Les diagrammes de phase

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COURS MATERIAUX
Chapitre 2 : Les diagrammes de phase
Isabelle Guillanton
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1
INTRODUCTION
Un Alliage métallique est le métal obtenu en ajoutant à un métal pur d’autres éléments
métalliques ou non. Les constituants d’un alliage sont les éléments chimiques qui le
constituent. Un système d’alliage est constitué de l’ensemble des alliages obtenus à partir du
même groupe de constituants. Par exemple le système cuivre/ zinc (Cu/Zn) est formé de tous
les alliages Cu/Zn en différentes proportions. Un alliage binaire est formé de 2 constituants.
Un alliage ternaire de 3.
Un alliage a sa constitution d’équilibre quand cette constitution n’évolue plus avec le temps.
Le diagramme d’équilibre ou diagramme de phase, résume les constitutions d’équilibre d’un
système d’alliage.
Selon les proportions d’ajout dans le métal, les caractéristiques de l’alliage vont varier. Un
diagramme de phase ou diagramme d’équilibre peut être comparé à une carte d’identité de
l’alliage que vous souhaitez connaître.
A partir du diagramme de phase, vous pourrez reconstituer les proportions respectives de
chaque composition, leurs différentes transitions selon la température, le type de phase formée
selon les proportions des constituants.
1- CONSTRUCTION D’UN DIAGRAMME DE PHASE1
Les diagrammes de phase se construisent à partir de données expérimentales avec différentes
compositions d’alliage. Ces différentes compositions par exemple de 0% à 100% d’un des 2
métaux sont mises en température au-delà de la température de fusion de chacun des 2
matériaux. (Nous prendrons comme exemple un mélange binaire de 2 métaux type Cuivre
/Zinc ou Etain /Plomb).
Chaque creuset contenant les 2 métaux en proportions définies est porté en température et
ensuite refroidit. Lors du refroidissement, les transitions dans les alliages seront fonction de
la proportion de chaque métal.
Les phases formées sont nommées par des lettres grecques en commençant par α puis β etc..
de 0 à 100% de l’alliage. Les domaines biphasés prennent le nom des deux phases
monophasées adjacentes.
1
Précis de Métallurgie, J Barralis, G. MAEDER, Edition NATHAN
2
Fig. N°1 : Courbes de refroidissement et diagramme de phase
Quelles sont les transitions enregistrées dans un alliage :
1ère transition : Transition Liquide – Liquide/Solide : Cette transition constitue la courbe
du Liquidus. Elle correspond à la température à laquelle se crée le premier germe solide dans
la phase liquide pour chacune des compositions d’alliages.
Cette création du premier germe solide dégage de la chaleur d’où un changement de pente sur
la courbe de refroidissement.
2ème Transition : Transition Liquide /Solide – Solide
Pour chaque composition, cette transition correspond à la température à laquelle il n’y a plus
de fraction liquide donc lorsque toute la phase liquide est devenue solide. Là encore, sur la
courbe de refroidissement, cela se traduit par un changement de pente de refroidissement lié à
l’exothermie de la transition (idem 1ère transition). L’ensemble de ces points de transition
liquide-solide à solide constitue la courbe de solidus.
Dans le cas d’un métal binaire A-B qui n’aurait que ces deux types de transition, le
diagramme de phase aurait la forme ci - dessus (voir fig.N°1)
3
Les diagrammes de phase sont rarement aussi simples car d’autres types de transformation
existent.
1-2 Transitions particulières
Certains alliages présentent au cours du refroidissement des paliers de température. Ce palier
de température correspond à une réaction isotherme. Six réactions isothermes sont
répertoriées dans les alliages métalliques. Nous étudierons dans ce chapitre, les 4 réactions les
plus courantes.
Lors d’une réaction isotherme, il y a présence simultanée des différentes phases en présence à
la température isotherme. La durée de l’isotherme dépend de l’échange de chaleur entre ces
phases permettant ainsi la disparition de l’une d’entre-elle. (Comme dans le refroidissement
d’un corps pur où la température reste constante tant qu’il y a présence de phase liquide et
solide).
1-2-1Réaction eutectique:
Une réaction eutectique permet la formation d’un alliage eutectique.
