Le diagramme de phase Iron-Carbon : son rôle dans l'ingénierie moderne des matériaux

Le diagramme de phase du carbone-fer (Fe-C) demeure une pierre angulaire de la métallurgie physique, utilisée quotidiennement par les ingénieurs en matériaux pour prédire l'évolution microstructurale pendant la coulée, la formation et le traitement thermique. Ce diagramme montre les phases d'équilibre présentes dans les alliages de carbone-fer en fonction de la température (sur l'axe vertical) et de la teneur en carbone (sur l'axe horizontal, jusqu'à environ 6,67 % de la composition du cémentite).

La puissance du diagramme de phase réside dans sa capacité à répondre à deux questions critiques : quelles phases existent à une composition et à une température données, et comment ces phases changent lorsque la température change. Par exemple, un acier avec 0,4 % de carbone chauffé au-dessus de 800 °C devient austénite monophasé, qui peut ensuite être trempé pour former martensite. Le diagramme explique également pourquoi les fontes (carbone > 2,11 %) peuvent se solidifier avec du graphite au lieu de cémentite, selon le taux de refroidissement et les éléments d'alliage.

Lecture du diagramme : Axes, points invariants et régions clés

Le diagramme de phase Fe-C est tracé avec la température (habituellement en °C ou °F) sur l'axe des y et la concentration de carbone (en pourcentage du poids) sur l'axe des x. Le diagramme s'étend à environ 6,67 % en poids de C (composition de cémentite, Fe3C). La limite la plus gauche à 0 % C représente le fer pur, qui présente trois allotropes : alpha (ferrite, BCC), gamma (austenite, FCC) et delta (BCC à haute température). Le carbone est essentiellement interstitiel dans ces réseaux, et les plages de stabilité des allotropes sont considérablement modifiées par la présence de carbone.

Les trois réactions invariantes

Trois réactions invariantes – des points où trois phases coexistent à une température et une composition fixes – définissent les principales caractéristiques du diagramme :

  • Réaction péritectique (1495 °C, 0,16 % en poids de C):[ Liquide + γ-ferrite γ austénite (γ). Cette réaction est importante dans la solidification des aciers à faible teneur en carbone, où γ-ferrite se forme d'abord et se transforme ensuite en austénite après un refroidissement ultérieur.
  • Réaction eutectique (1147 °C, 4.30 wt% C):[ Liquide - - austénite + cémentite (ou austénite + graphite, selon la stabilité).Cette réaction régit la solidification des fontes. Le produit est appelé lèdeburite (austenite + cémentite) dans les fontes blanches.
  • Réaction eutectoïde (727 °C, 0,76 % en poids de C):[ Austenite ↓ ferrite + cémentite. C'est de loin le point invariant le plus significatif technologiquement parce qu'il contrôle le comportement de transformation des aciers au carbone unis.

Il existe un quatrième invariant à 912 °C pour le fer pur (la température A3), mais il n'est pas dépendant de la composition. De plus, à 770 °C (la température de Curie de la ferrite), il y a une transformation magnétique, mais il s'agit d'une transformation de second ordre et n'est pas toujours montré sur les diagrammes de phase destinés à l'analyse du traitement thermique.

Champs clés de phase

Un champ de phase est une région du diagramme où une seule phase ou un mélange de deux phases est thermodynamiquement stable. Les principaux champs sont :

