Chapitre 13 : Diagrammes binaires Plan du chapitre : Solidification d’un métal pur Solidification d’alliage binaire Transformation de l’état solide Alliages fer-carbone

Solidification d’un métal pur (1) Formation de grains Refroidissement naturel, T diminue Solidification : transformation exothermique Si corps pur : palier (courbe A) Sinon : courbe B

Solidification d’un métal pur (2) Formation de dendrites Fibrage du métal Augmentation des caractéristiques mécaniques dans le sens des fibres

Solidification d’un métal pur (3) Formation de dendrites

Solidification d’un métal pur (4) Surfusion

Solidification d’un métal pur (5) Défauts Lacune

Solidification d’un métal pur (6) Défauts Dislocations-coins (a) et vis (b)

Solidification d’un métal pur (7) Défauts Joints de grains

Plan du chapitre : Solidification d’un métal pur Solidification d’alliage binaire Transformation de l’état solide Alliages fer-carbone

Solidification d’alliage binaire (1) Courbes de refroidissement Diagramme de phases permet d’étudier l’équilibre thermodynamique. Connaissance du nombre de phases, de leur composition et de leur proportion relative.

Solidification d’alliage binaire (2) Courbes de refroidissement

Solidification d’alliage binaire (3) Construction du diagramme de phase 1. Cas de la solubilité totale à l’état solide. Solution liquide Mélange Solution solide

Solidification d’alliage binaire (4) Etude du diagramme de phase

Solidification d’alliage binaire (5) Règle de l’horizontale A toute température du domaine biphasique liquide-solide, la composition du solide est donnée par l’abscisse de l’intersection de l’isotherme (horizontale) avec le solidus ; du liquide est donnée par l’abscisse de l’intersection de l’isotherme avec le liquidus.

Solidification d’alliage binaire (6) Règle de l’horizontale Exemple de la règle de l’horizontale :

Solidification d’alliage binaire (7) Règle des segments inverses A toute température du domaine biphasique liquide-solide, la quantité relative de phase solide, en %, est égale au rapport phase liquide, en %, est égale au rapport 

Solidification d’alliage binaire (8) Règle des segments inverses Exemple de la règle des segments inverses : En utilisant les 2 règles, l’ensemble doit rester cohérent !

Solidification d’alliage binaire (9) Problème de la ségrégation xB B pur A pur L S xB,i Td Tf xB,f xB,d L+S Phase solide finale est, dans ces conditions de solidification en équilibre, homogène et de composition parfaitement uniforme. Les solides obtenus sont fréquemment inhomogènes. Cette inhomogénéité se traduit par une ségrégation, appelé ségrégation primaire, des constituants du système au sein de la phase solide.

Solidification d’alliage binaire (10) Exercice Mélange Cu – Ni : 60 % Ni, T = 1500°C Etudiez le refroidissement. Si T=1350°C, étudiez le mélange (composition et proportion des phases).

Solidification d’alliage binaire (11) Insolubilité totale , à une température donnée Cette transformation se produit en un point appelé point eutectique (E)

Solidification d’alliage binaire (12) Insolubilité totale

Solidification d’alliage binaire (13) Insolubilité totale 15 % 45 % 60 % 80 %

Solidification d’alliage binaire (14) Insolubilité partielle Exercice : 95 % Sn 220°C 183°C 50°C 25 µm 19 40 90

Solidification d’alliage binaire (15) Insolubilité partielle 25 µm

Solidification d’alliage binaire (16) Insolubilité partielle 25 µm

Plan du chapitre : Solidification d’un métal pur Solidification d’alliage binaire Transformation de l’état solide Alliages fer-carbone

Transformation de l’état solide (1) Lacune de solubilité Si T diminue, solubilité de B dans la phase a diminue Si on arrive à la limite m et que T diminue encore, alors rejet de B dans la phase b. Précipitations de la phase b

Transformation de l’état solide (2) Réaction eutectoïde

Plan du chapitre : Solidification d’un métal pur Solidification d’alliage binaire Transformation de l’état solide Alliages fer-carbone

Alliages fer-carbone (1) Formes allotropiques du fer pur

Alliages fer-carbone (2) Diagramme fer-carbone Présence du carbone sous la forme : Solution solide d’insertion dans le fer a (ferrite) ou le fer g (austénite) Carbure métastable Fe3C (cémentite) Graphite libre 2 types de diagrammes : Diagramme stable (fonte grise) avec du graphite Diagramme métastable Fe3C (acier, fonte blanche)

