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1
INSTITUT SUPERIEUR DES ETUDES
TECHNOLOGIQUE DU KEF
Cours des sciences des matériaux
2021/2022
Nizar FERJAOUI

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Introduction
Les principales familles de matériaux
 Les matériaux métalliques
 Les polymères
 Les céramiques
 les composites
Les essais des matériaux
 Définitions
 Essai de traction
 Essai de résilience
 Essai de dureté

3
Importance des matériaux dans le domine industriel :
 Les matériaux sont à la source de la technologie et du monde
industriel
 La réussite technique et le succès commercial d’un produit
fabriqué dépendent en grande partie du ou des matériaux choisis
 Grande variété proposée; le choix dépend des caractéristiques
(mécaniques, chimiques, etc.), du procédé de fabrication et du
prix
Introduction :

4
Prix comparatif indicatif (au Kg) des principaux matériaux industriel :
Unité arbitraire

5
Les principales familles de matériaux :

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Métaux et alliages Polymères
Fer, acier
Aluminium et alliage
Cuivre et alliage
Nickel et alliage
Titane et alliage
Polyéthylène (PC)
Nylon
Polystyrène (PS)
Polychlorure de vinyle (PVC)
Caoutchoucs
Céramiques et verres Composites
Alumine (Al2O3)
Silice, verres et silicates
Carbure de silicium
Ciment et béton
Bois
Fibre de verre (PRFV)
Polymères renforcés par fibre de
carbone (PRFC)
Polymères chargés
cermets
Les principales familles de matériaux :

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Désignation normalisé : on utilise des lettres pour préciser le métal
et les éléments d’alliages + des chiffres pour les quantités et la pureté
Les métaux :
Structure cristalline : c’est la façon dont les atomes sont empilés
(les monocristaux ou grains)
Mailles : à l’intérieur du grain (disposition « régulière » des atomes)
Allotropie : propriétés de certains métaux ou alliages qui peuvent avoir,
selon la température, des mailles différentes
Alliages: ajout d’autres métaux; ceci permet d’améliorer les
Caractéristiques du matériau

8
Symboles chimiques et métallurgiques, densités des métaux usuels :

9
Les matériaux métalliques :
Les ferreux :
FONTE
=
FER + CARBONE (2 à 6 %)
ACIER
=
FER + CARBONE (0,1 à 2 %)

10
Le fer
Le fer s'obtient industriellement en réduisant par le monoxyde
de carbone (CO) provenant du carbone, les oxydes contenus
dans le minerai.
C'est un métal qui, en fonction de la température, se présente
sous plusieurs formes allotropiques. Dans les conditions
normales de pression et de température, c'est un solide
cristallin de structure cubique centré (fer α ou ferrite) ; à partir
de 912 °C, il devient cubique à faces centrées.
 fer+oxygène (les oxydes),
 fer+ oxygène+hydrogène (les hydroxydes),
 fer+ oxygène+carbone (les carbonates),
fer+ soufre (les sulfures).

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L’acier
 L'acier est un alliage à base de fer additionné d'un faible
pourcentage de carbone (de 0,008% à environ 2,14% en
masse).
 La teneur en carbone a une influence considérable sur les
propriétés de l'acier : en dessous de 0,008%, l'alliage est
plutôt malléable et on parle de fer.
 au-delà de 2,14%, les inclusions de carbone sous forme
graphite fragilisent la microstructure et on parle de fonte.
 l'augmentation de la teneur en carbone a tendance à
améliorer la résistance mécanique et la dureté de l'alliage ;
on parle d’aciers doux, mi-doux, mi-durs, durs ou extra-durs.

