Fiche de révision : Fontes et aciers non alliés

📋 Plan du Cours

1. États de la matière et métaux
2. Liaison métallique et propriétés
3. Structures et cristallographie métalliques
4. Réseaux cristallins métalliques
5. Imperfections du réseau cristallin
6. Alliages et miscibilité
7. Analyse thermique du refroidissement
8. Composés intermétalliques et refroidissement
9. Solidification et diagrammes d’équilibre
10. Règles de lecture des diagrammes
11. Réactions et miscibilité des alliages
12. Fer, diagrammes Fe-C et fontes
13. Élaboration au haut fourneau
14. Fontes blanches et transformations eutectiques
15. Fontes grises à graphite lamellaire
16. Fontes sphéroïdales et malléables
17. Désignation et définition des fontes
18. Élaboration et mise en forme des aciers

📖 1. États de la matière et métaux

🔑 Notions clés & Définitions

• Solide : Empilement compact, le plus souvent ordonné, d’atomes, d’ions ou de molécules possédant un volume propre et une forme propre.
• Liquide : Empilement compact, le plus souvent désordonné, d’atomes, d’ions ou de molécules pouvant glisser les uns sur les autres ; il possède un volume propre mais pas de forme propre.
• Gaz : Ensemble d’atomes, d’ions ou de molécules très distants, se déplaçant rapidement avec peu ou pas d’interactions et occupant tout l’espace disponible.

📝 Points essentiels

📌 La matière peut se trouver à l’état solide, liquide ou gazeux selon la température et la pression.

💡 Astuce mémo

Solide : volume et forme ; liquide : volume sans forme ; gaz : ni volume ni forme propres

📖 2. Liaison métallique et propriétés

🔑 Notions clés & Définitions

• Métal : Élément comportant moins de quatre électrons sur sa couche électronique de valence et se comportant comme un donneur d’électrons.
• Liaison métallique : Met en commun les électrons périphériques des atomes, formant un réseau d’ions électropositifs plongés dans un nuage d’électrons délocalisés.

★ À maîtriser

• Les électrons libres expliquent la conductivité thermique et électrique des métaux, tandis que la réflexion de la lumière sur le nuage électronique explique leur éclat métallique.

Compléments

• La ductilité des métaux est due à la souplesse de la liaison métallique, et tous les métaux sauf le mercure sont solides à température et pression normales en raison de l’énergie élevée de cette liaison.

💡 Astuce mémo

Électrons délocalisés → conductivité, éclat métallique et ductilité

📖 3. Structures et cristallographie métalliques

🔑 Notions clés & Définitions

• Structure cristalline : Empilement rigoureusement ordonné d’ions métalliques dont la cohésion est assurée par un nuage électronique.
• Réseau cristallin : Obtenu par translation dans l’espace de trois vecteurs non coplanaires qui définissent la maille élémentaire et les positions des nœuds.
• Motif cristallin : Atome, ion ou groupe d’atomes possédant une orientation et une géométrie déterminées.

📝 Points essentiels

📌 La macrostructure est observable à l’œil nu ou à la loupe, la microstructure révèle des grains au microscope, et la structure cristalline décrit l’organisation ordonnée à l’échelle nanométrique.

• La structure cristalline résulte de la juxtaposition spatiale d’une maille et est déterminée par le réseau spatial et le motif.

💡 Astuce mémo

Macrostructure → microstructure → structure cristalline

📖 4. Réseaux cristallins métalliques

★ À maîtriser

• Dans le fer, la structure est cubique centrée jusqu’à 912 °C, cubique à faces centrées de 912 °C à 1394 °C, puis cubique centrée jusqu’à 1538 °C.

• Le réseau cubique à faces centrées possède quatre familles de plans denses et six directions denses, les directions compactes étant les diagonales des faces du cube.

• Le réseau cubique centré ne possède aucun plan dense et présente donc une faible déformabilité.

Compléments

• La forte déformabilité des métaux CFC permet notamment de laminer une feuille d’or jusqu’à 0,1 μm et d’obtenir avec 1 g d’or un fil de 2500 m.

• Le réseau hexagonal compact possède un prisme droit à base hexagonale, un motif de deux ions, une famille de plans compacts et trois directions compactes.

💡 Astuce mémo

CFC compact et déformable, CC peu déformable, HC pauvre en plans denses

📖 5. Imperfections du réseau cristallin

🔑 Notions clés & Définitions

• Dislocation : Perturbation de la structure cristalline centrée autour d’une ligne entre deux parties du cristal ayant subi un glissement relatif.