Alliages fer-carbone (3) Diagramme fer-carbone

Alliages fer-carbone (4) Diagramme fer-carbone

Alliages fer-carbone (4) Les différents constituants Austénite : Solution solide d’insertion de C dans Fe g Bonne solubilité du C dans l’austénite [C]max = 2% à 1150 °C Structure C.F.C. Structure instable à T ambiante

Alliages fer-carbone (5) Les différents constituants Ferrite : Solution solide d’insertion de C dans Fe a Mauvaise solubilité du C dans la ferrite [C]max = 0,02% à 723 °C Structure C.C. Cr, Mo, Si peuvent être en solution d’insertion

Alliages fer-carbone (6) Les différents constituants Cémentite : Cémentite = carbure de fer Fe3C % déterminé de C = 6,67 % Domaine = 1 ligne verticale Structure orthorombique Cr, Mo, Si peuvent être en solution d’insertion Structure dure, cassante et fragile Graphite : C pur Réseau hexagonal

Alliages fer-carbone (7) Réactions entre phases Eutectique L  g + Fe3C Eutectoïde g  a + Fe3C

Alliages fer-carbone (8) Les zones importantes Les aciers: 1 5 ° C A B : 4 , 3 % E 2 D 8 7 P S L g + d a F e 9 . 6 n m s alliages Fe-Fe3C dont %C(masse)<2% on distingue: - les aciers hypoeutectoïdes %C <0,85% - les aciers eutectoïdes %C=0,85% - les aciers hypereutectoïdes %C>0,85% Les fontes blanches: alliages Fe-Fe3C dont 2<%C(masse)<6,67% on distingue: - les fontes hypoeutectiques %C <4,3% - les fontes eutectiques %C=4,3¨% - les fontes hypereutectiques %C>4,3%

Alliages fer-carbone (9) Les aciers hypoeutectoïdes 1 5 ° C A B : 4 , 3 % E 2 D 8 7 P S L g + d a F e 9 . 6 n m s Soit un acier à 0,4% de C: transformations au cours du refroidissement °C t austénite ferrite aux joints de grains d’ austénite M toute l’austénite résiduelle s’est transformée en perlite

Alliages fer-carbone (10) Les aciers eutectoïdes 5 ° C A B : 4 , 3 % E 2 D 8 7 P S L g + d a F e 9 . 6 n m s Soit un acier à 0,85% de C: transformations au cours du refroidissement °C t austénite M 100% de perlite toute l’austénite s’est transformée en perlite Perlite : 89% perlite et 11% Fe3C

Alliages fer-carbone (11) Les aciers hypereutectoïdes 5 ° C A B : 4 , 3 % E 2 D 8 7 P S L g + d a F e 9 . 6 n m s Soit un acier à 1,2% de C: transformations au cours du refroidissement austénite °C t cémentite aux joints de grains d’austénite M toute l’austénite résiduelle s’est transformée en perlite

Alliages fer-carbone (12) Les fontes hypoeutectiques 5 ° C A B : 4 , 3 % E 2 D 8 7 P S L g + d a F e 9 . 6 n m s Soit une fonte à 3% de C: °C t liquide M dendrites d’austénite g +lédéburite dépôt de Fe3C secondaire transformation de l’austénite en perlite

Alliages fer-carbone (13) Les fontes hypereutectiques 5 ° C A B : 4 , 3 % E 2 D 8 7 P S L g + d a F e 9 . 6 n m s Soit une fonte à 5% de C: °C t liquide M aiguilles de Fe3C primaire lédéburite dépôt de Fe3C secondaire transformation de la lédéburite

Alliages fer-carbone (14) Classification Composition en carbone Rm (MPa) A % HB Ferrite 280 50 80 Cémentite --- 700 Perlite 800… 850 10 200… 250 Classe Composition en carbone Acier extra-doux C < 0,1 Acier doux 0,1 < C < 0,25 Acier mi-doux 0,25 < C < 0,4 Acier mi-dur 0,4 < C < 0,6 Acier dur 0,6 < C < 1 Acier extra-dur C > 1