1. Notes de cours:
Diagramme binaire
& applications
Dr. Nahed DOKHAN
Université de Boumerdès
2017-2018

2. Lorsqu’un corps pur (par exemple un métal pur) en fusion est refroidi, sous pression
constante (pression atmosphérique par exemple), le changement de phase s’effectue
toujours à une température fixe : le point de fusion.
Au point de fusion, les deux phases liquide et solide coexistent.
La détermination de ce point s’effectue en enregistrant la courbe de refroidissement
(température en fonction du temps).
La cristallisation étant un phénomène exothermique, au passage par le point de fusion, la
chaleur perdue par le refroidissement est temporairement compensée (figure), d’où la
présence d’un palier isotherme.
Rappel : Courbe de refroidissement – corps simple
2

3. Pour réaliser un composé binaire A-B, par exemple un alliage binaire, des proportions
définies de constituants différents sont fondues et mélangées, puis l’ensemble est refroidi.
Le résultat du mélange varie selon les variations relatives de taille des atomes A et B, selon
le type de maille d’origine et des propriétés électroniques des deux constituants. Les
courbes de refroidissement des composés binaires sont plus complexes que celle des corps
simples. En particulier, le changement de phase n’est plus caractérisé par une température
unique (palier isotherme sur la courbe de refroidissement) mais par une « plage » de
température.
Rappel : Courbe de refroidissement – corps composé (binaire)
3

4. Diagramme binaire: cas d’une miscibilité totale à l’état solide
Pour construire le Diagramme Binaire d’un alliage A-B, il suffit d’enregistrer les courbes
de refroidissement pour chaque concentration de B dans A en partant de A, métal pur
jusqu’à B, métal pur (exemple figure ci-dessous). Ce digramme est dit à « un seul fuseau
» et il indique une miscibilité totale de A et B (formation d’une solution solide: c.-à-d. la
présence des atomes A et B dans une même structure cristalline; il n’y a pas formation de
phases cristalline distinctes).
Diagramme binaire de l’alliage CuNi (Cupro-Nickel) 4

5. Diagramme de phase cuivre-nickel avec pourcentage massique du nickel dans le cuivre
1084°C
1453°C
On obtient un diagramme à un seul fuseau avec des alliages binaires à miscibilité totale
à l’état solide comme : Cu-Pd, Ag-Au, Ir-Pt, Ag-Pd, etc.
Diagramme à un fuseau (miscibilité totale)
5

6. 6

7. Le cupronickel ou cupro-nickel est un alliage à base de cuivre, majoritaire, et de
nickel, entre 10 % à 30 % en masse.
Monnaie du roi gréco-bactrien Euthydème II (vers 185-180 av.J-C.) en cupro-nickel.
Les rois gréco-bactrien (royaume grec en Asie Centrale) sont les seuls rois de
l'antiquité à avoir frappé des monnaies de cupro-nickel. La température de fonte
étant trop élevée pour les fourneaux de l'époque, ces pièces sont particulièrement
poreuses.
Utilisation du Cupro-Nickel (exemple)
7

8. Nickel
1453°C
8
Pièce de 5 dinars algériens (1984) : Nickel
Pièce de 1 dinar algérien : Cuivre-Nickel

9. Diagramme binaire à deux fuseaux (miscibilité totale)
Au: CFC
Cu: CFC
Ag: CFC
9

10. Diagramme binaire avec miscibilité partielle à l’état solide: Ag-Cu
C’est le cas le plus fréquent dans les alliages binaires. Deux types de transformations
peuvent se rencontrer : les diagrammes avec point eutectique et les diagrammes avec
point péritectique.
Au niveau du point E ou point eutectique, l’équilibre s’établit entre trois phases : une
phase liquide d’une part, et deux phases solides d’autre part. À ce point, un liquide se
transforme simultanément en deux phases solides : LE ⇔ α + ß
Les alliages situé à gauche du point eutectique s’appelle des alliages hypo-eutectiques et
ceux situés à la droite des alliages hyper-eutectiques.
10