★ À maîtriser

📌 Les imperfections du réseau cristallin sont classées en défauts ponctuels, linéaires et surfaciques selon la géométrie de la perturbation.

• La concentration en lacunes augmente avec la température et atteint environ 10^-4 près de la température de fusion.

• Les dislocations jouent un rôle important dans le mécanisme de déformation plastique des métaux.

Compléments

• Les lacunes favorisent la diffusion des ions, influencent le comportement mécanique à haute température et accroissent la résistivité électrique en faisant obstacle aux électrons.

• Les joints de grains peuvent être des sources et des pièges pour les défauts ponctuels et les dislocations, et constituer des obstacles à leur propagation.

💡 Astuce mémo

Ponctuelles → linéaires → surfaciques

📖 6. Alliages et miscibilité

🔑 Notions clés & Définitions

• Phase : Partie d’un matériau physiquement distincte, mécaniquement séparable, possédant une composition et une structure propres.
• Solution solide d’insertion : Contient de petits atomes placés dans les interstices de la matrice, leur diamètre ne dépassant pas 0,59 fois celui des atomes de la matrice.
• Solution solide de substitution : Remplace des atomes de la matrice par des atomes de dimensions proches, dont les diamètres ne diffèrent pas de plus de 15 % pour conserver le réseau cristallin.
• Composé intermétallique : Contient deux sortes d’atomes dans des proportions constantes correspondant à une formule de type $A_nB_m$, comme Fe3C, la cémentite.

★ À maîtriser

📌 La miscibilité liquide est totale si un seul liquide homogène existe dans toutes les proportions, nulle si deux liquides se séparent dans toutes les proportions, et partielle si la séparation dépend des proportions.

Compléments

• La miscibilité liquide est partielle pour les alliages Cu-Pb entre 37 et 85 % de plomb et pour les alliages Cu-Cr entre 38 et 92 % de chrome.

💡 Astuce mémo

Insertion : petits atomes ; substitution : dimensions proches

📖 7. Analyse thermique du refroidissement

📝 Points essentiels

📐 Formule - Lors du refroidissement d’un métal pur, la chaleur échangée vérifie $dq=-C\,dT$, où C est la capacité calorifique du métal.

📐 Formule - En supposant que l’échange thermique est proportionnel à l’écart de température avec l’ambiance, on obtient $dq=K(T-T_0)\,dt$.

• La courbe de refroidissement d’un métal pur ne subissant aucune transformation est une courbe exponentielle décroissante de la température en fonction du temps.

📖 8. Composés intermétalliques et refroidissement

🔑 Notions clés & Définitions

• Composé intermétallique : Contient deux sortes d’atomes dans des proportions constantes correspondant à une formule simple $A_nB_m$, où n et m sont des entiers.

★ À maîtriser

📐 Formule - Lors du refroidissement sans transformation, la chaleur échangée vérifie $dq=-C\,dT$ et, avec un échange proportionnel à l’écart thermique avec l’ambiance, $-C\,dT=K(T-T_0)\,dt$.

• L’analyse thermique relève la température d’un métal ou d’un alliage au cours du temps à l’aide d’un thermocouple afin d’étudier sa solidification et son refroidissement.

📌 Une déformation locale de la courbe de refroidissement indique une transformation avec dégagement de chaleur ; le début et la fin de cette déformation donnent les températures de début et de fin de transformation, qui coïncident dans le cas d’un palier isotherme.

Compléments

• La cémentite $Fe_3C$ est un composé intermétallique dont les atomes de fer forment un assemblage prismatique à base triangulaire et dont le carbone occupe le plan médian des prismes.

💡 Astuce mémo

Solution solide : proportions variables ; composé défini : rapport atomique fixe

📖 9. Solidification et diagrammes d’équilibre

📝 Points essentiels

• Lors de la solidification d’un alliage binaire complètement miscible à l’état solide, la température de début de transformation est repérée par un changement de courbure, puis la température de fin lorsque la courbe reprend une allure exponentielle décroissante.

• Au début de la solidification, le métal au point de fusion le plus élevé se solidifie préférentiellement, puis le liquide s’enrichit progressivement en métal au point de fusion le plus bas jusqu’à la fin de la solidification.

• La germination et la croissance des cristaux dans une phase liquide unique produisent des dendrites arborescentes, dont la croissance s’arrête au contact des systèmes dendritiques voisins avant la solidification du liquide interdendritique.

