Diagramme de phase fer-carbone : Votre guide simple

Vous êtes-vous déjà demandé comment l'acier acquiert sa résistance ? Ou pourquoi la fonte se brise lorsqu'on la laisse tomber ? Les réponses se trouvent dans les diagramme de phase fer-carbone. Ce tableau peut sembler complexe à première vue, mais il s'agit en fait d'une carte qui aide les ingénieurs à fabriquer des métaux dotés des propriétés adéquates.

Table des matières

Qu'est-ce qu'un diagramme de phase fer-carbone ?

Un diagramme de phase fer-carbone est un tableau qui montre comment le fer et le carbone se mélangent à différentes températures. Il s'agit d'un livre de recettes qui vous indique ce qui se passe lorsque vous chauffez ou refroidissez de l'acier et de la fonte.

Le diagramme permet de prévoir ce que microstructures se formeront dans votre métal. Ces minuscules structures déterminent si votre métal sera dur, mou, cassant ou résistant.

Principaux éléments du diagramme

Axes et variables

Le diagramme fer-carbone comporte deux parties principales :

Axe X: Indique la teneur en carbone de 0% à 6,67%
Axe des Y: Affiche la température de 0°C à 1600°C

Phases clés

Le diagramme montre plusieurs éléments importants phases ou les formes que peuvent prendre les mélanges fer-carbone :

Phase	Structure	Propriétés	Teneur en carbone
Austenite (γ-Fe)	Cubique à faces centrées	Souple, ductile	Jusqu'à 2.1% à 1147°C
Ferrite (α-Fe)	Cubique centré sur le corps	Souple, magnétique	Jusqu'à 0,02% à température ambiante
Cémentite (Fe₃C)	Orthorhombique	Dure, cassante	6.67% carbone

Points/lignes critiques

Le diagramme comporte plusieurs points critiques où se produisent les grands changements :

Point eutectoïde: A 727°C et 0,8% de carbone, l'austénite solide se transforme en un mélange de ferrite et de cémentite (appelé perlite).
Point eutectique: A 1147°C et 4.3% carbone
Point péritectique: A 1495°C et 0,17% de carbone

Microstructure de l'acier montrant de la ferrite, de la cémentite et de la perlite

Fonctionnement du diagramme

Transformations de phase

Suivons ce qui se passe lorsque l'acier refroidit après avoir subi des températures élevées :

Métal liquide commence à former des cristaux solides à environ 1500°C
Austenite se forme en tant que premier solide
Lorsque le refroidissement se poursuit jusqu'à 727°C, l'austénite doit se transformer

La suite dépend de la quantité de carbone contenue dans le mélange :

Acier hypoeutectoïde (moins de 0,8% de carbone) : Une partie de la ferrite se forme d'abord, puis l'austénite restante se transforme en perlite à 727°C.
Acier hypereutectoïde (plus de 0,8% de carbone) : Une partie de la cémentite se forme d'abord, puis l'austénite restante se transforme en perlite.

Si vous refroidissez très rapidement grâce à un processus appelé trempe, vous pouvez former martensite au lieu de cela, une structure extrêmement dure.

Le rôle du carbone

Le carbone est comme un invité dans la maison du fer. Il ne peut s'adapter qu'à certains endroits du cristal de fer :

En austénitele carbone s'insère facilement entre les atomes de fer
En ferriteIl y a moins de place, donc le carbone ne s'intègre pas bien.
Lorsqu'il y a trop de carbone, il se forme cémentite (Fe₃C)

Ce nombre limité de solubilité du carbone dans les différentes formes de fer est la raison pour laquelle le diagramme de phase a une forme unique.

La règle du levier

Le règle du levier est un outil mathématique qui permet de calculer la quantité de chaque phase en tout point du diagramme. Il fonctionne comme une balance à bascule pour trouver les pourcentages des différentes structures.

Par exemple, à 0,5% de carbone et 700°C, on peut calculer que le métal aura environ 38% de ferrite et 62% de perlite.