A la température eutectique, l’alliage est appelé alliage eutectique. A l’équilibre, cet alliage va
subir la transformation suivante :
Liquide
Cristal biphasé α + β
A T= Température eutectique, l’alliage présente 3 phases en équilibre : liquide (E), α, β. Cet
alliage présente la caractéristique de passer directement de la phase liquide à la phase solide
sans phase intermédiaire liquide-solide. Il a donc un comportement de corps pur bien que ce
soit un alliage biphasé.
Exemple d’un diagramme de phase associé aux courbes de refroidissement d’un diagramme
avec eutectique.
Fig. N°2 : Diagramme avec eutectique et les courbes de refroidissement de différentes compositions de l’alliage.
4
Triangle de Tamman : Exploitation des courbes de refroidissement avec un palier et une
composition eutectique.
Sur la figure N°2, les courbes de refroidissement présentent à partir de la composition N°4 un
palier de température. La longueur de ce palier augmente jusqu’à la composition 6 puis
diminue jusqu’à la composition 8. La longueur du palier de température est proportionnelle à
la quantité d’eutectique dans la composition (à condition que toute les compositions aient la
même masse).
En mesurant, ces longueurs de paliers et en les rapportant en vertical sur le diagramme de
phase, la composition eutectique peut être déterminée par l’intersection des deux droites.
Cette exploitation graphique est appelée Triangle de Tamman. NOTA : la courbe de
refroidissement d’un alliage eutectique a la même forme que la courbe de refroidissement
d’un métal pur (type courbe N°1).
1-2-2 Réaction péritectique
Cette réaction intervient dans le domaine liquide-solide. A l’équilibre, à la température
péritectique, l’alliage va comporter 3 phases : α , L, β selon l’équation suivante :
α+L
β (Structure monophasée).
Exemple de diagramme et exploitation des courbes de refroidissement d’un diagramme avec
péritectique.(fig3)
Fig. N°3 : Exploitation des courbes de refroidissement et construction d’un diagramme de phase avec
péritectique
5
Vous remarquerez que pour les courbes N°6 et N°7, vous avez une première transition
correspondant à la courbe du liquidus, puis le palier péritectique, puis une deuxième
transition correspondant au passage de β+L à β. Cette deuxième transition permet de
distinguer un diagramme comportant un alliage péritectique de celui comportant un alliage
eutectique.
1-2-3 Transformations eutectoïdes et péritectoïdes
Ces transformations présentent de grandes analogies avec les transformations précédentes
mais interviennent à l’ETAT SOLIDE. Nous les trouverons dans le cas particulier du
diagramme fer-Carbone. En phase solide, les variations de chaleur sont très faibles d’où une
exploitation plus difficile des courbes de refroidissement sauf au niveau des paliers
eutectoïdes et péritectoïdes.
1-2-4 Quelques connaissances complémentaires
1/ La limite entre la phase liquide et liquide solide est appelée LIQUIDUS
La limite entre la phase liquide-solide et la phase solide est appelée SOLIDUS
La limite entre deux phases en solution solide est appelée SOLVUS.
Pour un alliage donné, la limite de solubilité est toujours à considérer en fonction de la
température à laquelle il se trouve. En effet, la solubilité d’un soluté dans un solvant varie en
fonction de la température. Dans le cas des solutions solides, la solubilité des atomes B dans
le cristal A est également fonction de la température. La solubilité est maximale aux paliers
isothermes. (Eutectique, péritectique, eutectoïde et péritectoïde). Lorsque la solubilité est
donnée sans indication de la température, alors celle-ci correspond à la solubilité maximale
donc à la température de l’isotherme
2/ Un domaine biphasé est toujours encadré de deux domaines monophasés dont il porte les
noms pour une température considérée.
3/ Comment sait-on qu’un domaine biphasé ou monophasé va être formé ?
Grâce à la variance également appelée règle de Gibbs.
La variance correspond au nombre de variables indépendantes décrivant le système. Elle
définit le nombre de degré de liberté du système à l’équilibre. Au moment d’une transition,
par exemple liquide-solide, l’équilibre thermodynamique est modifié par la création d’une
phase solide et la variance est donc modifiée en fonction de ce changement d’état. Le
dégagement de chaleur lié à la transition se traduit par un changement de pente sur la courbe
de refroidissement.