11. Aspect micrographique de l'alliage eutectique Ag-Cu
Si la composition est rigoureusement celle de l’alliage eutectique, ici à 39,9%
atomique de cuivre dans l’alliage argent-cuivre, nous obtenons un agrégat de grains
comme le montre la figure ci-dessous.
L’aspect d’un eutectique peut présenter différentes morphologies, en lamelles, en
batonnets, en globules ou aciculaire.
Aspect de l’alliage eutectique Ag-
Cu. Les bandes grises composées
essentiellement d'argent avec
14,1% at. de cuivre et les bandes
noires sont essentiellement du
cuivre à 95,1% at.
11

12. Ce mécanisme peut être expliquer de la façon suivante :
Les deux composants, le solvant et le soluté ne sont pas miscibles dans les
proportions eutectiques (en effet, le Cu est miscible dans Ag seulement
pour des proportions inférieures à 8,8% massique).
Quand on refroidit à partir du point eutectique, un premier germe de
cristallisation va se former à l’interface du liquide. Ce germe peut être par
exemple du type α soit très riche en argent (85,9%at.). Pour atteindre cette
concentration, il va rejeter le cuivre en excès dans son voisinage immédiat.
Ce cuivre va à son tour se solidifier en phase β (cuivre : 95,1%at.) et rejeter
alors l’argent en excès. Cet argent forme une nouvelle couche α, etc. Cette
succession alternée de solidification de deux types cristallins différents
donne cet aspect caractéristique des alliages eutectiques.
Le mécanisme de formation de l’alliage eutectique Ag-Cu
12

13. Aspect micrographique de l'alliage hypo-eutectique Ag-Cu
Alliage Ag-Cu hypo-eutectique: Mélange de grains α et de grains eutectiques
13

14. Aspect micrographique de l'alliage hyper-eutectique Ag-Cu
Alliage Ag-Cu hyper-eutectique: Mélange de grains β et de grains eutectiques
14

15. Diagramme binaire avec miscibilité partielle à l’état solide: Fe-C
(1) : transformation péritectique. (2) : transformation eutectique. (3) : transformation
eutectoïde (solide-solide).
15

16. Diagramme binaire : Fe-C
Ce diagramme est
très utile pour
comprendre les
aciers, les fontes et
les traitements
thermiques.
Il est limité à droite
par la cémentite
(6,67 % C, matériau
fragile, cassant, très
dur) et fait
apparaître les deux
grandes familles de
métaux ferreux : les
aciers (entre 0,008
et 2,1 % de
carbone) et les
fontes (de 2,1% à
6,67 % C).
16
N.B. La lédéburite est le
fer γ (à 2% massique de
C) + Fe3C.

17. Fer α (alpha) : il existe jusqu'à 912 °C. De structure
cristalline à maille cubique centrée, il ne dissout
pratiquement pas le carbone (0,022 % C à 727 °C,
0.006 à 0,008 % C maximum à température
ambiante). La solution fer α plus carbone dissous
s'appelle la ferrite α. La ferrite α est donc une
solution solide d’insertion de carbone dans le fer α ,
de structure CC et de paramètre de maille 2.8664 Å.
Fer γ (gamma) : il est stable entre 912 °C et 1 394 °C ;
de maille cubique à faces centrées, il peut absorber,
ou « dissoudre », beaucoup plus d'atomes de carbone
que le fer α (C dans les sites octaédrique). La
solubilité maximale de carbone dans le fer γ est de
2,11 % à 1 148 °C. La solution fer γ plus carbone
dissout s'appelle l'austénite dont le paramètre de
maille est fonction du pourcentage de carbone.
L’auténite est obtenue à température amiante par la
trempe.
Fer δ (delta) : il est stable entre 1 394 °C et 1 538 °C ;
de maille cubique centrée, il a peu d'importance sur
le plan industriel.
17

18. Structure de l'acier selon sa teneur en carbone
La cémentite est Fe3C.
La perlite est le fer α (à
0.02% massique de C)
+ Fe3C.
18

19. Germination des phases de l'acier à partir des grains d'austénite au cours du
refroidissement ; acier hypo- et hyper-eutectoïde
19