  • Liquid (L):[ Au-dessus de la ligne liquidus, l'alliage est entièrement fondu.
  • L + γ-ferrite:[ Un champ en deux phases pour les aciers à faible teneur en carbone à haute température.
  • -ferrite:[ Un champ étroit juste au-dessous du point de fusion, jusqu'à environ 0,1 % C.
  • L + γ (austenite): Présent pour les aciers au-dessus de la composition eutectique et pour les aciers entre 0,16 % et 2,11 % C pendant la solidification.
  • Austenite (γ): Le champ de FCC monophasé, stable entre ~727 °C et 1495 °C (selon la teneur en carbone). La solubilité du carbone dans l'austénite atteint un maximum de 2,11 % en masse à 1147 °C.
  • L + Fe3C (cimentite):[ Pour les aciers hypereutectiques au-dessus de la température eutectique.
  • Ferrite (α): La phase de CCB, avec une très faible solubilité dans le carbone (max. 0,022 % en masse à 727 °C).
  • Ferrite + Fe3C (cimentite):[ La région en deux phases sous la température de l'eutectoïde pour les aciers hypoeutectoïdes; le mélange est connu sous le nom de ferrite + perlite lors d'un refroidissement lent.
  • Fe3C + α + γ: Une région en trois phases, mais strictement invariante, représente des températures fixes.

Il est important de reconnaître que le diagramme montré dans la plupart des manuels est en fait le métastable Fe-Fe3C diagramme, parce que le cémentite est une phase métastable qui se décompose en graphite avec suffisamment de temps (surtout en présence de silicium). Le diagramme stable graphite-fer, plus pertinent pour les fontes grises, a la composition eutectique déplacée à ~4.2 wt% C et l'eutectoïde à ~0.68 wt% C. Les ingénieurs en matériaux doivent comprendre quel diagramme s'applique à leurs conditions de processus.

Les phases en détail : Structure, propriétés et apparition

Chaque phase rencontrée dans le système Fe-C possède des caractéristiques cristallographiques et mécaniques distinctes que les ingénieurs exploitent par le contrôle de la microstructure.

Ferrite (α-Fe)

La ferrite est un réseau cubique (BCC) centré sur le corps et est la phase stable du fer pur à température ambiante. Sa solubilité en carbone est négligeable (< 0,008 % en poids à température ambiante, augmentant à 0,022 % en poids à 727 °C). Cette faible solubilité signifie que tout carbone en excès de cette limite précipitera comme cémentite ou graphite, selon les conditions de refroidissement. La ferrite est relativement douce (durité ~80–100 HB), ductile (allongement jusqu'à 50 %), et possède de bonnes propriétés magnétiques en dessous de sa température de Curie (770 °C).

Austenite (γ-Fé)

With a face-centered cubic (FCC) structure, austenite is stable only at elevated temperatures in plain carbon steels. Its FCC lattice provides larger interstitial sites, allowing carbon solubility up to 2.11 wt%. Austenite is non-magnetic and generally ductile, with a high strain-hardening rate. In heat treatment practice, austenite is the parent phase from which all final microstructures are derived. Its grain size at the time of quenching or cooling strongly influences the resulting mechanical properties: finer austenite grains lead to finer martensite laths or finer pearlite interlamellar spacing, improving both strength and toughness.

Austenite can be retained at room temperature in high-carbon steels or those with significant manganese or nickel content (the basis of austenitic stainless steels and Hadfield manganese steel).

Cémente [Fe3C]

Le cimentite est un composé intermétallique à structure cristalline orthorhombique contenant 6,67 % en poids de carbone. Il est extrêmement dur (environ 800 HV) et fragile, sans ductilité fondamentale. Dans les microstructures en acier, le cimentite apparaît comme de fines lamelles en narite, comme des réseaux le long des limites de grains d'austénite (le ciment proetectoïde dans les aciers hypereutectoïdes), ou comme des particules sphéroidisées après une tempérament prolongée.

Perlite

Le perleite n'est pas une seule phase mais un produit de décomposition eutectoïde composé de lamelles alternées de ferrite et de cémentite. Il se forme lorsque l'austénite de composition eutectoïde (0,76–0,80 wt% C) est refroidi lentement à travers la température eutectoïde. L'espacement interlamellaire (la distance entre les couches adjacentes de cémentite) dépend du refroidissement sous-jacent : un refroidissement plus rapide produit un espacement plus fin, ce qui augmente la dureté et la résistance du perleite. C'est la base du fil breveté (p. ex., pour le cordon de pneu), où le perle extrêmement fin est attiré en fil à haute résistance.