• Dans un diagramme d’équilibre d’un alliage binaire complètement miscible, la courbe des températures de début de solidification est le liquidus et celle des températures de fin de solidification est le solidus.

💡 Astuce mémo

Liquide → début de solidification → domaine biphasé → fin de solidification

📖 10. Règles de lecture des diagrammes

★ À maîtriser

• La règle de l’horizontale donne, à une température donnée dans un domaine biphasé, les compositions des phases aux intersections de l’isotherme avec les frontières du domaine.

• La règle des segments inverses permet de calculer la proportion massique de chaque phase dans un domaine biphasé à une température et pour une composition globale données.

• Les règles de lecture des diagrammes d’équilibre s’appliquent aux systèmes refroidis très lentement à l’équilibre, mais restent valables dans tout domaine biphasé du diagramme.

Compléments

📌 La règle de l’alternance indique qu’un déplacement horizontal à travers une frontière de diagramme fait passer d’un domaine biphasé à un domaine monophasé dans les configurations appropriées.

📖 11. Réactions et miscibilité des alliages

🔑 Notions clés & Définitions

• Lacune de miscibilité : Domaine biphasé solide dans lequel un alliage forme simultanément une solution solide de A dans B et une solution solide de B dans A.

★ À maîtriser

• Lorsque la température augmente, les solubilités réciproques des deux métaux augmentent jusqu’à une température critique au-dessus de laquelle la solubilité devient totale.

• Les réactions isothermes sont :

  • eutectique ou eutectoïde
  • monotectique ou monotectoïde
  • péritectique ou péritectoïde

• Lors d’une réaction eutectique, le liquide de composition eutectique se transforme à température constante en deux solutions solides, dont la solidification simultanée forme un agrégat fin appelé phase eutectique.

📌 Un Daltonide possède une composition relativement stable, un point de fusion déterminé et une température de décomposition connue, tandis qu’un Bertholide a une composition variable et un point de fusion mal défini.

Compléments

• Le triangle de Tammann est construit en reportant la longueur des paliers de solidification de plusieurs alliages ; l’intersection des deux droites obtenues donne la composition eutectique.

💡 Astuce mémo

Refroidissement → réaction isotherme → microstructure eutectique ou péritectique

📖 12. Fer, diagrammes Fe-C et fontes

🔑 Notions clés & Définitions

• Phases du système Fe-C : Dans les diagrammes Fe-C, la ferrite δ est une solution solide d’insertion du carbone dans le fer δ à structure cubique centrée, la ferrite γ est une solution solide d’insertion dans le fer γ à structure cubique centrée selon le cours, et l’austénite γ est une solution solide d’insertion à structure cubique à faces centrées.

📝 Points essentiels

• Le fer est l’élément chimique de symbole Fe et de numéro atomique 26 ; son point de fusion est de 1538 °C et son point de Curie est de 768 °C.

📌 Le point A2 du fer correspond au passage de l’état ferromagnétique à l’état paramagnétique et non à un changement de phase.

• La cémentite $Fe_3C$ contient 6,67 % de carbone en masse, possède une maille orthorhombique et tend à se décomposer en ferrite et graphite.

📌 Les fontes blanches se solidifient selon le diagramme Fe-Fe3C, tandis que les fontes grises contiennent du graphite et se solidifient presque entièrement selon le diagramme Fe-Cgraphite.

• Les fontes contiennent au moins 2 % de carbone et leur teneur industrielle en carbone est généralement comprise entre 3 % et 5 %.

💡 Astuce mémo

Fer pur : propriétés de référence ; alliage : propriétés modifiées par les éléments d’addition

📖 13. Élaboration au haut fourneau

★ À maîtriser

• L’élaboration des fontes prépare les minerais par concassage, broyage, enrichissement et agglomération avant leur introduction avec le coke et les fondants dans le haut fourneau.

• Les minerais de fer sont principalement la magnétite $Fe_3O_4$, l’hématite $Fe_2O_3$ et la goethite $Fe_2O_3H_2O$, avec plus rarement la sidérose $FeCO_3$ et des silicates.

• Le coke métallurgique est fabriqué en chauffant le charbon à au moins 1000 °C à l’abri de l’air ; il doit contenir moins de 10 % de cendres et moins de 2 % de matières volatiles et de soufre.

• Le haut fourneau fonctionne à contre-courant : le coke et la charge descendent du gueulard vers le creuset tandis que les gaz montent, chauffent la charge et réduisent progressivement les oxydes de fer.

