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Exercice de métallurgie
(Eléments de réponse)
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1 - Quel est ce diagramme
binaire, le diagramme Fer carbone ou le
diagramme Fer cémentite ?
Il s'agit du diagramme Fer cémentite qui est limité
à 6.67 % de carbone.
2 - Tracer la
ligne du liquidus.
Voir diagramme.
3 - Tracer la
ligne du solidus.
Voir diagramme.
4 - Tracer la
ligne du solvus.
Voir diagramme.
5 - Que représente la
ligne de transformation à 1148°C
C'est la ligne de transformation
eutectique. On parle d’eutectique pour certains alliages métalliques dont la
température de fusion est fixe.
6 - Que représente la
ligne de transformation à 727°C ?
C'est la ligne de transformation
eutectoïde.
7 - Que représentent les
points P, E, E' ?
Le point P est un point péritectique.
Pendant le refroidissement il y a un palier thermique. Lors du passage de la
ligne horizontale, reliant le solidus au liquidus, passant par ce point, on a
une transformation de la solution solide
A déjà formée, par l’action du liquide restant, en une solution solide B.
Le point E est une
transformation eutectique. On parle de transformation eutectique pour un mélange
dont la fusion se fait à température fixe, comme c'est le cas pour les corps
purs et dont la phase liquide et la phase solide ont même composition. Sa température
de fusion est très inférieure à celles de ses constituants.
Le point E’ est une
transformation eutectoïde. Les points de transformation A1 et A3 se confondent,
l’alliage se transforme à température constante. Cet alliage s’appelle un
eutectoïde.
8 - Le carbone peut former
des solutions solides avec les trois variétés de
fer. Donner leur nom et leur
domaine d'existence.
Le fer
α
existe entre l’ambiante et 727°C-, c’est une
solution solide cubique centrée appelée aussi ferrite. Cette solution est
pauvre en carbone de 0.006% à l’ambiante jusqu’à 0.022% à 727°.
Le fer
γ
existe à partir de 727°+, c’est une solution
solide cubique à faces centrées appelée aussi austénite. Cette solution est
riche en carbone puisqu’elle peut comporter jusqu’à 2.1% de carbone à 1148°.
Le fer δ
existe à partir de 1410°+, c’est une solution
solide cubique centrée appelée aussi ferrite
δ. Cette
solution peut dissoudre 0.10% de carbone à 1493°.
9 - Indiquer la nature des
différentes phases de chaque domaine du
diagramme.
Voir diagramme.
10- Quel est le pourcentage
maximum de carbone dans l'austénite ?
Voir diagramme, point E1 :
2.1 %
11 - Quel est le pourcentage
maximum de carbone dans la ferrite ?
Voir diagramme, point S1 :
0.022 %
12 - Qu'est ce que la
perlite ?
C’est
le mélange hétérogène (agrégat) de ferrite et de cémentite. Les lignes de
transformation en phase solide font apparaître un point eutectoïde E’ (0,77
% C, 727 'C) ; l'alliage eutectoïde est la perlite ;
13 - Qu'est ce que la
lédéburite ?
C’est
le mélange hétérogène (agrégat) d’austénite et de cémentite obtenu à l’eutectique
(4.3% C). A l’ambiante, après transformation, la lédéburite s’appelle
lédéburite transformée car elle conserve sa structure mais l’austénite se
transforme en perlite.
14 - La cémentite ou carbure de fer est la combinaison chimiquement définie
Fe3C. A température ambiante, tracer l'évolution du pourcentage de cémentite
par rapport au pourcentage de ferrite.
Voir diagramme.
1 - Représentez une
maille de fer
α
puis une maille de fer
γ
2 -
Représentez
sur la maille de fer
α
puis sur la maille de fer
γ
les
sites d'insertion possibles de carbone.
3 – Comparez la compacité du réseau cubique centré et celle du réseau
cubique à face centrée.
4 - Pour
la maille de fer Cubique Centrée (fer
α) :
Un
atome de fer
α
a un
ø
= 252 pm.