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Equation de la variance :
V= C+P –φ
V= variance
C : Nombre de constituants indépendants du système.
P : Nombre de variable d’action : Pression et température. En général, la pression est
constante et n’intervient donc pas comme variable dans l’équilibre du système.
φ : Nombre de phase formée : φ=1 pour les domaines monophasés
φ =2 pour les domaines biphasés
φ =3 pour les domaines triphasés( point triple de
l’eutectique ou du point péritectique).
 Cas d’un diagramme binaire
Pression est constante mais la température varie. Le nombre de constituant est égal à 2
puisqu’il y a deux métaux en présence :
V=2+1–φ
Soit
V=3–φ
Les valeurs possibles de la variance sont ici :



V=2
V=1
V=0
pour un système monophasé
pour un système biphasé
pour un système triphasé
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2- EXPLOITATION D’UN DIAGRAMME DE PHASE2, 3
Une fois le diagramme de phase construit avec toutes ses transitions particulières, l’intérêt est
de l’exploiter c'est-à-dire de connaître précisément la composition et la proportion de chaque
métal dans l’alliage dans les domaines biphasés. En effet, ces questions ne se posent pas dans
les domaines monophasé puisque la nature des cristaux formés et la proportion de l’alliage est
parfaitement connue.
La composition d’un alliage est donnée par la règle de l’horizontale pour une température
donnée
La proportion de chaque constituant est calculée par une règle simple: la règle des segments
inverses.
A partir d’un diagramme simple tel que celui de l’étain et du plomb, nous allons exploiter et
déterminer la composition et les proportions des différents alliages (figure N°4).
2-1 Principe du calcul
La règle de l’horizontale permet de déterminer la composition de l’alliage biphasé à une
température donnée. Cette composition chimique (nature des phases à l’équilibre) est donnée
par les abscisses des points Mα et Mβ qui sont les limites du domaine biphasé à la
température étudiée. (voir fig.N°4).
Sur la figure N°4, l’alliage, au point M, est composé de cristaux de phase α et de cristaux de
phase β juxtaposés. Les cristaux α ont la composition xα du point Mα (soit 7.5% de B). Les
cristaux de phase β ont la composition Xβ du point Mβ (soit 97% de B) à la température
considérée.
La règle des segments inverses permet de déterminer pour une température T la fraction
massique des phases α et β au point étudié M.
2
3
Matériaux 2- Microstructure, mise en œuvre et conception, M.F ASHBY,D.R.H JONES, Edition DUNOD
Cours Matériaux,Eric Staniek, ICAM Lille
8
Mβ
Mα
Fig. N°4 : diagramme type
Dans un domaine biphasé α +β, les proportions de chaque phase s’obtiennent par les relations
suivantes :
%α 
MMβ
MαMβ
100
et
%β 
MMα
100
MαMβ
Mα = Point à la limite de solubilité de la phase α à la température T1.
Mβ= Point à la limite de solubilité de la phase β à la température T1.
Soit encore en fraction massique (abscisse des points M, Mα, Mβ)
%α 
xβ  x
x β  xα
100
%β 
x  xα
100
xβ  xα
Sur la figure N°4, le calcul donne % α = 67% et %β =33%
Ces proportions peuvent également se calculer en pourcentage atomique (en utilisant les
masses molaires atomiques de chacun des constituants).
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2-2 Exemple de calcul
L + β
α+L
α
β
170°C
α + β
2%
87%
2%
Fig. N°5 : Diagramme de phase du système Sn-Pb
A noter, certains auteurs ne nomment pas les phases par des lettres grecques (α,β,ɣ etc…),
cela peut porter à confusion sur la nature de la phase comme nous allons le voir dans
l’exploitation.
Exploitation du diagramme
En abscisse : la composition massique en % de Pb (nécessaire pour appliquer la règle des
segments inverses)
En ordonnée : la température
232°C : Température de fusion de l’étain, et 327°C température de fusion du Plomb.