📐 Formule - La réduction indirecte suit notamment les réactions $Fe_2O_3+CO\rightarrow2FeO+CO_2$ et $Fe_2O_3+H_2\rightarrow2FeO+H_2O$, tandis que la réduction directe peut s’écrire $FeO+C\rightarrow Fe+CO$.

Compléments

• Dans la composition de la fonte, la teneur en silicium augmente avec la température et constitue l’indice le plus net de l’état thermique du haut fourneau, tandis que le soufre diminue lorsque la basicité et la fluidité du laitier augmentent.

💡 Astuce mémo

Minerai → agglomération → réduction → fusion → fonte et laitier

📖 14. Fontes blanches et transformations eutectiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Fonte blanche : Présente une cassure d’aspect métallique blanc et possède une matrice quasi continue de cémentite Fe3C contenant des blocs d’eutectoïdes.

★ À maîtriser

• L’obtention d’une fonte blanche est favorisée par :

  • une surchauffe importante à la coulée
  • un refroidissement rapide
  • une faible teneur en silicium
  • une teneur plus élevée en manganèse

• La cémentite des fontes blanches possède une dureté de 800 à 1000 Hv et explique leur dureté et leur fragilité élevées.

Compléments

• Dans une fonte blanche hypoeutectique à 3 % de carbone, l’austénite primaire se forme d’abord, puis le liquide se transforme à 1147 °C en lédéburite, avant que l’austénite ne forme de la cémentite secondaire puis de la perlite à 727 °C.

• 🔄 La solidification d’une fonte blanche hypereutectique à 5 % de carbone suit les étapes suivantes : formation de cémentite primaire, transformation du liquide en lédéburite à 1148 °C, formation de cémentite secondaire, transformation de l’austénite en perlite à 727 °C

💡 Astuce mémo

Silicium faible et manganèse élevé donnent une fonte blanche, dure mais fragile.

📖 15. Fontes grises à graphite lamellaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Fonte grise à graphite lamellaire : Présente une cassure mate et grise due à la présence de graphite sous forme de lamelles.

★ À maîtriser

📐 Formule - Le carbone équivalent d’une fonte grise se calcule par $C_{eq}=C+\frac{Si+P}{3}$.

• Les principales propriétés d’usage des fontes grises sont : une bonne capacité d’amortissement des vibrations, une bonne usinabilité, une bonne tenue au frottement, une bonne résistance à la corrosion, une plage thermique d’utilisation de −100 à 350 °C, une bonne coulabilité, un très faible retrait à la solidification

📌 Lorsque la graphitisation cesse pendant le refroidissement, la fonte passe du diagramme stable Fe-Cgraphite au diagramme métastable Fe-Fe3C, et l’austénite se décompose ensuite en ferrite, cémentite et/ou perlite selon sa teneur en carbone.

Compléments

• Une fonte contenant 3,68 % de carbone, 2,88 % de silicium et 0,18 % de phosphore possède un carbone équivalent de 4,7 % et présente donc un comportement hypereutectique.

• Les fontes grises ont généralement une dureté comprise entre 100 et 350 Hv, tandis que la steadite devient visible lorsque la teneur en phosphore dépasse 0,7 %.

💡 Astuce mémo

Refroidissement lent et silicium élevé favorisent la graphitisation et les lamelles de graphite.

📖 16. Fontes sphéroïdales et malléables

🔑 Notions clés & Définitions

• Fonte à graphite sphéroïdal : Contient le graphite sous forme de nodules sphériques, ce qui réduit l’effet d’entaille des lamelles et améliore les propriétés mécaniques.
• Fonte malléable : Est obtenue à partir d’une fonte blanche par un traitement thermique de recuit pouvant être graphitisant ou décarburant.

★ À maîtriser

• La fonte à graphite sphéroïdal conserve la coulabilité, l’usinabilité et la capacité d’amortissement du graphite, tandis que sa résistance et sa ductilité peuvent atteindre les deux tiers de celles de sa matrice.

• Le magnésium est ajouté au bain vers 1450 °C, provoque une surfusion importante supérieure à 50 °C, retarde la formation du graphite, puis le graphite croît dans la matrice austénitique par diffusion du carbone et prend une forme sphérique.

Compléments

• La quantité de magnésium nécessaire à la formation des nodules est d’environ 0,04 %, mais la quantité introduite est supérieure à cause des pertes par oxydation, sulfuration et combinaison avec l’arsenic ou le bismuth.