12
L’acier
L’ajoute d'autres éléments modifie également les propriétés
des aciers, et on parle d'aciers alliés.
 De plus, on peut encore améliorer grandement leurs
caractéristiques par des traitements thermiques (notamment les
trempes) prenant en surface ou à cœur de la matière ; on parle
alors d'aciers traités.
 L'intérêt majeur des aciers réside d'une part dans les valeurs
élevées des propriétés mécaniques fondamentales :
résistance aux efforts : module d'élasticité, limite
élastique, résistance mécanique ;
 dureté ;
 résistance aux chocs (résilience)

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L’acier
 Le coût d'élaboration 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).
 Les aciers sont pratiquement entièrement recyclable
Les aciers présentent une mauvaise résistance à la corrosion.
on peut remédier, soit par divers traitements de surface, soit
par l'addition d'éléments réalisant des nuances dites
« inoxydables ».
les aciers sont difficilement moulables

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L’aluminium
 L’aluminium est un élément chimique, de symbole Al. C'est
un élément important sur la planète Terre avec 1,5 % de la
masse totale en élément Al.
 C'est un métal argenté et malléable. Il est remarquable pour
sa résistance à l'oxydation et sa faible densité.
 Il est très oxydable mais à l'air, il se forme une couche de
quelques micromètres d'oxyde d'aluminium (Al2O3)
imperméable qui protège le reste du métal et qui se reforme
très rapidement

15
L’aluminium
Les composants structuraux faits à partir d'aluminium sont
essentielles à l'industrie aérospatiale et très importants dans
d'autres secteurs du transport et de la construction où sa
faible densité, sa longévité et sa résistance sont nécessaires
 L'aluminium a une densité (2,7) environ trois fois plus
faible que celle de l'acier ou du cuivre.
 il est malléable, ductile et facilement usiné et moulé. Il est
également non magnétique et ne provoque pas d'étincelles.
C’est le métal le plus utilisé après le fer, grâce à sa légèreté
et sa bonne conductivité électrique et thermique

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La céramique
Premier « art du feu » à apparaître (avant la métallurgie et le
travail du verre), la céramique désigne l’ensemble des objets
fabriqués en terre cuite qui ont subi une transformation
physico-chimique irréversible à une température plus ou
moins élevée.
Un matériau céramique est solide à la température ambiante
et n'est ni métallique, ni organique. Les objets en céramique
sont réalisés par solidification à haute température d'une
pâte humide plastique (verres minéraux), ou par chauffage
(frittage) d'une poudre sèche préalablement comprimée,
sans passer par une phase liquide (céramiques
polycristallines)

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Les plastiques
Les matières plastiques désignent une large gamme de
martiaux macromoléculaires synthétiques et artificiels,
ainsi que de nombreux polymères naturels.
Généralement, les polymères industriels ne sont pas
utilisés à l'état « pur », mais mélangés à des
substances miscibles ou non dans la matrice polymère.
La matière plastique = polymère brut (résine de
base) +charges + plastifiants + additifs

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On distingue 3 familles de matière plastique
Les thermoplastiques
Les thermoplastiques se déforment et sont façonnables sous
l'effet de la chaleur, gardant cette forme en refroidissant.
Cette propriété permet leur recyclage : les objets sont broyés
et refondus pour en élaborer d'autres
Les thermodurcissables
Les thermodurcissables prennent leur forme définitive au
premier refroidissement, sans réversibilité
Les élastomères
Les élastomères sont des polymères amorphes présentant des
propriétés remarquables en élasticité, amortissement et
étanchéité (air, eau).
Ils sont employés fabrication de pneumatiques coussins,
certains isolants, mastics, joints, etc.

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Processus de fabrication des aciers :
L'acier liquide est élaboré à partir du minerai
(filière fonte) ou à partir de ferrailles (filière
électrique).
l'acier liquide est solidifié par moulage dans
une machine de coulée continue.
A la sortie, on obtient les DEMI-PRODUITS :
des barres de section rectangulaire (brames)
ou carrée (blooms ou billettes), qui sont les
ébauches des formes finales.
Enfin, les ébauches sont transformées en
PRODUITS FINIS par laminage, dont certains
subissent un traitement thermique. Plus de la
moitié des tôles laminées à chaud sont
relaminées à froid et éventuellement revêtues
d'une protection anti-corrosion.

