Diagramme de phase de l

Explication du diagramme de phase fer-carbone [with Graphs]

Les métaux alliés peuvent exister en différentes phases. Les phases sont des états physiquement homogènes d’un alliage. Une phase a une composition chimique précise – une certaine disposition et une liaison entre les atomes.

Cette structure d’atomes confère différentes propriétés à différentes phases. Nous pouvons choisir la phase que nous voulons et l’utiliser dans nos applications.

Seuls certains alliages spéciaux peuvent exister en plusieurs phases. Le chauffage du métal à des températures spécifiques à l’aide de procédures de traitement thermique entraîne différentes phases. Certains alliages spéciaux peuvent exister en plusieurs phases à la même température.

Que sont les diagrammes de phases?

Les diagrammes de phases sont des représentations graphiques des phases présentes dans un alliage à différentes conditions de température, de pression ou de composition chimique.

Le diagramme décrit les conditions appropriées pour que deux ou plusieurs phases existent en équilibre. Par exemple, le diagramme de phase aqueuse décrit un point (point triple) où l’eau peut coexister en trois phases différentes en même temps. Cela se produit juste au-dessus de la température de congélation (0,01 ° C) et 0,006 atm.

Utilisation des diagrammes

Il existe quatre utilisations principales des diagrammes de phases d’alliage:

  • Développement de nouveaux alliages en fonction des exigences de l’application.
  • Production de ces alliages.
  • Développement et contrôle de procédures de traitement thermique appropriées pour améliorer les propriétés chimiques, physiques et mécaniques de ces nouveaux alliages.
  • Dépannage des problèmes qui surviennent lors de l’application de ces nouveaux alliages, améliorant finalement la prévisibilité du produit.

En ce qui concerne le développement d’alliages, les diagrammes de phases ont contribué à empêcher la conception excessive des applications. Cela réduit les coûts et le temps de traitement. Ils aident également à développer des alliages alternatifs ou les mêmes alliages avec des éléments d’alliage alternatifs. Il peut aider à réduire le besoin d’utiliser des éléments d’alliage rares, dangereux ou coûteux.

En termes de performances, les diagrammes de phases aident les métallurgistes à comprendre quelles phases sont thermodynamiquement stables, métastables ou instables à long terme. Les éléments appropriés peuvent ensuite être choisis pour l’alliage afin d’éviter la panne des machines. Le matériau des tuyaux d’échappement, par exemple, s’il n’est pas choisi correctement, peut entraîner une panne à des températures plus élevées.

La durée de vie s’améliore également car les diagrammes de phase nous montrent comment résoudre des problèmes tels que la corrosion intergranulaire, la corrosion à chaud et les dommages causés par l’hydrogène.

Diagramme de phase fer-carbone

Le diagramme de phases fer-carbone est largement utilisé pour comprendre les différentes phases de l’acier et de la fonte. L’acier et la fonte sont un mélange de fer et de carbone. De plus, les deux alliages contiennent une petite quantité d’oligo-éléments.

Le graphique est assez complexe, mais comme nous limitons notre exploration au Fe3C, nous ne concentrerons que 6,67% en poids de carbone.

Ce diagramme de phase de carbone de fer est tracé avec les concentrations de carbone en poids sur l’axe X et l’échelle de température sur l’axe Y.

Vignette vidéo

Explication des structures des cristaux de fer

Une vidéo décrivant les différentes structures de fer et de carbone

Le carbone dans le fer est une impureté interstitielle. L’alliage peut former un réseau cubique à face centrée (FCC) ou un réseau cubique à centre centré (BCC). Il formera une solution solide avec des phases α, γ et δ de fer.

Types d’alliages ferreux sur le diagramme de phases

L’échelle de pourcentage en poids sur l’axe X du diagramme de phase du carbone du fer passe de 0% à 6,67% de carbone. Jusqu’à une teneur maximale en carbone de 0,008% en poids de carbone, le métal est simplement appelé fer ou fer pur. Il existe sous forme α-ferrite à température ambiante.

De 0,008% à 2,14% de carbone, l’alliage fer-carbone est appelé acier. Dans cette gamme, il existe différentes nuances d’acier appelées acier à faible teneur en carbone (ou acier doux), acier à moyenne teneur en carbone et acier à haute teneur en carbone.

Lorsque la teneur en carbone augmente au-delà de 2,14%, nous atteignons le stade de la fonte. La fonte est très dure mais sa fragilité limite fortement ses applications et ses méthodes de formage.