Entre 150° C et 232°C et entre 0 et 2.5% de Plomb dans l’alliage, création d’un domaine
monophasé α contenant jusqu’à 2.5% de plomb dans le domaine cristallin de l’étain (plomb
en solution solide dans l’étain).
La courbe à partir de 2.5% Pb à 183°C jusqu’à 0.3% de Pb à 20°C est la limite de solubilité
entre la phase α et le domaine biphasé α+β (solvus). A partir de cette composition, il y a
existence d’un domaine biphasé constitué de proportion de α et de β.
10
Détermination de la composition de l’alliage à 50% de Pb et 170°C :
La composition de α à 50% de Pb et 170°C est de 2% de Plomb dans l’étain
La composition de β à 50% de Pb et 170°C est de 87% de Plomb et donc 13% d’étain dans le
Plomb
Calcul des proportions massiques de phase α et de phase β à 50% de Pb et 170°C:
.
La proportion relative de α dans la phase α+β à 50% de Pb dans l’alliage=
M α%=(87%-50%) / (87%-2%)= 43.5%
La proportion de β dans α + β à 50% de Pb dans l’alliage =
Mβ%=(50%-2%) /(87%-2%) = 56.5%
Mα%+Mβ%=43.5%+56.5%=100%
Détermination de l’alliage à 50% de plomb et 200°C
Si on étudie maintenant la constitution de l’alliage à 200°C et toujours à 50% de plomb, le
même calcul avec la règle des segments inverses s’applique :
Le domaine est constitué de liquidus et de germes en solution solide de phase β :
Composition de l’alliage à 50% de Pb : 45% de Plomb en phase liquide et 83% de Pb dans la
phase solide.
Fraction massique de L en %= 83-50/(83-45)=87%
Fraction massique de β en %= (50-45)/83-45=13%
Evidemment le deuxième calcul n’est pas nécessaire puisqu’il est complémentaire jusqu’à
100% du premier.
La composition de l’alliage est constituée de 87% de liquide à 45% de Pb et de 13% de solide
à 83% de Pb.
Un alliage est donc caractérisé, à une température donnée, par :
1. La composition globale en poids de l’alliage : 50% de plomb, 50% d’étain
2. Le nombre de phase : 2
3. La composition de chaque phase pour une température : 2 % de Pb dans α et 87% de
Pb dans β
4. La fraction massique de chaque phase à la température considérée: A 170°C 43% de α
et 57% de β.
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Certaines compositions ne sont pas parfaitement définies, aux températures de fusion de
chacun des deux métaux purs et au point eutectique ou péritectique, car à ce niveau de
température et de composition, les 3 phases, liquide, α et β sont présentes mais il n’est pas
possible de connaître la proportion de chacune d’elles.
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3- DIAGRAMME D’EQUILIBRE DU FER-CARBONE3,4
Le diagramme de phase du Fer-Carbone décrit les différentes structures des aciers et des
fontes. La solubilité du carbone dans le fer est de 6.63%. Le composé constitué est appelé la
CEMENTITE et sa constitution chimique est Fe3C. Ce composé est métastable et sa
température de fusion est de 1227°C.
Selon la quantité de carbone en solution dans le Fer, des alliages différents seront obtenus.


les aciers : Jusqu’à 2.06% de carbone, certains auteurs donnent la limite à 1.7% de
carbone
les fontes : A partir de 2.06% et jusqu’à 6.63% de carbone.
Fig. N°6 : Diagramme d’équilibre Fer-Carbone
3
Cours Matériaux, Eric Staniek, ICAM Lille
Cours Matériaux, M. Dequatremare, IST Vendée,2002
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3-1 Le Fer
Le fer est le métal de base le plus important pour les alliages techniques. Il est
relativement abondant dans l'écorce terrestre (4,7 % en masse) sous forme d’états combinés
dans de nombreuses roches. Le fer pur n'est pas employé dans l'industrie, les plus employés
sont les alliages de fer avec le carbone qui sont la fonte et l'acier.
Caractéristiques du fer
Le fer possède les caractéristiques suivantes :
- Masse atomique : 55,85 g/mol.
- Numéro atomique : 26.
- Rayon atomique : 1,27 Å (CFC).
3
- Masse volumique : 7,8 g/cm .