20. Aciers au carbone
Lorsque les refroidissements sont suffisamment lents, l'austénite se transforme d'abord en
ferrite qui, compte tenu des interstices plus petits de sa maille, ne peut pas absorber tous les
atomes de carbone libérés. En conséquence, au fur et à mesure que la température diminue,
une partie du carbone libéré se combine avec les atomes de fer pour produire de la
cémentite. Cette cémentite s'agglomère avec la ferrite précédente pour donner la perlite. En
fin de refroidissement on peut obtenir trois cas d'aciers.
1. Acier eutectoïde (0,77 %C)
Toute l'austénite initiale est précipitée en perlite : un seul constituant de base contenant 0,77
% C.
2. Aciers hypoeutectoïdes (0,008 à 0,77 % C)
Ce sont les plus utilisés industriellement ; ils ont deux constituants de base, la perlite et la
ferrite. Au refroidissement l'austénite se transforme d'abord en perlite, mais comme il n'y a
pas assez d'atomes de carbone pour n'obtenir que de la perlite, il reste toujours une certaine
quantité de ferrite dont la proportion est fonction du pourcentage de carbone initial.
Exemples : un acier à 0,4 % C contient 45 % de perlite et 55 % de ferrite ; un acier à 0,6 % C
contient 79 % de perlite et 21 % de ferrite.
3. Aciers hypereutectoïdes (entre 0,77 et 2,11 % C)
Ils ont deux constituants de base, la perlite et la cémentite. Tout le carbone initial ne pouvant
être dissous et consommé par la perlite, les atomes restants s'amalgament avec le fer pour
former de la cémentite, dans des proportions qui sont fonction du pourcentage de carbone
initial.
Exemples : un acier à 1,2 % C contient 6 % de cémentite et 94 % de perlite ; un acier à 1,4 % C
contient 9,5 % de cémentite et 90,5 % de perlite, etc. 20

21. Microstructure de l’acier autour de l’eutectoïde
21

22. Structure cristalline du fer selon la
température et la teneur en carbone à
proximité du point eutectoïde.
22

23. La teneur en carbone a une influence considérable (et assez complexe) sur les propriétés de l’acier :
en dessous de 0,008 %, l’alliage est plutôt malléable et on parle de « fer » ; au-delà de 2,1 %, on
entre dans le domaine de l'eutectique (fer/carbure de fer ou bien fer/graphite), ce qui modifie
profondément la température de fusion et les propriétés mécaniques de l'alliage, et l'on parle de
fonte.
Entre ces deux valeurs (0.008% et 2.1%), l’augmentation de la teneur en carbone a tendance à
améliorer la dureté de l’alliage et à diminuer son allongement à la rupture ; on parle d’aciers « doux,
mi-doux, mi-durs, durs ou extra-durs ».
Dans les manuels anciens de métallurgie, on peut trouver comme définition de l'acier un alliage fer-
carbone où le carbone varie de 0,2 à 1,7 % ; la limite actuelle a été établie à partir du diagramme
binaire fer/carbone (toutefois, il y a des aciers avec des concentrations de carbone supérieures à ces
limites : acier dits lédéburitiques obtenus par frittage).
On modifie également les propriétés des aciers en ajoutant d’autres éléments, principalement
métalliques, et on parle d’aciers alliés. De plus, on peut encore améliorer grandement leurs
caractéristiques par des traitements thermiques (notamment les trempes ou la cémentation), on
parle alors d’aciers « traités ».
L’intérêt majeur des aciers est lié à leurs propriétés mécaniques fondamentales :
Raideur, résistance à la déformation élastique : module d’élasticité E.
Résistance à la déformation irréversible, à la rupture : limite élastique Re.
Résistance minimale à la rupture Rm ;
Dureté H
Résistance aux chocs : résilience K. 23

24. Les fours pour la réalisation d’alliage métallique
Les fours antiques sont des installations à tirage vertical (l’air entre par le bas et est expulsé chaud par
l’ouverture en haut de la coupole du four); à l’intérieur de la coupole il peut y avoir fusion de métaux
ou alliage à basse température de fusion. .
Un petit four à coupole fixe en pleine chauffe. La température est ici
proche de 1000°C au vu de la couleur de la flamme d’échappement.
N.B. L’homme a maitrisé la métallurgie du bronze (Cu-Sn) (Tfusion <
1080°C) avant la métallurgie du fer (Tfusion = 1538°C) à cause des
températures de fusion que le four devait atteindre. 24

