aciers hyper-eutectoïdes
Microstructure
Eléments d’addition
Norme
Ce qu’il faut retenir
M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux
17
Norme NF-EN10027-1
Groupe 1 : aciers désignés à partir de leur emploi et de leurscaractéristiques mécaniques et physiques
Aciers de construction y compris les aciers à grains finsS 235 : symbole S, Re =235 MPa minimum
Aciers de construction mécaniqueE 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).
Désignation normalisée des aciers
Diagrammes Fe-C
Diagramme métastable
Diagramme stable
Etude des aciers
Acier eutectoïde
Aciers hypo-eutectoïdes
Aciers hyper-eutectoïdes
Microstructure
Eléments d’addition
Norme
Ce qu’il faut retenir
M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux
18
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 dupourcentage de carbone (0,35 % de carbone).
Désignation précédée de la lettre G lorsque l’acier est spécifié sousforme d’une pièce moulée (exemple : GC 35).
Désignation normalisée des aciers
Diagrammes Fe-C
Diagramme métastable
Diagramme stable
Etude des aciers
Acier eutectoïde
Aciers hypo-eutectoïdes
Aciers hyper-eutectoïdes
Microstructure
Eléments d’addition
Norme
Ce qu’il faut retenir
M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux
19
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’ordredécroissant des teneurs de ces éléments. Les nombres représentent la valeur moyenne multipliée par un facteur:
Cr,Co,Mn,Si,W : x4Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr : x10Ce, N, P, S : x100B : x1000
Désignation normalisée des aciers
Diagrammes Fe-C
Diagramme métastable
Diagramme stable
Etude des aciers
Acier eutectoïde
Aciers hypo-eutectoïdes
Aciers hyper-eutectoïdes
Microstructure
Eléments d’addition
Norme
Ce qu’il faut retenir
M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux
20
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’ordredécroissant des teneurs de ces éléments.
Les nombres représentent la valeur moyenne en pourcentage dechaque élément.
Désignation normalisée des aciers
Diagrammes Fe-C
Diagramme métastable
Diagramme stable
Etude des aciers
Acier eutectoïde
Aciers hypo-eutectoïdes
Aciers hyper-eutectoïdes
Microstructure
Eléments d’addition
Norme
Ce qu’il faut retenir
M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux
21
Plages de pourcentage de carbone pour le fer, les acier et les fontes.
Microstructures des aciers hypo-eutectoïdes et aciershyper-eutectoïdes.
Désignation normalisée des aciers.
Après avoir étudié ce cours, vous pourrezDiagrammes Fe-C
Diagramme métastable
Diagramme stable
Etude des aciers
Ce qu’il faut retenir