Fiche de révision : Diagrammes de phases et aciers

📋 Plan du Cours

1. Composition et fractions de phases
2. Transformations et phases intermédiaires
3. Désignation des aciers non alliés
4. Désignation des aciers alliés
5. Éléments d’alliage et phases du fer
6. Microstructures des aciers Fe-C
7. Quantification et propriétés des aciers
8. Transformations et traitements thermiques

📖 1. Composition et fractions de phases

★ À maîtriser

📐 Formule - La fraction atomique de B dans la phase α est $x_B^\alpha = \frac{n_B^\alpha}{n_B^\alpha+n_A^\alpha}$ et vérifie $x_A^\alpha+x_B^\alpha=1$.

📐 Formule - La fraction atomique de phase α est $f_{at}^\alpha = \frac{n_\alpha}{n_\alpha+n_\beta}$ et vérifie $f_{at}^\alpha+f_{at}^\beta=1$.

📐 Formule - La fraction massique de phase α est $f_m^\alpha = \frac{m_\alpha}{m_\alpha+m_\beta}$ et vérifie $f_m^\alpha+f_m^\beta=1$.

Compléments

📐 Formule - La fraction massique de B dans la phase α est $w_B^\alpha = \frac{m_B^\alpha}{m_B^\alpha+m_A^\alpha} = \frac{n_B^\alpha M_B}{n_B^\alpha M_B+n_A^\alpha M_A}$ et vérifie $w_A^\alpha+w_B^\alpha=1$.

📐 Formule - La fraction atomique de A se calcule à partir des pourcentages massiques par $\%at A = \frac{\%m A/M_A}{\%m A/M_A+\%m B/M_B}\times 100$.

📐 Formule - La fraction volumique de α vaut $f_v^\alpha = \frac{f_m^\alpha/\rho_\alpha}{f_m^\alpha/\rho_\alpha+f_m^\beta/\rho_\beta}$.

• L’analyse d’images ou la planimétrie estime la fraction surfacique de α, et la fraction surfacique est assimilée à la fraction volumique de α.

📖 2. Transformations et phases intermédiaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Fusion congruente : Fusion où la composition de la phase solide est identique à celle du liquide formé.
• Phases intermédiaires : Les phases intermédiaires ont une composition située entre celles des solutions solides terminales α et β et une structure cristalline différente de celles des composants purs A et B.

★ À maîtriser

📌 Une transformation eutectique fait passer une phase liquide à deux phases solides, tandis qu’une transformation eutectoïde fait passer une phase solide à deux phases solides.

Compléments

📌 Une transformation péritectique associe deux phases, dont une liquide, pour former une phase, tandis qu’une transformation péritectoïde associe deux phases solides pour en former une troisième.

• La solution solide δ de l’exemple Ni-Ti se décompose avant de fondre par la transformation péritectique $\delta \rightleftharpoons \gamma + L$.

📌 Un composé intermédiaire discret AₘBₙ possède une composition unique, tandis qu’une solution solide intermédiaire présente un domaine de compositions autour d’une composition AₘBₙ.

💡 Astuce mémo

Eutectique : liquide vers deux phases ; eutectoïde : solide vers deux phases.

📖 3. Désignation des aciers non alliés

★ À maîtriser

• La désignation d’un acier spécial non allié commence par C, suivie de 100 fois sa teneur massique en carbone.

Compléments

• C22 désigne un acier contenant environ 0,22 % massique de carbone, et C40 un acier contenant environ 0,4 % massique de carbone.

• Les aciers usuels ont une faible teneur en carbone et une teneur relativement importante, non maîtrisée, en impuretés.

• La désignation actuelle des aciers usuels répond à la norme NF EN 10027, tandis que la désignation AFNOR reste largement employée.

• Dans une désignation telle que GS 275, G indique un acier obtenu par moulage, S un acier de construction, et 275 la limite élastique en traction en MPa.

📖 4. Désignation des aciers alliés

★ À maîtriser

📌 Un acier fortement allié contient au moins un élément d’addition à plus de 5 % en masse.