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Figure 4. Four électrique à arc. Diverses phases de l’élaboration
Benne de
chargement
Fusion
Electrode
Décrassage
Cuve à
scories
coulée
poche
porte
Trou de
coulée
Voûte
pivotante
Dispositif de basculement
Four électrique à l’arc. Diverse phases de l’élaboration
Processus de fabrication des aciers :
Fabrication de l’acier au four
électrique :
l’acier peut être obtenu au four
électrique :
- Par oxydation du carbone de la fonte
au moyen d’un oxyde de fer.
- Par mélange et fusion de ferraille et de
fonte.
Comme four à creusets : la chaleur
nécessaire à la fusion est fournie par
l’électricité
Chaleur à l’arc électrique (four à
induction)
Chaleur développée par le passage du
courant dans la masse métallique (four à
induction)

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Désignation des aciers :
Les aciers non alliées :
A/ Les aciers d’usage général : S B/ Les aciers de construction mécanique : E
S 235
E 335
Symbole Re : résistance minimale d’élasticité en Mpa
C/ Les aciers pour traitement thermique et forgeage : C
C 40
Symbole % de carbone x100
Acier non allié à 0,4% de carbone
D/ Les aciers non alliés moulés : G
GS 235
GS 335
GC40

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Les aciers alliées :
A/ Les aciers faiblement alliés (aucun élément d’addition n’atteint 5%) :
B/ Les aciers fortement alliés :
X 5 Cr Ni 18-10
% réel des éléments d’alliage
% de carbone x 100
Symbole
Symbole des éléments d’alliage par
teneur décroissante
30 Ni Cr Mo 8-6
% de carbone x 100
Symbole des éléments d’alliage
par teneur décroissante
% des éléments d’alliage
x4 pour Cr, Co, Mn, Ni, Si, W
x10 pour Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb,
Ta, Ti, V, Zr
x100 pour N, P, S
x1000 pour B

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Désignation des fontes :
A/ les fontes à graphites lamellaires :
EN-GJL-200
Préfixe
Symbole du type de fonte
Rr Limite à la rupture en Mpa (N/mm²)
B/ les fontes malléables :
EN-GJMB-450-6
Préfixe
Rr en Mpa
A% : allongement à la rupture
C/ les fontes à graphite sphéroïdal :
EN-GJS-400-18
Préfixe
Rr en Mpa
A% : allongement à la rupture

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Les matériaux non métalliques :
Les alliages d’Aluminium :
EN AB-21 000 [Al Cu4 Mg]
Code numérique Désignation symbolique
1er élément d’addition suivi
de son pourcentage réel
Symbole du métal de
base : ALUMINIUM
2e élément d’addition suivi
de son pourcentage réel
Exemples d’alliages d‘Aluminium :
 EN AB-21 000 [Al Cu 4 Mg] : 4% de Cuivre – faible % de Magnésium
 ALPAX : Aluminium (Al) + Silicium (Si)
EN AB-44 200 [Al Si 12], Bonne moulabilité
 DURALIUM : Aluminium (Al) + Cuivre (Cu), EN AW-2017 [Al Cu 4 Mg Si]
Bonne usinabilité
DURALINOX : Aluminium (Al) + Magnésium (Mg), EN AW-5086 [Al Mg 4]
Bonne soudabilité (Pièces chaudronnées :Citernes, tuyauterie)

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Les matériaux non métalliques :
Les alliages de cuivre :
Cu Zn 39 Pb2
1er élément d’addition suivi de
son pourcentage réel
Symbole du métal
de base : CUIVRE
2e élément d’addition suivi de
son pourcentage réel
 Cu Zn 39 Pb2 : 39% de Zinc – 2 % de Plomb
 BRONZE : Cuivre (Cu) + Etain (Sn), Cu Sn 8
Matériau de frottement (Bague, douille, segments)
 LAITON : Cuivre (Cu) + Zinc (Zn), Cu Zn 15
Bonne usinabilité (robinetterie, pompe)
 CUIVRE AU BERYLIUM :Cuivre (Cu) + Bérylium (Be), Cu Be 2,
Ressorts, rondelles, connecteurs
Exemples d’alliages de cuivre :

