Chapitre 13 : Diagrammes binaires

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

2 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

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

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

5 Solidification d’un métal pur (4) Surfusion

6 Solidification d’un métal pur (5) Défauts
Lacune

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

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

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

10 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.

11 Solidification d’alliage binaire (2) Courbes de refroidissement

12 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

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

14 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.

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

16 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 

17 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 !

18 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.

19 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).

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

21 Solidification d’alliage binaire (12) Insolubilité totale

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

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

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

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

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

27 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

28 Transformation de l’état solide (2) Réaction eutectoïde

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

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

31 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)

32 Alliages fer-carbone (3) Diagramme fer-carbone

33 Alliages fer-carbone (4) Diagramme fer-carbone

34 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

35 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

36 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

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

38 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%

39 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

40 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

41 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

42 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

43 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

44 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