25. Les Hauts fourneaux
Un haut fourneau est une installation
industrielle destinée à simultanément
désoxyder et fondre les métaux
contenus dans un minerai, par la
combustion d'un combustible solide
riche en carbone. En général, le haut
fourneau transforme du minerai de fer
en fonte liquide (fonte en fusion), en
brûlant du coke qui sert à la fois de
combustible et d'agent réducteur. Bien
que la fonte produite soit un matériau
à part entière, cet alliage est
généralement destiné à être affiné
dans des aciéries.
C’est en Chine (au Ier siècle après J-C., pendant la dynastie
Han) que sont apparus les premiers Hauts- fourneaux.
Au 14ème siècle, les Chinois ont utilisé la force hydraulique
pour actionner la soufflerie alimentant en air (c.-à-d. en O2)
le haut fourneau.
25

26. 26

27. Le complexe Sider El Hadjar emploie plus de 4.500 travailleurs dont plus de 200 dans la
zone chaude (hauts fourneaux) et produit quotidiennement 1.800 tonnes d’acier liquide.
Hauts fourneaux du complexe sidérurgique d’El Hadjar
27

28. Le complexe sidérurgique d'El Hadjar est alimenté en minerais de fer non phosphaté depuis le
gisement d'El Ouenza-Tébessa (la plus grande carrière de minerai de fer en Algérie avec ses
300 millions de tonnes de minerai de fer, elle est en mesure de répondre à long terme, aux
besoins de l'Algérie); et aussi depuis le gisement de Boukhadra-Tébessa.
gisement d'El Ouenza-Tébessa (Algérie)
gisement de Boukhadra-Tébessa
Dans le minerai, le métal est présent sous forme d’oxydes ou de sels (sulfate, chlorure,
carbonate…). Réduire le fer dans le minerai implique une transformation chimique qui a besoin de
carbone (provenant du coke), d’oxygène (air soufflé à l’intérieur du haut fourneau) et de chaleur
(car les enthalpie de réaction sont positives - endothermiques); cette chaleur provient de la
combustion du coke qui a un pourvoir calorifique élevé.
28

29. Images d’une coulée du Haut fourneau à El Hadjar 29

30. Une coulée au Haut fourneau 2 d’El Hadjar
30

31. Une coulée au Haut fourneau 2 de Dąbrowa Górnicza (Pologne).
31

32. Convertisseurs à oxygène pour la production d'acier.
(Remplissage d'une poche par basculement de la sole d'un four
à arc électrique).
L'aciérie à oxygène du complexe sidérurgique d'El Hadjar a été construite en 1972
pour transformer la fonte liquide provenant du haut-fourneau en acier, à l'aide
d'oxygène.
32

33. 33

34. Le coke est un combustible obtenu par pyrolyse de la houille ou du charbon dans un
four à l'abri de l'air.
(22 janvier 2018 Le haut fourneau du complexe sidérurgique d’El-Hadjar est à l’arrêt
en raison de l’absence de coke, en rupture de stock. Le complexe sidérurgique
attendra l’arrivée d’un bateau depuis la Chine pour l’approvisionner en coke).
Cokerie d’ArcelorMittalCoke
34

35. La première fonction de la métallurgie est d’extraire les métaux de leurs
minerais (sulfures, oxydes, etc.) et de les faire passer d’une forme oxydée stable à la
forme réduite « métal libre ». Les réactions redox mises en jeu se déroulent à haute
température et par voie sèche.
Pour plusieurs métaux de transition comme le fer ou le zinc, les sulfures sont oxydés
par O2 (grillage) et/ou les oxydes sont réduits, le plus souvent, par CO ou C.
Réactions redox par voie sèche dans les hauts fourneau
35

36. 36

37. 27-04-2018
« Le complexe sidérurgique Sider a bénéficié d’un financement
supplémentaire de 26 milliards de dinars destinés surtout à la
réhabilitation et la relance des activités de la cokerie (fermée en 2010
par Arcelor Mittal) et la modernisation de l’aciérie à oxygène n°2 afin
de promouvoir la production du coke et de produits ferreux semi-
industrialisés (biellettes) nécessaires à la fabrication du rond à béton ».
37

38. Centrales à oxygène pour les aciéries d’El Hadjar (Cox N°1 à Cox N°4)
Usines de séparation des gaz de l'air de LINDE
Société LINDE
« Depuis la découverte de la liquéfaction de
l'air par Carl von Linde en 1895, puis
l'invention et le brevetage de la décomposition
de l'air en ses différents composants grâce au
procédé de rectification en 1902, nous
sommes restés au premier plan de l'industrie
de la séparation de l'air au niveau mondial. »
Site de Linde
38

39. 39

40. Diagramme binaire liquide-gaz diazote-dioxygène
On sépare le diazote du dioxygène par distillation fractionnée de l'air liquide:
Distillation fractionnée de l'air liquéfié
40

41. 41
Centrale à oxygène: liquéfaction de l’air puis distillation fractionnée pour en
extraire l’oxygène liquide qui ira principalement vers les aciéries.