Applications pratiques

Conception matérielle

Les ingénieurs utilisent le diagramme de phases pour concevoir des métaux aux propriétés spécifiques :

Acier à faible teneur en carbone (0,05-0,25% C) : Principalement de la ferrite avec un peu de perlite - bon pour parce qu'il est facile à travailler
Acier à moyenne teneur en carbone (0,25-0,6% C) : Plus de perlite - meilleur pour usinage CNC de l'acier de pièces structurelles
Acier à haute teneur en carbone (0.6-1.0% C) : Beaucoup de perlite avec un peu de cémentite - idéal pour les outils de coupe
Fonte (2.1-4.3% C) : Contient de grandes quantités de cémentite ou de graphite - bon pour les blocs moteurs

Traitement thermique

Le diagramme de phase guide traitement thermique pour modifier les propriétés des métaux :

Recuit: Refroidissement lent pour rendre le métal souple et facile à mettre en forme.
Normalisation: Refroidissement de l'air pour obtenir des propriétés équilibrées
Trempe: Refroidissement rapide pour obtenir un acier très dur
Trempe: Réchauffer l'acier trempé pour réduire sa fragilité

Par exemple, un fabricant de couteaux peut chauffer l'acier à 850°C pour former de l'austénite, puis le tremper rapidement pour former de la martensite dure, et enfin le tremper à 200°C pour lui conférer une certaine ténacité tout en conservant la majeure partie de sa dureté.

Exemples industriels

Le diagramme guide de nombreux processus industriels :

Blocs moteurs de voitures en fonte avec graphite soigneusement contrôlé
Des voies ferrées qui doivent être dures en surface mais résistantes à l'intérieur
Les ressorts qui nécessitent un juste équilibre entre force et flexibilité
Outils chirurgicaux devant rester tranchants

La plupart des Fer CNC s'appuient sur les propriétés prédites par le diagramme de phase fer-carbone.

Traitement thermique de l'acier Processus de trempe

Limites et erreurs d'interprétation courantes

Bien que très utile, le diagramme fer-carbone présente certaines limites :

Il part du principe que conditions d'équilibre (refroidissement très lent), mais la plupart des processus réels se déroulent plus rapidement
Il ne montre pas ce qui se passe lors d'un refroidissement rapide (pour cela, il faut un diagramme TTT).
Il n'indique que le fer et le carbone - les vrais aciers contiennent d'autres éléments comme le manganèse et le chrome.
Il ne prédit pas comment graphite formes en fonte grise au lieu de la cémentite

Pour les pièces de précision fabriquées par Fraisage CNC de l'acierLes ingénieurs doivent donc tenir compte de ces limitations lorsqu'ils planifient l'usinage et le traitement thermique des pièces.

FAQ

Quelle est la signification du point eutectoïde ?

Le point eutectoïde (0,8% C, 727°C) est l'endroit où l'austénite se transforme directement en perlite (un mélange de ferrite et de cémentite). Ceci est important car les aciers ayant cette teneur en carbone (aciers eutectoïdes) forment de la perlite 100% lorsqu'ils sont refroidis lentement, ce qui donne un bon équilibre entre la dureté et la résistance.

Comment la teneur en carbone affecte-t-elle les propriétés de l'acier ?

Plus de carbone signifie généralement :
Dureté plus élevée
Plus grande résistance
Ductilité plus faible
Soudabilité réduite
C'est pourquoi les aciers à haute teneur en carbone sont utilisés pour les outils de coupe, tandis que les aciers à faible teneur en carbone sont utilisés pour les carrosseries.

Pourquoi la cémentite est-elle fragile ?

Cémentite (Fe₃C) est cassante parce qu'elle possède une structure cristalline complexe avec des liaisons fortes et directionnelles. Ces liaisons ne permettent pas aux atomes de glisser facilement les uns sur les autres lorsqu'une force est appliquée, de sorte qu'au lieu de se plier, la cémentite se brise.

Conclusion

Le diagramme de phase fer-carbone est un outil puissant qui aide les ingénieurs à prévoir et à contrôler les propriétés de l'acier et de la fonte. En comprenant comment le carbone interagit avec le fer à différentes températures, nous pouvons créer des métaux présentant le bon mélange de résistance, de dureté et de ténacité pour des tâches spécifiques.

Qu'il s'agisse d'instruments chirurgicaux nécessitant un bord tranchant ou de pièces automobiles devant absorber l'énergie d'un impact, le diagramme fer-carbone guide la sélection et le traitement des matériaux. Pour les entreprises qui fournissent des usinage CNC de précision la compréhension de ce diagramme est essentielle pour produire des pièces métalliques de haute qualité.

Bien que ce diagramme ait ses limites - il suppose un refroidissement lent et ne prend en compte que le fer et le carbone - il constitue la base de la compréhension de systèmes d'alliage plus complexes et de processus de traitement thermique comme les diagrammes TTT (temps-température-transformation).

La prochaine fois que vous prendrez un outil en acier ou que vous monterez dans une voiture, rappelez-vous que ses propriétés ont été soigneusement élaborées à l'aide des connaissances contenues dans le diagramme de phase fer-carbone.