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Les essais des matériaux :
Définitions préliminaires :
Malléabilité:
Homogénéité:
Contraintes (N/mm2 ou MPa):
Déformations:
Isotropie:
Élasticité:
Plasticité:
Ductilité:
il possède en tous points les mêmes propriétés chimiques et physiques.
pression élémentaire sur les sections
selon les charges appliquées (élastiques, élastoplastiques etc.)
même caractéristiques mécaniques dans toutes les directions.
mêmes forme et dimensions après sollicitations
forme et dimensions changent après sollicitations
capacité de se déformer plastiquement sans se rompre
Capacité d'un matériau à subir de grandes déformations plastiques
sous contrainte de compression.

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Essai de traction :
Éprouvettes de traction : Machine de traction :

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Courbe de traction :

30
Courbe de traction conventionnelle
Le diagramme de traction représente l’évolution de la charge
unitaire en fonction du taux d’allongement
0
F
R
S
 0
0
l l
e
l



31
• La courbe conventionnelle permet de définir des propriétés
mécaniques permettant de caractériser un matériau
• elle ne peut pas renseigner sur la loi de comportement
(relation entre la charge réelle et la déformation réelle) dans
les domaines élastique et plastique du matériau car elle ne teint
pas compte de la diminution de la section.
Courbe de traction conventionnelle

32
Courbe de traction rationnelle (ou vraie)
La courbe de traction rationnelle représente l’évolution de la
contrainte vraie en fonction de la déformation vraie. Elle se
déduit de la courbe conventionnelle.

33
La courbe de traction rationnelle tient compte de la variation
de la section au cours de l’essai. La contrainte vraie appliquée
est égale à la charge F rapportée à la section instantanée S
F
S
 
En admettant que le volume de la partie calibrée de
l’éprouvette reste constant (conservation de volume) on a:
 
0 0 0
S L SL S L L
   
0 0
0
1
1
S S
S
L e
L
 
 

 
 
0
1
1
F e
F
R e
S S


   

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Caractéristiques mécaniques :
Module d’élasticité longitudinale E (N/mm2);
E = 210 000 MPa pour les aciers
Loi de Hooke  = E e
Limite d’élasticité Re (MPa)
Limite à la rupture Rr (MPa)
Phénomène d’écrouissage (Branchement et coincement
des dislocations)

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Essai de résilience :
La résilience, de symbole K, caractérise la capacité d’un matériau à absorber les chocs sans
se rompre ; ce risque est amplifié aux basses températures.
L’essai est comparatif entre deux matériaux, mesure l’énergie qu’il faut fournir à un pendule
pesant pour briser une éprouvette entaillée du matériau à tester
Éprouvettes de l’essai Charpy : Machine d’essai de résilience :

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Principe d’essai de résilience :

37
Essai de dureté :
La dureté, de symbole général H, caractérise la capacité d’un matériau à résister au marquage
(empreintes, rayures, …), à l’usure et à l’érosion.
Elle peut être évaluée en mesurant une empreinte laissée en surface par un poinçon agissant sous l’action
d’une force connue (essais Brinell, Vickers et Rockwell) mais aussi par une hauteur de rebondissement
d’un objet très dur sur la surface à tester (essai Shore pour les élastomères et plastiques).