42. L'air qui est composé de plusieurs gaz, n'est plus liquéfiable à une température
supérieure à − 140 0C. Les premières gouttes d'air liquide ont été obtenues par
Louis Paul Cailletet et Raoul Pierre Pictet en 1877, par détente brutale entre 300
et 1 atmosphère (Détente de Joule-Thomson).
Le froid nécessaire à la liquéfaction industrielle de l'air est obtenu par détente en
utilisant le phénomène de Joule-Thomson. L'abaissement de température
provoqué par la détente est proportionnel à la différence entre les pressions
initiale et finale.
Pratiquement, l'air est dépoussiéré, débarrassé de son gaz carbonique et de son
humidité, comprimé vers 200 atmosphères, refroidi dans un échangeur, puis
détendu jusqu'a 25 atmosphères. Une série de compressions et de détentes
aboutit à la liquéfaction. Dans la plupart des usines, l'air liquide est
immédiatement soumis à une distillation fractionnée qui sépare l'oxygène,
l'azote et les gaz nobles.
L'oxygène sert essentiellement à la préparation de l'acier. Le remplacement de
l'air par de l'oxygène pur, dans l'affinage des fontes, permet d'obtenir des aciers
plus homogènes et de qualité supérieure, pour une consommation de coke très
inférieure.
42

43. Annexe-1
Liquéfaction des gaz
43

44. Martin van Marum (1750-1837)
Van Marum, physicien et chimiste de Harlem
(Pays Bas) reste célèbre pour avoir le premier
liquéfié un gaz. Voulant savoir si l’ammoniac
obéit à la loi de Boyle-Mariotte sur les gaz
parfaits, il la comprima, et, à six atmosphères
(6 atm= , il la vit changer brusquement d’état
pour devenir un liquide transparent.
Isothermes d’Andrews de l'ammoniac, le
premier gaz à avoir été liquéfié ().
quatre isothermes, correspondant aux
températures 323 K, 373 K, 423 K et 473 K.
44

45. 45

46. 46

47. Effet Joule-Thomson
Cet effet a été pour la première fois observé
par Joule et Thomson (Lord Kelvin) en 1852, il
ne sera utilisé pour la liquéfaction de gaz en
quantité importante qu’en 1895 par Hampson
(qui le premier liquéfie l’air, il dépose un brevet
15 jours avant Linde).
Maxwell a trouvé que la vitesse d’une molécule de gaz
est reliée à la température de celui-ci:
Comprimer un gaz réel (et non parfait) rapproche les
molécules et augment l’énergie d’attraction entre elles.
En dilatant le gaz après compression (en le faisant, par
exemple, passer par un col étroit vers une enceinte où il
y a du vide), les molécules seront obligées de s’éloigner
pour occuper tout l’espace disponible; mais pour cela
elles doivent se libérer de l’attraction qui les relient;
elles y arrivent seulement en y mettant le prix: une
partie de leur énergie cinétique! Mais comme l’énergie
cinétique est – d’après Maxwell – reliées à la vitesse
quadratique moyenne et que celle-ci est reliée à la
température, alors on assiste à un effet Spectaculaire: le
refroidissement du gaz par simple détente!!...
J. P. Joule (1818-1889)W. Thomson – Lord
Kelvin (1824-1907)
47