Limites

Plusieurs lignes peuvent être vues dans le diagramme intitulé A1, A2, A3, A4 et ACM. Le A dans leur nom signifie le mot «arrestation». À mesure que la température du métal augmente ou diminue, un changement de phase se produit à ces limites lorsque la température atteint la valeur sur la frontière.

Normalement, lors du chauffage d’un alliage, sa température augmente. Mais le long de ces lignes (A1, A2, A3, A4 et ACM), le chauffage entraîne un réalignement de la structure dans une phase différente et donc, la température cesse d’augmenter jusqu’à ce que la phase ait complètement changé. Ceci est connu sous le nom d’arrêt thermique car la température reste constante.

Les éléments en acier allié tels que le nickel, le manganèse, le chrome et le molybdène affectent la position de ces limites sur le diagramme de phases. Les limites peuvent changer dans les deux sens en fonction de l’élément utilisé. Par exemple, dans le diagramme des phases du fer et du carbone, l’ajout de nickel abaisse la frontière A3 tandis que l’ajout de chrome l’élève.

Point eutectique

Le point eutectique est un point où plusieurs phases se rencontrent. Pour le diagramme alliage fer-carbone, le point eutectique est le point de rencontre des lignes A1, A3 et ACM. La formation de ces points est fortuite.

À ces points, des réactions eutectiques ont lieu où une phase liquide se fige en un mélange de deux phases solides. Cela se produit lors du refroidissement d’un alliage liquide de composition eutectique jusqu’à sa température eutectique.

Les alliages formés à ce stade sont appelés alliages eutectiques. À gauche et à droite de ce point, les alliages sont appelés respectivement alliages hypoeutectiques et hypereutectiques («hypo» en grec signifie moins que, «hyper» signifie plus grand que).

Champs de phase

Les frontières, qui se coupent, marquent certaines régions sur le diagramme Fe3C.

Dans chaque région, une ou deux phases différentes peuvent coexister. À la frontière, le changement de phase se produit. Ces régions sont les champs de phase.

Ils indiquent les phases présentes pour une certaine composition et température de l’alliage. Apprenons un peu plus sur les différentes phases de l’alliage fer-carbone.

Différentes phases

α-ferrite

Existant à basses températures et à faible teneur en carbone, l’α-ferrite est une solution solide de carbone dans BCC Fe. Cette phase est stable à température ambiante. Dans le graphique, il peut être vu comme un ruban sur le bord gauche avec l’axe Y sur le côté gauche et A2 sur la droite. Cette phase est magnétique en dessous de 768 ° C.

Il a une teneur maximale en carbone de 0,022% et il se transformera en γ-austénite à 912 ° C comme le montre le graphique.

γ-austénite

Cette phase est une solution solide de carbone dans FCC Fe avec une solubilité maximale de 2,14% C. Lors d’un chauffage supplémentaire, elle se transforme en BCC-ferrite à 1395 ° C. La γ-austénite est instable à des températures inférieures à la température eutectique (727 ° C) à moins qu’elle ne soit refroidie rapidement. Cette phase est non magnétique.

δ-ferrite

Cette phase a une structure similaire à celle de l’a-ferrite mais n’existe qu’à des températures élevées. La phase peut être repérée dans le coin supérieur gauche du graphique. Il a un point de fusion de 1538 ° C.

Fe3C ou cémentite

La cémentite est une phase métastable de cet alliage avec une composition fixe de Fe3C. Il se décompose extrêmement lentement à température ambiante en fer et en carbone (graphite).

Ce temps de décomposition est long et il prendra beaucoup plus de temps que la durée de vie de l’application à température ambiante. Certains autres facteurs (températures élevées et ajout de certains éléments d’alliage par exemple) peuvent affecter cette décomposition car ils favorisent la formation de graphite.

La cémentite est dure et cassante, ce qui la rend adaptée au renforcement des aciers. Ses propriétés mécaniques sont fonction de sa microstructure, qui dépend de la façon dont elle est mélangée à la ferrite.

Solution liquide Fe-C

Marqué sur le diagramme comme «L», il peut être vu dans la région supérieure du diagramme. Comme son nom l’indique, c’est une solution liquide de carbone dans le fer. Comme nous savons que la δ-ferrite fond à 1538 ° C, il est évident que la température de fusion du fer diminue avec l’augmentation de la teneur en carbone.

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