- Température de fusion : 1539°C
Le fer pur présente deux formes cristallines :
La forme α jusqu’à une température de 910°C et entre à 1392°C et 1538°C (température de
fusion). Le fer est appelé Feδ à partir de 1392°C. La structure cristalline des formes α et δ est
cubique centrée. Le fer α est magnétique jusqu’à 768°C et devient paramagnétique au-delà.
Cette transition est appelée point de curie. Le fer CC (α ou δ) est appelé FERRITE.
Entre 910°C et 1392°C, la structure cristalline est cubique à face centrée (CFC) et est appelée
Fe ɣ ou AUSTENITE.
Le phénomène de modification du réseau cristallin sous l’effet de la température est appelé
transformation allotropique (Voir Chapitre N°1).
Le fer forme des alliages avec un grand nombre d’éléments (Cr,Ni,Mn,Mo,V,Ti… et C).La
mise en solution solide d’éléments d’alliages dans le fer modifie les températures des
transformations allotopriques. Ces éléments sont appelés Alphagènes si ils stabilisent la phase
α (CC) et Gammagènes si ils stabilisent la phase ɣ (CFC) du Fer.(fig. N°7)
14
Fig. N°7 : Températures des transformations allotropiques du fer pur.
NOTA : Ar4 : transition Feδ
Feɣ (R pour refroidissement)
Ar3 Feɣ
Feα
Ac3 Feα
Fe ɣ (Transformation en chauffauge :C)
3-2 Le carbone
Le carbone est un élément non métallique, rare à l’état libre mais très présent à l’état combiné
dans les matériaux non métalliques, naturels ou non (pétrole, charbon, bois, végétaux etc..).
Caractéristiques du carbone
-
Numéro atomique : 6.
Masse atomique : 12 g/mol.
Rayon atomique : 0,77 Å.
Masse volumique : 2.5g/cm3
Température de fusion : 3500°C
Le carbone existe sous deux formes cristallines : le diamant et le graphite.
Le diamant a une structure CFC, et est considéré comme le matériau le plus dur. C’est un
isolant électrique.
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Le graphite a une structure hexagonale compacte (HC). Il est très utilisé entre autres dans les
mines de crayon, pour la lubrification (graisses) etc.. Il est semi –conducteur selon la
direction.
Le carbone dont le point de fusion est supérieur à 3500°C est soluble dans le fer et peut se
cristalliser à l'état pur en formant le graphite ou se combiner avec le fer en formant une phase
intermétallique Fe C appelée cémentite ou carbure de fer.
3
La phase inter métallique cémentite a une structure très compliquée et elle est très dure. La
formation du graphite ou de la cémentite dépend des éléments d'alliage qui accompagnent le
fer et surtout du type de refroidissement (vitesse de refroidissement).
Lorsque le refroidissement du métal liquide est lent, les atomes de carbone cristallisent en
formant le graphite et dans le cas contraire lorsque le refroidissement est rapide on a la
formation de la cémentite (Fe C), qui ne peut se décomposer à la température ambiante, mais
3
à un maintien de température supérieure à 500°C d'une durée très longue. La cémentite peut
se décomposer en graphite suivant la réaction :
Fe C + chaleur
3
3.Fe + C
La présence du silicium peut favoriser la décomposition de la cémentite (formation du
graphite). Donc on a l'existence de deux diagrammes d'équilibres :
- Le diagramme d'équilibre métastable (ou labile) Fe-Fe C (cémentite).
3
- Le diagramme d’équilibre (ou stabile) Fer-Graphite : il n’est valable que pour certains
alliages
et
des
vitesses
de
refroidissement
extrêmement
lente.
Fig. N°8 : Différences entre le diagramme métastable Fer-Fe3C et le diagramme stable Fer-Carbone graphite.
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3-3 EXPLOITATION DU DIAGRAMME FER - CARBONE
Le diagramme Fer-Carbone met en évidence 3 réactions invariantes :

A 1495°C et 0.2% de carbone : Réaction péritectique
Liquide + Fe δ
Feɣ

A 1147°C et 4.3% de carbone : Réaction eutectique
Liquide

Fe ɣ + Fe3C Austénite + Cémentique forment la LEDEBURITE
A 723°C et 0.85% de carbone : Réaction eutectoïde
Fe ɣ
Fe α + Fe3C Ferrite+ Cémentique forment la PERLITE
Remarques
La cémentite secondaire (ou pro-eutectoide) formée provient de l’appauvrissement en carbone
de l’austénite lorsque la température diminue. En effet l’austénite titre à 1.7% de carbone à
1147°C et à 0,8% de carbone à 723°C.