48. Des cycles continus de compression et de détente (détente = effet Joule-Thomson)
permettent la liquéfaction des gaz; ce procédés est utilisé dans les deux centrales à
oxygène d’El Hadjar (Cox1 à Cox4) qui liquéfient d’abord l’air puis en extraient
l’oxygène par distillation fractionnée.
Réfrigérateur de Linde pour la
liquéfaction des gaz:
Le gaz comprimé cède de la
chaleur à l’environnement dans
l’échangeur de chaleur et passe
dans le serpentin (à droite).
Le gaz est encore refroidi par
l’effet Joule-Thomson lorsqu’il
émerge de l’étranglement. Puis il
refroidit le gaz entrant et est
recyclé dans le système.
Au bout de plusieurs cycles, la
température du gaz entrant est
assez basse pour qu’il se
condense en liquide. C’est ainsi
que l’air est liquéfié dans les
centrales à oxygène des acieries.
48

49. 49

50. Annexe-2
L’Acier & ses applications
50

51. Le coût d’élaboration des aciers reste relativement modéré, car le minerai de fer est abondant
sur terre (environ 5 % de l’écorce) et sa réduction assez simple (par addition de carbone à
haute température); aussi, les aciers sont pratiquement entièrement recyclables grâce à la
filière ferraille. Ainsi les aciers restent privilégiés dans presque tous les domaines d’application
technique :
 Equipements publics (ponts et chaussées, signalisation)
 Industrie chimique, pétrochimique, pharmaceutique et nucléaire (équipements
sous pression, équipements soumis à l’action de la flamme, capacités de stockage,
récipients divers)
 Agroalimentaire (conditionnement et stockage)
 Bâtiment (armatures, charpentes, ferronnerie, quincaillerie)
 Industrie mécanique et thermique (moteurs, turbines, compresseurs)
 Automobile (carrosserie, équipements)
 Ferroviaire
 Aéronautique
 Aérospatial
 Construction navale
 Médical (instruments, appareils et prothèses)
 Composants mécaniques (visserie, ressorts, câbles, roulements, engrenages),
outillage de frappe (marteaux, burins, matrices) et de coupe (fraises, forets, porte-
plaquette)
 Mobilier & design
 Equipements électroménagers, etc.
Utilisations de l’acier
51

52. Câble de traction en acier
Câbles en acier du téléphérique de
Riadh El Feth (Alger)
Trois éléments en acier; mais chaque
type d’acier est différent car son
utilisation est différente (ainsi l’acier
des câbles est différents de l’acier de
la cabine).
52

53. 53

54. Influence du mode de refroidissement sur la microstructures des acier
54

55. Annexe-3
L’acier des célèbres épées de
Damas (acier damassé)
55

56. Depuis l'âge du bronze (2000 av. J.C.) jusqu’à la fin du 18ème siècle, l'épée fut parmi les armes
principales des guerriers. Les aciers de Damas (Syrie) - que les Européens découvrirent lors
des Croisades - ont eu pendant plusieurs siècles une réputation légendaire :
exceptionnellement résistants, tranchants et beaux, ils étaient considérées comme les
meilleurs du monde!
Les forgerons d'Europe ont longtemps tenté, en vain, de découvrir les secrets de fabrication
de cet acier. Même Michael Faraday (grand physicien et fils de forgeron) contribua à ces
tentatives en émettant, en 1819, l'hypothèse que les propriétés remarquables de cet acier
provenaient d'ajout de petites quantités de silice (SiO2) et d'alumine (Al2O3). L'hypothèse
était erronée, mais elle stimula un inspecteur de l'Office des Monnaies de Paris, Jean Robert
Bréant, qui démontra que cet exceptionnelle dureté de l'acier damassé provenait de sa haute
teneur en carbone (où se situe cette teneur en C sur le digramme binaire Fe-C et comment a-
t-il pu mesurer cette teneur en carbone en 1821 → votre réponse sera bien venue et bien
notée!). 56