Graphite

Le graphite est la forme stable du carbone dans le système Fe-C. Il a une structure hexagonale en couches et est très doux (durcissité Mohs 1-2), avec d'excellentes propriétés lubrifiantes. Dans les fontes, le graphite précipite dans différentes morphologies : le graphite en flocons (fer gris), le graphite sphéroidal ou nodulaire (ferductile) et le graphite compacté (CGI). La présence du graphite modifie considérablement le comportement mécanique de la fonte : il agit comme un élévateur de contrainte (le graphite en flocons réduit la résistance à la traction et la ductilité), fournit une capacité d'amortissement, améliore la machinabilité et peut agir comme un lubrifiant solide dans les applications d'usure coulissante.

Utilisation du diagramme pour prédire la microstructure : refroidissement et composition

L'une des applications les plus puissantes du diagramme de phase Fe-C est de prédire les constituants microstructuraux qui se forment sous refroidissement lent (conditions d'équilibre), base pour la conception d'aciers avec des rapports ferrite/pearlite spécifiques ou de fonte avec morphologie graphite souhaitée.

Aciers hypoeutécoïdes (0,02–0,76 % en poids C)

Lorsqu'un acier hypoeutectoïde (par exemple AISI 1020 avec 0,20 % C) est lentement refroidi à partir de la région austénite, le premier solide à se former est la ferrite proeutectoïde, qui nuclée à la limite des grains d'austénite et croît à mesure que la température tombe à travers la région (γ + α) biphasée. À la température de l'eutectoïde, l'austénite restante a atteint 0,76 % C et se transforme en narite. La fraction de volume de la ferrite proeutectoïde peut être calculée en utilisant la règle du levier à une température juste au-dessus de l'eutectoïde: % ferrite = (0,76 – C0 / (0,76 – 0,022) × 100 pour la fraction de poids de la ferrite. Le reste est narite. Pour un acier 0,20 % C, cela donne environ 75 % de ferrite et 25 % de narite par volume. Cette règle fournit une estimation rapide de la microstructure et, par conséquent, la résistance approximative à la traction et au du du

Aciers hypereutectoïdes (0,76–2,11 % en poids C)

Dans les aciers hypereutectoïdes, la cémentite proeutectoïde précipite d'abord à la limite des grains d'austénite lorsque l'alliage se refroidit dans la région (γ + Fe]3C. À la température de l'eutectoïde, l'austénite restante (actuellement à 0,76 % C) se transforme en perlite. Le réseau de cémentite qui se forme à la limite des grains antérieure peut être délétère à la dureté à moins que l'acier ne soit soumis à un traitement de recuit sphéroïdisant (chauffage juste en dessous de A]1 pour briser les réseaux et sphéroïdiser le cémentite).

Fers à repasser (2.11–6,67 en poids)

Pour les alliages de plus de 2,11 % C, la réaction eutectique régit la solidification. Dans les fontes blanches, le produit eutectique est la lédiburite (austenite + cémentite), qui produit un matériau dur et fragile adapté aux applications résistantes à l'usure (par exemple, les liners de moulin, les buses de grenaillement). Dans les fontes grises, l'eutectique est l'austenite + graphite (forme flocée). Le taux de refroidissement et la composition contrôlent si le cimentite ou le graphite se forme : le refroidissement rapide favorise le cémentite (chilling), tandis que le refroidissement lent et la présence de silicium favorisent le graphite. Le diagramme de phase aide les ingénieurs à choisir l'équivalent carbone (CE = %C + 1/3 (%Si + %P)) pour assurer un chemin de solidification souhaité.

