Le diagramme fer-carbone est l'un des outils les plus importants de la métallurgie et de la conception des matériaux métalliques. Il est utilisé pour comprendre comment se comportent les aciers et les fontes en fonction de la température et de la teneur en carbone.
Connaître le diagramme fer-carbone est fondamental pour choisir le matériau approprié, concevoir des traitements thermiques, prévoir les propriétés mécaniques et contrôler la dureté, la résistance et la ductilité.
C'est la base théorique d'une grande partie de l'industrie sidérurgique moderne.
Le diagramme fer-carbone est un diagramme d'équilibre qui décrit les transformations structurales des alliages fer-carbone en fonction de la température et de la teneur en carbone.
Il montre quelles phases métallurgiques se forment lors du chauffage ou du refroidissement, permettant ainsi de prévoir la microstructure finale du matériau.
Le carbone est l'élément qui influence le plus le comportement de l'acier.
De petites variations de carbone modifient : la dureté, la résistance mécanique, la ténacité, la soudabilité et la ductilité. En général :
Le diagramme met en relation le pourcentage de carbone de 0 % à 6,67 % (axe horizontal) avec la température jusqu'à 1 600 °C (axe vertical).
À l'intérieur du diagramme apparaissent diverses phases, lignes critiques et points eutectoïdes et eutectiques.
La ferrite α est la phase stable à température ambiante et jusqu'à environ 912 °C. Elle possède une structure cristalline cubique centrée (CC), une faible solubilité du carbone (maximum 0,02 % à 723 °C) et une bonne ductilité. La ferrite δ, stable à haute température (1 394–1 538 °C), possède également une structure CC.
L'austénite est la phase solide stable entre 912 °C et 1 495 °C. Elle possède une structure cubique à faces centrées (CFC), qui permet une solubilité du carbone bien plus grande que la ferrite : jusqu'à 2,14 % C à 1 148 °C. L'austénite est la phase de départ pour la plupart des traitements thermiques des aciers.
La cémentite est le carbure de fer de formule Fe₃C, contenant 6,67 % C en masse. C'est une phase extrêmement dure et fragile, de structure orthorhombique. On la trouve souvent sous forme de lamelles dans la perlite ou comme réseau intergranulaire dans les fontes hypereutectoïdes.
La perlite n'est pas une phase unique, mais une microstructure lamellaire composée de couches alternées de ferrite et de cémentite. Elle se forme lors du refroidissement lent de l'austénite au point eutectoïde (0,8 % C, 723 °C) par la réaction eutectoïde.
La lédéburite est la microstructure eutectique des fontes, composée d'austénite et de cémentite. Elle se forme à 1 148 °C avec une teneur en carbone de 4,3 %. Elle est caractéristique des fontes blanches et est responsable de leur grande dureté et fragilité.
Le diagramme divise les alliages fer-carbone en deux grandes catégories.
Teneur en carbone jusqu'à environ 2,06 % Ils sont :
Teneur en carbone supérieure à 2,06 % Elles sont :
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Type |
Teneur en carbone |
Caractéristiques principales |
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Aciers hypoeutectoïdes |
0,02-0,8% |
Ferrite + perlite ; bonne ductilité |
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Aciers eutectoïdes |
~0,8% |
Perlite ; équilibre entre dureté et ductilité |
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Aciers hypereutectoïdes |
0,8-2,14% |
Perlite + cémentite ; haute dureté |
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Fontes hypoeutectiques |
2,14-4,3% |
Perlite + lédéburite transformée |
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Fonte eutectiques |
4,3% |
Lédéburite pure |
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Fonte hypereutectiques |
4,3-6,67% |
Lédéburite + cémentite primaire |
L'un des points les plus importants du diagramme est le point eutectoïde :
Ici, l'austénite se transforme complètement en perlite. C'est la référence de base pour de nombreux traitements thermiques.
Le point eutectique se situe à :
Ici, le liquide se solidifie directement en :
Il est fondamental dans l'étude des fontes.
Le point péritectique se situe approximativement à :
En ce point, le liquide et la ferrite δ réagissent pour former de l'austénite.
Pour lire le diagramme, il faut :
A partir de là, il est possible de comprendre quelles sont les phases présentes, comment les propriétés mécaniques vont varier et comment le matériau va réagir au traitement thermique.
Le diagramme est utilisé pour :
La compréhension du diagramme Fe-C est indispensable pour concevoir et contrôler les principaux traitements thermiques des aciers.
Refroidissement lent qui amène la microstructure vers l'équilibre, réduisant les contraintes résiduelles et augmentant la ductilité.
Refroidissement à l'air depuis l'austénite ; produit des microstructures plus fines que le recuit.
Refroidissement rapide qui empêche la diffusion du carbone, transformant l'austénite en martensite, une phase métastable très dure.
Traitement effectué après la trempe qui réduit la fragilité et relâche les contraintes internes, augmentant légèrement la ductilité.
Processus d'enrichissement superficiel en carbone pour amener une couche de surface dans l'intervalle de composition favorisant la formation de martensite lors de la trempe.
Le diagramme :
Pour les aciers spéciaux, des diagrammes plus complexes sont utilisés : TTT, CCT ou diagrammes multicomposants.
Le diagramme fer-carbone est le fondement de la métallurgie des aciers et des fontes. Il permet de comprendre les transformations microstructurales, le comportement mécanique et les effets des traitements thermiques.
Que l'on travaille en conception, production CNC, traitements thermiques ou fabrication additive, comprendre le diagramme fer-carbone signifie comprendre le comportement des matériaux métalliques à la base de l'industrie moderne.
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