Chapitre 13 Diagrammes binaires Plan du chapitre Solidification

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 ØFibrage du métal ØAugmentation 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 T Td L L+S Tf S A pur x. B, f x. B, i x. B B pur x. B, d 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. Phase solide finale est, dans ces conditions de solidification en équilibre, homogène et de composition parfaitement uniforme.

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 25 µm 19 40 90 Exercice : 95 % Sn 220°C 183°C 50°C

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 ØSi T diminue, solubilité de B dans la phase a diminue ØSi 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 : ØSolution solide d’insertion dans le fer a (ferrite) ou le fer g (austénite) ØCarbure métastable Fe 3 C (cémentite) ØGraphite libre 2 types de diagrammes : ØDiagramme stable (fonte grise) avec du graphite ØDiagramme métastable Fe 3 C (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 : ØSolution solide d’insertion de C dans Fe g ØBonne solubilité du C dans l’austénite Ø[C]max = 2% à 1150 °C ØStructure C. F. C. ØStructure instable à T ambiante

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

Alliages fer-carbone (6) Les différents constituants Cémentite : ØCémentite = carbure de fer Fe 3 C Ø% déterminé de C = 6, 67 % ØDomaine = 1 ligne verticale ØStructure orthorombique ØCr, Mo, Si peuvent être en solution d’insertion ØStructure dure, cassante et fragile Graphite : ØC pur ØRéseau hexagonal

Alliages fer-carbone (7) Réactions entre phases Eutectique L g + Fe 3 C Eutectoïde g a + Fe 3 C

Alliages fer-carbone (8) Les zones importantes • Les aciers: °C alliages Fe-Fe 3 C dont %C(masse)<2% A 1500 1538 d d + L 1495 g +d B on distingue: - les aciers hypoeutectoïdes %C <0, 85% - les aciers eutectoïdes %C=0, 85% - les aciers hypereutectoïdes %C>0, 85% D L 1394 g+L L + Fe 3 C g 1148°C E: 2, 1% C: 4, 3% 1000 912 a g + Fe 3 C • Les fontes blanches: a +g P: 0, 02% 727°C alliages Fe-Fe 3 C dont 2<%C(masse)<6, 67% S: 0, 77% a + Fe 3 C 500 0. 2 1 2 %C en masse 3 4 5 6 7 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 °C Soit un acier à 0, 4% de C: A 1500 transformations au cours du refroidissement 1538 d + L 1495 d g +d B D L °C 1394 g+L L + Fe 3 C g 1148°C M E: 2, 1% C: 4, 3% 1000 912 a g + Fe 3 C a +g P: 0, 02% 727°C S: 0, 77% toute l’austénite résiduelle s’est transformée en perlite a + Fe 3 C 500 0. 2 austénite ferrite aux joints de grains d’ austénite 1 2 %C en masse 3 4 5 6 7 t

Alliages fer-carbone (10) Les aciers eutectoïdes °C Soit un acier à 0, 85% de C: A 1500 transformations au cours du refroidissement 1538 d + L 1495 d g +d B D L °C 1394 g+L L + Fe 3 C g 1148°C M E: 2, 1% C: 4, 3% 100% de perlite 1000 912 a g + Fe 3 C a +g P: 0, 02% austénite toute l’austénite s’est transformée en perlite 727°C S: 0, 77% a + Fe 3 C 500 0. 2 1 2 %C en masse 3 4 5 6 7 Perlite : 89% perlite et 11% Fe 3 C t

Alliages fer-carbone (11) Les aciers hypereutectoïdes °C Soit un acier à 1, 2% de C: A 1500 transformations au cours du refroidissement 1538 d d + L 1495 g +d B D L °C 1394 g+L cémentite aux joints de grains d’austénite L + Fe 3 C g M 1148°C E: 2, 1% C: 4, 3% 1000 912 a g + Fe 3 C a +g P: 0, 02% 727°C S: 0, 77% toute l’austénite résiduelle s’est transformée en perlite a + Fe 3 C 500 0. 2 austénite 1 2 %C en masse 3 4 5 6 7 t

Alliages fer-carbone (12) Les fontes hypoeutectiques Soit une fonte à 3% de C: °C °C A 1500 1538 d d + L 1495 g +d M B D L liquide dendrites d’austénite g +lédéburite 1394 g+L L + Fe 3 C g 1148°C E: 2, 1% dépôt de Fe 3 C secondaire C: 4, 3% 1000 912 a g + Fe 3 C a +g P: 0, 02% 727°C S: 0, 77% a + Fe 3 C 500 0. 2 1 2 %C en masse transformation de l’austénite en perlite 3 4 5 6 7 t

Alliages fer-carbone (13) Les fontes hypereutectiques Soit une fonte à 5% de C: °C °C A 1500 1538 d d + L 1495 g +d M B D L aiguilles de Fe 3 C primaire 1394 g+L lédéburite L + Fe 3 C g liquide 1148°C E: 2, 1% dépôt de Fe 3 C secondaire C: 4, 3% 1000 912 a g + Fe 3 C a +g P: 0, 02% 727°C S: 0, 77% a + Fe 3 C 500 0. 2 1 2 %C en masse transformation de la lédéburite 3 4 5 6 7 t

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