La
diagonale rectangle mesure 2 x d, la maille aura une hauteur de a = 291 pm
le
volume d'une maille de fer Cubique Centrée = 2913 soit 24642171 pm3
Le volume
d'un atome de fer est de 8379155 pm3. Il y a deux atomes de fer par maille CC
soit 16758310 pm3
La
compacité d'une maille de fer Cubique Centrée sera
d'environ 68 %.
5 - Pour la maille de fer Cubique Face Centrée (fer
g)
:
Un
atome de fer γ
a un
ø
= 258 pm.
La
diagonale de la face mesure 2 x d, l’arête de la face sera : a =  d soit a = 364 pm
Il
y a quatre atomes de fer par maille CFC.
La
compacité d'une maille de fer Cubique Face Centrée sera d'environ 74%.
La
maille CFC est plus compacte que la maille CC.
Remarque :
diffusion du carbone dans une maille CC et CFC :
La
diffusion du carbone dans le fer se fera au niveau de l’arête d’une
maille. Un atome de carbone a un
ø =
154 pm.
-
Pour une maille CC a = 291 pm
Chaque atome de fer du côté de la maille devra se déplacer de 126 +77 -
(291/2) = 57.5 pm pour laisser passer l’atome de carbone, soit un
déplacement de
δ
= 39% environ.
-
Pour une maille CFC a = 356 pm
Chaque
atome de fer du côté de la maille devra se déplacer de 129 +77 - (356/2) =
28 pm pour laisser passer l’atome de carbone, soit un déplacement de
δ
=
15% environ.
-
Le fer α
a
un coefficient de remplissage inférieur (0.68) à celui du fer
γ (0.74) mais
l’insertion du carbone
y est plus difficile.
6 - La masse atomique du fer est de 56, la masse atomique du carbone est de
12. Quel est le pourcentage maximum de carbone admissible dans la cémentite ?
La
cémentite est une solution chimiquement définie, sa formule est Fe3C. Donc 3
atomes de fer pour un atome de carbone. Il y aura 168 grammes de fer pour 12
grammes de carbone. Le pourcentage maximum de carbone admissible dans la cémentite
sera de 12/(168+12) soit 6.67%.
1 - En règle générale, on utilise un
diagramme binaire simplifié. Pourquoi
peut-on se permettre cette simplification ?
Le
point péritectique présente peu d'intérêt, tout comme la solution solide
de carbone dans le fer d. De plus toute cette zone disparaissant, on peut donc se permettre de
ne pas la représenter pour l'étude générale des aciers.
2 - Tracer la zone d'existence de l' austénite
pro-eutectique, l'austénite
eutectique, de la cémentite eutectique ainsi que de la cémentite
pro-eutectique. Tracer alors la zone d'existence de l'eutectique.
Voir diagramme rectangle.
3 - Tracer la zone d'existence de la ferrite
pro-eutectoïde, de la ferrite
eutectoïde, de la cémentite eutectoïde puis de la cémentite pro-eutectoïde.
Voir diagramme rectangle.
4 - Acier hypo-eutectoïde : Quelle
est la teneur en carbone de l'austénite d'un acier à 0.5 %C en début de
solidification (point M1), en fin de solidification (N1). Quelle est la teneur
en carbone de la ferrite primaire (ou pro-eutectoïde) d'un acier à 0.5 %C en
début de précipitation (point P1). Juste avant la transformation eutectoïde
(Q1), donner la teneur en carbone de la ferrite primaire et de l'austénite.
Calculez le % de masse de ferrite pro-eutectoïde puis le % de masse de
perlite dans l'alliage.
-
Au début de la solidification (M1) le pourcentage de carbone dans l'austénite
est d'environ 0.15%.
-
En fin de solidification (N1) le pourcentage de carbone dans l'austénite est
de 0.5%.
-
La teneur en carbone de la ferrite pro-eutectoïde au début de la précipitation
(P1) sera d'environ 0.01%.
-
Juste avant la transformation eutectoïde (Q1), le pourcentage de carbone dans
la ferrite pro-eutectoïde sera de 0.02% et le pourcentage de carbone dans
l'austénite sera de 0.77%.