A température ambiante, la lédéburite ne peut plus exister sous sa forme originale (c'est-à-dire
entre 728 et 1147°C) Au cours du refroidissement, son austénite expulse progressivement du
carbone se transformant en cémentite. La lédéburite transformée est donc constituée de perlite
+ cémentite
A température ambiante, il n’existe plus que deux phases FERRITE+CEMENTITE
3-3-1 Etude du diagramme de phase
Le diagramme Fer –Carbone va permettre de classer les aciers et les fontes formées selon leur
taux de carbone et les types de grain formés :
Les aciers jusqu’à 1.7% ou 2% de carbone
Les fontes au-delà de 2% jusqu’à 6.63% de carbone.
Pour les fontes on distingue les fontes blanches qui sont totalement dépourvues de graphite
libre (Notation FBC) et les fontes grises qui présentent du carbone sous forme libre.
Les fontes blanches sont hypo-eutectiques si leur taux de carbone est compris entre 1.7% et
4.3% ou hyper-eutectiques si leur taux carbone est supérieures à 4.3%.
Il existe également la fonte blanche eutectique dont le taux de carbone est de 4.3%.
Pour les fontes grises, deux types de fontes existent selon la forme du graphite :
Les fontes à graphites lamellaires( Fontes FGL). Comme précédemment, on distinguera les
fontes grises hypo-eutectiques, eutectiques et hyper-eutectiques.
17
Les fontes à graphite sphéroïdal (Notation fontes FGS) sont de développement plus récent
(1959). Compte tenu de la structure du graphite, ces fontes présentent une bonne ductilité et
des propriétés mécaniques proches de celles des aciers en particulier en traction. On distingue
les fontes à graphite sphéroïdal ferritique, semi-ferritique et perlitique.
Les utilisations sont nombreuses : Bâtis de machine outils (fontes ferritiques ou semi
ferritiques), pompes, vérins
Pour les fontes perlitiques : arbre à cames, disque de freins, pignons vilebrequins.
3-3-1-1 Etude d’un acier 3
Refroidissement d’un Acier eutectique à 0.8% de carbone de 1600°C à 700°C.
Vers1478°C on atteint le liquidus; les premiers germes de solide commencent à apparaître.
La variance initialement de 2 chute à 1, ce qui se traduit par une rupture de pente sur la courbe
de refroidissement.(fig. N°9)
Fig. N°9 : premier palier de refroidissement d’un acier à 0.8%C
Si on continue à descendre la température dans le domaine L + ɣ, les grains d’austénite
grossissent, tout en s’enrichissant en carbone, et la phase liquide diminue progressivement
tout en se chargeant en carbone (fig. N°10)
.
Fig. N° 10 : Formation des grains d’austénite
Arrivé à environ 1390°C on atteint le solidus, c’est à dire qu’il y a disparition de la phase
liquide. On obtient alors un métal entièrement austénitique constitué d’une population de
grains assez homogène. La variance repasse alors à 2, ce qui implique que la courbe de
refroidissement va de nouveau présenter une rupture de pente.
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Entre 1390°C et 723°C on est toujours dans un domaine entièrement austénitique, et la
structure du métal n’évolue pas, puisque la variance du système est ici égale à 2.(fig. N°11)
Fig. N°11 : domaine entièrement austénitique
A 723°C, il y a progression isotherme de la transformation eutectoïde. Avec formation de
perlite à partir des joints de grain.(fig. N°12)
Fig. N° 12 : progression isotherme à l’eutectoide
A 723°C, le palier eutectoïde est atteint. C’est à dire qu’à cette température, l’austénite est en
équilibre avec la ferrite et la cémentite, la variance est nulle, c’est à dire que la température
reste constante tant qu’il reste de l’austénite.