57. Les aciers de Damas sont le résultat d’une combinaison de deux facteurs favorables :
l’utilisation du wootz et l’habile forgeage.
Les épées dans les ateliers de Damas étaient forgées dans du wootz, acier qui venait d'Inde
sous forme de petits lingots. Le wootz était constitué d’environ 1,5% de carbone, ainsi que de
faibles quantités d'impuretés, tels le silicium, le manganèse, le phosphore et le soufre.
Pour préparer le wootz, les forgerons indiens mélangeaient le charbon de bois à leur minerai
de fer dans des creusets d'argile fermés de 8 cm de diamètre sur 16 cm de haut, puis les
mettaient dans un four de pierre où ils étaient chauffés à 1200°C.
les forgerons secouaient alors le creuset pour détecter la présence de matière fondue
(d’après le diagramme binaire, cette matière serait constituée du métal liquide avec de
l’austénite solide- cristaux CFC de Fer γ avec du carbone interstitiel).
Les forgerons refroidissaient les creusets très lentement, parfois en plusieurs jours. Lorsque
la température tombe au-dessous de 1000 °C, une partie du carbone précipite et forme de la
cémentite (Fe3C), autour des grains d'austénite.
La cémentite est dure et cassante à température ambiante; le maillage de la cémentite devait
aggraver la fragilité de l'acier obtenu; pourtant, les épées damassées étaient solides et dures.
Le wootz n'acquérait cette résistance que quand le maillage de cémentite avait été détruit
par un martelage prolongé, à température assez basse (650 à 850 °C). L'épaisseur du lingot
d'origine était réduite selon les lames d'un facteur 3 à 8 par martelage.
57

58. Le réseau de cémentite constitue le
damas visible à la surface de la lame.
Aussi, les lames de Damas étaient durcies par
trempage après avoir été forgées. En effet, on
provoque le durcissement thermique d'un acier
de ce type en le chauffant à plus de 727°C (la
ferrite se transforme en austénite) puis en le
trempant. Quand on laisse un acier extra-dur
refroidir lentement au lieu de le tremper,
l'austénite se transforme en perlite. Mais quand
on trempe l'acier, on évite cette dernière
transformation, et les cristaux de fer adoptent
une configuration quadratique centrée où les
atomes de carbone peuvent s'insérer : la
martensite.
La martensite est une solution solide
d'insertion sursaturée en carbone dans le fer
α’ (cubique centré), de même composition
que l'austénite initiale. La transformation
austénite - martensite consiste en une
modification du réseau cristallin (avec un
faible déplacement des atomes de fer), sans
qu'il y ait de diffusion des atomes de carbone :
on appelle ce type de transformation
"displacive". 58