• La composition courante comprend :

  • 3,4 à 4 % de carbone
  • 2 à 3 % de silicium
  • 0,1 à 0,8 % de manganèse
  • moins de 0,01 % de phosphore
  • moins de 0,02 % de soufre
  • 0,02 à 0,1 % de magnésium

💡 Astuce mémo

Magnésium → surfusion → cémentite temporaire → nodules de graphite.

📖 17. Désignation et définition des fontes

★ À maîtriser

• Les familles de fontes sont désignées par :

  • L : fonte à graphite lamellaire
  • S : fonte à graphite sphéroïdal
  • MB : fonte à cœur noir
  • MW : fonte à cœur blanc
  • N : fonte sans graphite
  • V : fonte vermiculaire
  • Y : fonte de structure spéciale

• La désignation EN-GJL-150 correspond à une fonte à graphite lamellaire ayant une résistance à la rupture de 150 MPa.

• La désignation EN-GJS-700-2 correspond à une fonte à graphite sphéroïdal ayant une résistance à la rupture de 700 MPa et un allongement à la rupture de 2 %.

Compléments

📌 Depuis 2011, la norme EN 1560 remplace la norme française NF A 02-001 pour la désignation conventionnelle des fontes.

💡 Astuce mémo

L-S-MB-MW-N-V-Y : les principales familles de fontes selon EN 1560.

📖 18. Élaboration et mise en forme des aciers

🔑 Notions clés & Définitions

• Acier non allié : Est un alliage fer-carbone dont la concentration en carbone est inférieure à 2 % et dont les éléments d’addition restent sous les limites fixées par la norme.
• Perlite : Est un agrégat eutectoïde biphasé constitué de ferrite et de cémentite, généralement organisé en lamelles alternées.
• Ael : la température d’équilibre définissant la limite inférieure d’existence de l’austénite et correspondant à la transformation eutectoïde
• Microstructure : la morphologie des constituants métalliques, déterminée par les conditions de germination et de croissance des phases et essentiellement fixée par les conditions de refroidissement

📝 Points essentiels

• Industriellement, la teneur en carbone des aciers non alliés est généralement comprise entre 0,05 % et 1,5 %.

• L’élaboration de l’acier comprend l’obtention d’un acier brut en convertisseur ou au four électrique, puis son affinage en station d’affinage pour atteindre la composition et la qualité finales.

• Dans le convertisseur à oxygène, la fonte liquide est introduite vers 1250 °C et l’insufflation d’oxygène pur avec ajout de chaux permet d’éliminer simultanément le carbone, le silicium, le manganèse, le phosphore et le soufre.

• Après le convertisseur ou le four électrique, l’acier brut peut contenir entre 0,05 et 0,1 % d’oxygène dissous et doit subir une mise à nuance, une désoxydation et une désulfuration finales.

📌 L’ajout de manganèse piège le soufre sous forme de MnS et évite la formation de FeS, dont l’eutectique avec le fer à bas point de fusion compromettrait le travail à chaud de l’acier.

• La coulée continue transforme l’acier liquide en blooms destinés aux produits longs et en brames destinées aux produits plats, puis le laminage transforme ces produits en pièces de formes et de dimensions déterminées.

• Le laminage à chaud s’effectue dans l’état austénitique entre 1100 et 1200 °C pour le dégrossissage, avec une finition pouvant descendre jusqu’à 800 °C.

📌 Le laminage à froid augmente la dureté et la limite d’élasticité, améliore l’état de surface, mais réduit la formabilité et peut nécessiter un recuit pour la restaurer.

• La constitution à l’état recuit dépend de la teneur en carbone :

  • 0 à 0,02 % : ferrite et cémentite tertiaire
  • 0,02 à 0,77 % : ferrite proeutectoïde et perlite
  • 0,77 % : perlite
  • 0,77 à 2,11 % : cémentite proeutectoïde et perlite

• Ae3 est la température d’équilibre définissant la limite supérieure d’existence de la ferrite.

📌 Pour une transformation donnée, Ac désigne la position au chauffage, Ae la position à l’équilibre et Ar la position au refroidissement.

📌 L’hystérésis au chauffage est généralement faible, si bien qu’Ac constitue une bonne approximation d’Ae, tandis qu’Ar dépend fortement de la vitesse de refroidissement et peut s’écarter de plusieurs dizaines à une ou deux centaines de degrés de Ae.

💡 Astuce mémo

Réduire → oxyder → affiner → couler → laminer.

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des réseaux cristallins

Réactions isothermes des diagrammes