Au-delà de l'équilibre : Connecter le diagramme de phase aux diagrammes CCT et TTT

Le diagramme de phase Fe-C est un diagramme d'équilibre, ce qui signifie qu'il montre des phases qui existent si le refroidissement est infiniment lent. Dans la pratique industrielle actuelle, les taux de refroidissement sont finis, et des phases non-équilibres comme la martensite, la baïnite et même l'austenite conservée apparaissent. Pour faire usage pratique du diagramme de phase, les ingénieurs superposent le diagramme temps-température-transformation (TTT) ou le diagramme de refroidissement-transformation continue (CCT) pour une composition d'acier donnée.

Le diagramme TTT (également appelé diagramme de transformation isothermique) montre la cinétique de transformation à température constante. La température eutectoïde (727 °C) forme la ligne de référence horizontale sur les diagrammes TTT : au-dessus de cette température, l'austenite est stable ; juste en dessous, le perlite se forme lentement ; à des températures plus basses, les formes de baïnite ; et après refroidissement rapide, les lignes de départ de transformation sont supprimées, et les formes de martensite à la température M[ss[qui dépend de la teneur en carbone. Le diagramme de phase Fe-C fournit les limites d'équilibre (p. ex., la température eutectoïde, les compositions de phases) qui servent de limites thermodynamiques pour les transformations.

En superposant la courbe de refroidissement (p. ex., la ligne centrale d'une barre trempée) sur le diagramme de CCT, les ingénieurs peuvent prédire la microstructure et la dureté qui en résultent. Le diagramme Fe-C fournit les températures critiques A[1, A3 et A[cm (les températures d'austénitisation) qui définissent l'endroit où commencent et se terminent les transformations. La température d'austénitisation appropriée est choisie sur la base du diagramme de phase : les aciers hypoeutectoïdes sont généralement chauffés de 30 à 50 °C au-dessus de A]3] pour produire de l'austénite homogène, tandis que les aciers hypereutectoïdes sont chauffés à une température comprise entre A1 et A pour éviter que tous les problèmes de croissance du grain ne soient résolus[FLT]

Applications pratiques de traitement thermique

Armés du diagramme de phase et des diagrammes cinétiques, les ingénieurs en matériaux conçoivent des cycles de traitement thermique qui permettent d'obtenir des microstructures spécifiques.

Anneau complet en acier hypoeutectoïde

Le recuit complet est effectué pour adoucir l'acier pour le formage ou l'usinage subséquent. L'acier est chauffé de 30 à 50 °C au-dessus de A[]3 jusqu'à ce qu'une austénitisation complète se produise, puis refroidi lentement dans le four. Selon le diagramme de phase, le refroidissement lent dans la région en deux phases (γ + α) et la transformation en eutectoïde produisent du narite grossier et de la ferrite. Le narite grossier, le narite plus doux de l'acier. Ce traitement donne une dureté minimale et une ductilité maximale, rendant l'acier facile à la machine.

Par exemple, AISI 1045 (0,45 % C) serait chauffé à environ 830 °C et refroidi au four, donnant une microstructure de narite grossier avec un peu de ferrite proetectoïde.

Anneau de sphéroïdisation en acier à haute teneur en carbone

Pour les aciers hypereutectoïdes (par exemple AISI 1095, 1,0 % C) et les aciers à outils à haute teneur en carbone, on utilise un traitement de recuit sphéroïdisant pour produire du cémentite globulaire dans une matrice ferrite. L'acier est chauffé à une température juste au-dessous de A1 (par exemple, 700-720 °C) et maintenu pendant une longue période (jusqu'à 20 heures), ou il est soumis à un cycle juste au-dessus et au-dessous de A1 pour briser les réseaux de cémentite. Le diagramme de phase indique qu'à ces températures, les phases d'équilibre sont ferrite + Fe3[C. La lente diffusion du carbone pendant la rétention permet aux lamelles de cémentite de grossir et de sphéroïdiser, réduisant l'énergie de surface interne.