• La désignation d’un acier fortement allié comporte éventuellement G pour le moulage, X, 100 fois la teneur en carbone, les symboles des éléments d’addition par teneur décroissante, puis leurs teneurs réelles dans le même ordre.

• La désignation d’un acier faiblement allié comporte éventuellement G pour le moulage, 100 fois la teneur en carbone, les symboles des éléments d’addition par teneur décroissante, puis leurs teneurs multipliées par un facteur conventionnel.

Compléments

• X6 Cr Ni Mo Ti 17-12 désigne un acier contenant 0,06 % massique de C, 17 % de Cr et 12 % de Ni, avec Mo et Ti à moins de 12 % chacun.

• Les facteurs de désignation sont les suivants :

  • 4 pour Cr, Co, Mn, Ni, Si et W
  • 10 pour Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V et Zr
  • 100 pour Ce, N, P et S
  • 1 000 pour B

💡 Astuce mémo

Fortement allié : au moins un élément dépasse 5 % ; faiblement allié : aucun ne dépasse 5 %.

📖 5. Éléments d’alliage et phases du fer

★ À maîtriser

📌 Les éléments γ-gènes stabilisent l’austénite γ aux dépens de la ferrite α, tandis que les éléments α-gènes stabilisent la ferrite α aux dépens de l’austénite γ.

Compléments

• Les éléments γ-gènes cités sont Ni, Co, Mn et N, et le carbone en solution solide d’insertion est γ-gène.

• Les éléments α-gènes cités sont Cr, Al, Ti, Si, Mo, V, W, Ta et Nb.

• Dans le fer pur, A3 vaut 912 °C et A4 vaut 1394 °C.

💡 Astuce mémo

Gammagène stabilise γ ; alphagène stabilise α.

📖 6. Microstructures des aciers Fe-C

🔑 Notions clés & Définitions

• Perlite : Constituée de lamelles alternées de ferrite et de cémentite.

★ À maîtriser

• La transformation eutectoïde de l’acier est $\gamma \rightleftharpoons \alpha + Fe_3C$ à 727 °C et 0,76 % massique de carbone.

Compléments

• Dans un acier hypoeutectoïde, la ferrite proeutectoïde apparaît avant la transformation eutectoïde, puis le reste de l’austénite forme la perlite.

• Dans un acier hypereutectoïde, un réseau de cémentite proeutectoïde blanche entoure les colonies de perlite.

📖 7. Quantification et propriétés des aciers

★ À maîtriser

📐 Formule - Dans la perlite à 727 °C, la fraction massique de ferrite est $f_m^\alpha = \frac{6{,}67-0{,}76}{6{,}67-0{,}022}=0{,}889$, soit 88,9 %.

• Ac1 est la limite inférieure d’existence de l’austénite, qui est instable au-dessous de cette température.

• Quand le taux de carbone augmente, la proportion de Fe₃C, la dureté, la limite élastique et la résistance à la traction augmentent, tandis que l’allongement et la résilience diminuent.

Compléments

📐 Formule - Dans la perlite à 727 °C, la fraction massique de cémentite est $f_m^{Fe_3C} = \frac{0{,}76-0{,}022}{6{,}67-0{,}022}=0{,}111$, soit 11,1 %.

📌 Ac3 est la limite supérieure d’existence de la ferrite dans un acier hypoeutectoïde, tandis qu’Acm est la limite supérieure d’existence de la cémentite dans un acier hypereutectoïde.

📖 8. Transformations et traitements thermiques

★ À maîtriser

• Les courbes en « nez » d’un diagramme TTT sont la signature d’une transformation diffusive.

• La température d’austénitisation d’un acier hypoeutectoïde se choisit entre Ac3 et Ac3 + 50 °C.

Compléments

• La température d’austénitisation d’un acier hypereutectoïde se choisit entre Ac1 et Ac1 + 50 °C.

• La durée d’austénitisation dépend de la composition de l’acier et des dimensions de la pièce.

• Au refroidissement d’un acier Fe-1,1 % massique de C, la cémentite proeutectoïde germe et croît à partir de 850 °C, puis l’austénite restante se transforme à 727 °C en ferrite et cémentite.