59. Annexe-4
La fonte & ses applications
59

60. On a deux types de fontes :
 Les fontes blanches, à cémentite.
 Les fontes grises, à graphite.
La fonte blanche est une solution de perlite et de cémentite. Le carbone s'y
trouve sous forme de carbure de fer (Fe3C). Possédant une bonne coulabilité, et
un aspect blanc brillant, la fonte blanche est principalement utilisée pour les
pièces d'aspect, les pièces d'usure (telles que les pointes de socs) et la fonderie
d'art. La présence de carbure la rend très résistante à l'usure et à l'abrasion,
mais la rend aussi très difficilement usinable.
Dans la fonte grise, le carbone se trouve sous forme de graphite. La structure
graphitique du carbone est obtenue par un refroidissement très lent de la fonte
(un refroidissement rapide donnera de la cémentite), ou l'ajout de composants
graphitisants comme le silicium (contrairement au manganèse, qui facilite la
formation de cémentite). La fonte grise a beaucoup de domaines d’application
et elle se divise en deux grandes catégorie: FGL : fonte à graphite lamellaire;
FGS : fonte à graphite sphéroïdal.
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61. Influence de la forme du graphite
Dans les fontes grises, le graphite se présente sous forme de lamelles. Chacune de ces
lamelles de graphite peut, sous une concentration d’efforts anormaux en certains points,
entraîner une amorce de fissure.
Les métallurgistes ont donc cherché à diminuer ou à supprimer ces effets en jouant sur la
taille de ces lamelles ou leur disposition.
La centrifugation a permis d’obtenir des lamelles très fines qui augmentent sensiblement
les qualités mécaniques de la fonte.
Un pas décisif a été franchi en 1948, lorsque les recherches faites aux USA et Grande-
Bretagne ont permis d’obtenir une fonte à graphite sphéroïdal (ou fonte FGS), plus
connue sous le nom de fonte ductile.
Le graphite n’est plus disposé en lamelles, mais cristallisé sous forme sphérique. Les
lignes de propagation des ruptures possibles sont ainsi éliminées. La cristallisation du
graphite sous forme de sphères est obtenue par introduction contrôlée d’une petite
quantité de magnésium dans une fonte de base préalablement désulfurée.
Ainsi: l’ajout de silicium permet la germination de la phase
graphitique au lieu de la phase cémentique (Fe3C) et sa
stabilisation; et l’ajout de magnésium favorise la croissance
sphéroïdale au lieu de la croissance lamellaire.
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62. Pattes de bancs publicsLampadairesAbreuvoirs
Marches et contre-
marches d'escaliers
Exemples d’utilisation de la fonte
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63. La fonte ductile, alliage de fer, carbone et
silicium, a vu le jour en 1943. Contrairement
à la fonte grise, où le graphite apparaît sous
formes de lamelles, le graphite dans la fonte
ductile apparaît sous formes de sphères,
éliminant ainsi le risque de propagation de
fissures, d’où un matériau beaucoup plus
résistant que la fonte grise.
En plus de conserver les propriétés de la
fonte grise, c'est-à-dire la résistance à la
compression, l’aptitude au moulage, la
résistance à l’abrasion, l’usinabilité et la
résistance à la fatigue, la fonte ductile a aussi
les qualités de résistance à la rupture, la
résistance aux chocs, une haute limite
élastique ainsi qu’un allongement important.
Sa popularité vient du fait que ses propriétés
sont compétitives avec plusieurs types
d’acier, mais à un coût de fabrication
beaucoup moins élevé.
Fonte grise sphéroïdale-FGS (Fonte ductile)
Microstructure de la fonte ductile (sphères
de graphite visibles).
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64. C’est une fonte à graphite lamellaire, c’est-à-dire une fonte où le carbone se cristallise sous
forme de lamelles de graphite longues et étroites dans une matrice de 20-30% ferrite et 70-
80% de perlite.
Les propriétés de la fonte grise sont :
- Une bonne résistance à la compression
- L’aptitude au moulage
- La résistance à l’abrasion
- Facilement usinable
- Résistance à la fatigue
Microstructure fonte grise lamellaire
Fonte grise lamellaire-FGL
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65. Tuyaux en FGS (fonte ductile)
Un bloc-moteur de quatre cylindres en fonte
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66. Utilisations de la Fonte
La fonte est utilisée pour tout type de pièce mécanique. Pour leur majorité les pièces sont
obtenues par coulée du métal liquide dans des moules en sable siliceux.
•La fonte, et particulièrement la fonte FGS, est très utilisée par l'industrie automobile pour
la fabrication, par moulage puis usinage partiel, des blocs moteur, des étriers et chapes de
frein à disque, des tambours de freins ou encore des volants moteurs, organes de
suspension, arbre à cames, vilebrequin, etc.
•La fonte FGL est utilisée pour la fabrication de disques de freins, contrepoids (chariot
élévateur), pour la réalisation d'éléments de chauffage, particulièrement ceux de haut de
gamme.
•La fonte FGS est particulièrement utilisée en éléments de voirie comme les grilles et
regards d'assainissement (grilles d'égout)
•Les fontes FGS et FGL sont utilisées pour la réalisation de mobiliers urbains comme les
bancs et les rambardes ouvragées (bouches de métro Guimard), et en ornementation de
bâtiments comme les appuis de fenêtre, les rosaces de portail, les pics de grille. Là, la FGS
est appréciée pour sa soudabilité.
•La fonte FGL est utilisée pour la fabrication de conduites et de tuyaux. À l’exclusion, depuis
quelques années, des conduites de gaz de ville car elle est trop cassante vis-à-vis des
sollicitations du trafic des véhicules lourds et particulièrement lors de l’utilisation de
rouleaux compresseurs à vibration par les travaux de voirie.
•La fonte FGL est préférée pour la réalisation des bâtis de machines-outils car elle a une
très bonne capacité d'absorption des vibrations.
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67. Deux composants mélangés peuvent ne former qu’une seule phase, comme l’eau est
l’alcool.
S’ils peuvent se mélanger quel que soit le dosage, on dit qu’ils sont totalement
miscibles.
S’ils ne peuvent se mélanger, comme l’eau et l’huile, ils forment alors deux phases,
distinctes et sont dits non miscibles.
Certains métaux ne sont pas miscibles, comme le germanium et l’aluminium, pour
lesquels, dès le stade de la fusion, les deux phases se retrouvent totalement
séparées.
Annexe-5
Miscibilité (Définition)
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68. 68