Les phénomènes de détérioration et de tempérance

Pour maximiser la dureté, les aciers sont austénités, puis trempés pour former la martensite. Pour un acier eutectoïde (0,76 % C), le diagramme de phase montre qu'à 727 °C, l'austénite de cette composition se transforme en narite si elle est refroidie lentement; mais avec un extinction rapide, la transformation en narite ou en baïnite est supprimée, et les formes de martensite à environ 250 °C (Mss]. La martensite résultante est extrêmement dure (environ 65 HRC) mais fragile. La température (réchauffage à 150-650 °C) permet à certains carbones de précipiter sous forme de fines particules de cémentite, réduisant la dureté mais améliorant la dureté. Le diagramme de phase éclaire à nouveau le processus de température: à des températures inférieures à A]1], les phases stables sont ferrite et cémentite, de sorte que la transformation de la martensite tétragonale en ferrite et le cément sont entraînés thermodynamiquement.

Limites et idées fausses communes

Bien que le diagramme de phase Fe-C soit inestimable, il comporte des limites que les praticiens doivent reconnaître :

  • Conditions d'équilibre:[ Le diagramme suppose un refroidissement ou un chauffage infiniment lent. Les processus réels impliquent des vitesses finies, de sorte que les phases indiquées sur le diagramme ne peuvent pas apparaître, ou les phases métastables (martensite, bainite) peuvent se former à la place.
  • Eléments d'alliage: Le diagramme est pour le binaire Fe-C pur. Tous les aciers commerciaux contiennent du manganèse, du silicium, du phosphore, du soufre, et souvent du chrome, du nickel, du molybdène, etc. Ces éléments déplacent les limites de phase (p. ex. A1 et A3 températures) et stabilisent ou suppriment les phases. Par exemple, le nickel et le manganèse abaissent les températures critiques et élargissent le champ de phase austénite; le chrome et le molybdène les élèvent et favorisent la formation de carbure.
  • Graphite vs. cémentite: Le diagramme standard montre Fe-Fe3C, pas stable Fe-C. Pour les fers ductile et gris, le diagramme de graphite doit être utilisé, avec ses différentes positions eutectiques et eutectoïdes. Le silicium favorise fortement la graphitisation, de sorte que le diagramme stable devient plus représentatif pour les fontes à haute silice.
  • Aucune information sur la cinétique:[ Le diagramme ne dit pas à quel point les transformations se produisent rapidement. Cela nécessite des données TTT ou CCT. Les ingénieurs utilisent souvent le diagramme de phase pour définir les températures du processus et ensuite utiliser des modèles cinétiques pour concevoir les taux de refroidissement.

Une idée fausse courante est que la composition en eutectoïde est exactement de 0,76 % C à 727 °C. En réalité, ces valeurs varient avec de petites quantités d'éléments d'alliage. Pour les aciers au carbone ordinaire (avec < 0,5 % Mn), l'eutectoïde est d'environ 0,80 % C et 727 °C. Avec 1 % Mn, le carbone eutectoïde tombe à environ 0,60 % C et la température augmente à ~730 °C. Se reporter toujours aux données spécifiques pour la qualité de l'acier à l'étude.

Conclusion

Le diagramme de phase fer-carbone est bien plus qu'un sujet d'examen requis – c'est un outil pratique quotidien qui sous-tend la conception et le traitement des alliages ferreux. En identifiant les phases clés (ferrite, austénite, cémentite, perlite, graphite) et leurs plages de stabilité, les ingénieurs en matériaux peuvent prédire la microstructure à coulée, choisir les températures d'austénitisation appropriées, concevoir des cycles de traitement thermique et prévoir les effets des changements de composition. La maîtrise du diagramme combinée à une compréhension de la cinétique de transformation permet un contrôle précis de la résistance à la résistance à la résistance à la résistance à la résistance à la résistance à la résistance à la résistance à la résistance à la résistance à la résistance à la résistance à la résistance à la résistance à la résistance à la résistance à la fusion dans l'énorme famille d'aciers et de fonte.