La particularité de la transformation eutectoïde est qu’il s’agit d’une recombinaison en phase
solide, avec des différences de solubilité importantes pour le carbone entre les différentes
phases en présence.
Lorsque la ferrite apparaît, les 0,8% de carbone contenus par l’austénite ne peuvent pas rester
intégralement dans la ferrite, puisque la solubilité limite du carbone à cette température dans
la ferrite est de 0.02%. Le carbone est donc expulsé en dehors de la ferrite. Mais comme on
est en phase solide, cette transformation s’effectue par diffusion, et le réarrangement sera
donc très localisé. De plus, la ferrite va apparaître préférentiellement aux joints de grains, et
va croître suivant les directions particulières du cristal d’austénite.
En conséquence, on observe l’émergence d’une structure lamellaire, tout à fait caractéristique
d’une transformation eutectoïde. On appelle ce constituant la perlite lamellaire.
Pour finir le refroidissement, on se retrouve dans un domaine biphasé ferrite + cémentite, avec
une variance de 1, c’est à dire que la composition de la ferrite va continuer à évoluer ( on
passe de 0.02% à 0.006% de carbone), et donc la proportion de cémentite va légèrement
évoluer en conséquence.
Au final on obtient une teneur en ferrite dans la perlite de 88% pour 12% de cémentite
environ.(règle des segments inverses) :
19
%α 
xFe C  x
3
xFe C  x
3
soit ici
%α 
6,67  0,8
 88,2% et donc % Fe3C  11,8%
6,67  0,02
La morphologie de la structure restant quant à- elle identique à celle décrite à 723°C.
Fig. N°13 : fin du refroidissement
Fig. N°14 : Structure d’un acier eutectoide
3-3-1-2 Etude d’une fonte3
Cas de la fonte blanche à l’eutectique à 4.3% de carbone.
les différentes étapes du refroidissement d’un liquide de composition eutectique sont étudiées
de 1600°C jusqu’à l’ambiante
,
.Fig. N°15 : début du refroidissemnt de l’alliage à 4.3%de C
L’alliage reste liquide jusqu’à la température de l’eutectique ou il commence à se solidifier
directement en austénite et cémentite à température constante.(fig N°16)
Comme ici la température est très basse par rapport à la température théorique de fusion du
fer, la vitesse de germination est maximale, alors que la vitesse de croissance des cristaux est
faible.
Une fois la transformation achevée, la morphologie observée sera constituée de d’une
population de cristaux d’austénite de mêmes dimensions, ces cristaux étant pour les raisons
invoquées plus haut de très faibles dimensions.
20
Fig. N°16 : Refroissiment puis palier eutectique à 1148°C
Refroidissement jusqu’à 723°C; l’austénite s’appauvrit progressivement en carbone, et
diminue en proportion au profit de la cémentite secondaire (obtenue à partir de l’austénite
solide).(Fig N° 17)
Fig. N°17 : formation d’austénite et cémentite secondaire = Lédéburite
A la température eutectoïde, l’austénite qui est alors à 0.8% de carbone, va subir la
transformation eutectoïde, et donc se transformer en perlite, ce qui nous donne la morphologie
représentée ici, qu’on observera également à température ambiante.
Ce constituant eutectique est appelé Lédéburite. Sa constitution varie avec la température :
dans le domaine austénite + cémentite, il est constitué d’une fine dispersion d ‘austénite dans
une matrice continue de cémentite; en dessous de 723°C il est constitué d’un fine dispersion
de nodules de perlite dans un matrice continue de cémentite.(Fig N°18 et 19)
Fig. N°18 : Formation de lédéburite
Fig. N°19 Fonte blanche de Lédéburite
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CE QU’IL FAUT RETENIR et SAVOIR FAIRE :



Les définitions, en particulier les noms des différentes formes des alliages
ferreux
Exploiter un diagramme de phase :Déterminer la composition et les fractions
massiques d’un alliage biphasé par la règle de l’horizontale et la règle des
segments inverses.
Connaître le diagramme Fer –Carbone : les températures de transitions, les
différentes phases ainsi que la nature des phases formées.
NOTA : Des excercices et des TP seront effectués, ce qui vous permettra d’acquérir de
manière concrète l’ensemble de ces connaissances.
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