-
La masse de ferrite pro-eutectoïde est de  soit 36.10 % de la masse de l’alliage.
-
La masse de perlite est de  soit
63.90 % de la masse de l’alliage.
5 - Acier hyper-eutectoïde : Quelle
est la teneur en carbone de l'austénite d'un acier à 1.2%C juste avant la
transformation eutectoïde (Q2). Calculez la masse de cémentite pro-eutectoïde
puis la masse de perlite dans l'alliage.
Pour
un acier hyper-eutectoïde, la teneur en carbone de l’austénite à 727°C
est de 0.77%.
La
masse de cémentite pro-eutectoïde est de  soit environ 7.28 % de la masse de l’alliage.
La
masse de perlite est de  soit
92.71 % de la masse de l’alliage.
6 - Acier eutectoïde : Calculez
la masse de cémentite eutectoïde puis la masse de ferrite eutectoïde dans
la perlite.
La
masse de cémentite eutectoïde est de  soit 11.25 % de la masse de l’alliage.
La
masse de ferrite eutectoïde est de  soit 88.74 % de la masse de l’alliage.
7 - C'est la ferrite qui précipite en cémentite
tertiaire. Le pourcentage
maximum de carbone dans la ferrite à température ambiante est de 0.006%,
calculer le pourcentage maximum de cémentite tertiaire que l'on pourra
obtenir.
La
masse de cémentite tertiaire est de  soit 0.24 % de la masse de l’alliage.
8 - Fonte hypo-eutectique : Quelle est la teneur en carbone de l'austénite
primaire d'une fonte à 3 %C en début de solidification (point M3), en fin de
solidification (N3).
La
teneur en carbone de l’austénite d’une fonte hypo-eutectique à 3% de
carbone au début de la solidification (M3) sera d'environ 1.23%.
En
fin de solidification, juste avant la transformation eutectoïde (Q3), le
pourcentage de carbone dans l’austénite sera de 0.77%.
9 - Fonte hyper-eutectique : Pour une fonte à 5%, quel est le premier
constituant qui se dépose en début de solidification (M4) ? Lors de la
transformation eutectique en quoi se transforme le liquide résiduel ? Quelles
sont les phases de la lédéburite ? L'austénite lédéburitique évolue en
deux étapes, de N4 à Q4, puis à Q4. Donner la composition des
transformations successives. Où se trouve alors la cémentite primaire ?
En début de solidification (M4) il y a un dépôt de cémentite primaire.
Lors de la transformation eutectique le liquide résiduel se transforme en lédéburite.
La lédéburite est constituée de deux phases, de l’austénite et de la cémentite.
On parle aussi d’austénite et de cémentite lédéburitiques.
L’austénite lédéburitique laisse déposer de la cémentite. Cette cémentite,
apparaissant après la cémentite primaire est appelée cémentite secondaire.
Il est à noter que ce sont les métallurgistes qui font cette distinction
entre cémentites et non les physiciens.
A
1148°C -
:
Pourcentage
d’austénite dans la fonte :  = = 36.54%
Pourcentage
de cémentite dans la fonte : = = 63.45%
A
936°C :
Pourcentage
d’austénite dans la fonte :  = 31.15%
Pourcentage
de cémentite dans la fonte :  =
68.84%
A
727°C + :
Pourcentage
d’austénite dans la fonte :  = = 28.30%
Pourcentage
de cémentite dans la fonte :  = = 71.69%
C’est
sur la cémentite primaire que vient se déposer la cémentite secondaire.
10 - Fonte eutectique : A 1148°C, la lédéburite est constituée de cémentite
et d'austénite. Donner la proportion d'austénite dans la masse totale de la
fonte ainsi que le pourcentage de carbone contenu dans l'austénite.
Pourcentage
d’austénite dans la fonte eutectique (4.3 % C) :  = = 51.85%
Le
pourcentage de carbone contenu dans l’austénite est de 2.1%.
 corrigé
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