38
Calcul de la dureté :

39
Diagramme des phases
Définitions utiles
Une phase : un domaine du matériau dont les propriétés physiques et chimiques sont
uniformes. Cette région ou cet ensemble de régions sont caractérisés par une structure et par
un arrangement atomique identique
Un composant : un corps pur. Il peut être simple (exemples : Ti, Ag, Cu...) ou être un
composé chimique (H2O, Al2O3, SiO2...)
Les alliages métalliques : sont des systèmes mono ou polyphasés ayant des propriétés
générales similaires à celles des métaux purs. Ils comprennent des éléments métalliques ou
non métalliques
Solutions solides
Une solution solide est constituée par un mélange homogène de deux éléments différents.
L’élément de base A, appelé solvant, forme un réseau de structure α. L’élément B,
appelé soluté, passe dans le réseau. Il y occupe les sites interstitiels ou substitutionnels (voir
figure).

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En substitution : l'atome étranger remplace un des atomes du cristal.
En insertion : l'atome étranger se glisse dans les espaces vides, les positions interstitielles,
des atomes du cristal

41
Diagrammes d’équilibre binaires
Pour un système binaire, un diagramme d’équilibre permet de représenter les domaines de stabilité
des phases et les conditions d’équilibre entre plusieurs phases en fonction de deux variables, la
température et la composition C.
Solidification
Lorsqu’un métal pur en fusion est refroidi, sous pression constante, le changement de
phase s’effectue toujours à une température fixe : la température de solidification (ou de
fusion). La courbe de refroidissement d’un métal pur, (voir figure), présente un palier. Ce palier
correspond à la période de coexistence du métal liquide et des cristaux solides déjà formés.
Ce palier isotherme est d’autant plus marqué que le refroidissement est lent et que la masse
d’alliage est plus grande

42

43
Construction d’un diagramme d’équilibre
Un diagramme d’équilibre de phases est un diagramme qui décrire les constitutions
d’un mélange de corps purs à l’équilibre, en fonction de sa composition globale et de sa
température. Le diagramme d’équilibre de phases d’un mélange binaire A-B comporte en
ordonnées un axe de température et en abscisse un axe de composition graduée en B (%).
Le diagramme est divisé en domaines correspondant à la présence d’une seule phase
(domaine monophasé) ou de deux phases coexistantes (domaine biphasé), selon les
coordonnées du point constitutif du mélange.

44

45
Diagrammes de phases à miscibilité totale à l’état solide
La solidification des alliages dépend en général de la température. Entre le liquidus et
le solidus, l’alliage est dans un état biphasé (liquide + solide). Il y a une solution solide unique
lorsque les éléments d’alliage A et B sont miscibles en toutes proportions à l’état solide, donc
les deux métaux forment une seule phase sur toute l’étendue du diagramme
On parle alors de miscibilité totale à l’état solide. La figure 4 représente le diagramme
d’équilibre de deux composants A et B qui sont miscible en toute proportion à l’état solide

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Etude d’un exemple
Soit un alliage de composition nominale C0 porté à une température θ. Si on prend un
point représentatif (C0, θ) dans le domaine monophasé, l’alliage contient alors une seule
phase liquide de proportion égale à 100%.
on prend un point représentatif (C0, θ) dans le domaine biphasé, figure 5, l’alliage contient deux
phases liquide et solide de composition CL et CS dont les proportions respectivement fS et fL
sont déterminées par la règle des bras de leviers. En effet, la conservation de la masse permet
d’écrire les deux relations suivantes

47

48

49
Diagramme à miscibilité partielle à l’état solide
Dans la majorité des alliages binaires, il n’existe pas de miscibilité des constituants en
toutes proportions à l’état solide. Le cas le plus fréquent, ils existent deux solutions solide
α : Solution solide primaire de B dans A (riche en A)
β : Solution solide primaire de A dans B (riche en B)
Les deux fuseaux de solidifications se raccordent dans la région centrale du diagramme
en faisant apparaître un point d’équilibre E invariant entre une phase liquide commune et
deux phases appartenant respectivement aux deux solutions solides. Suivant la position de la
température caractéristique du point triple remarquable, par rapport aux températures de
fusion des constituants purs.

50

51
Transformation eutectique

52
Le diagramme à point eutectique est caractérisé par la présence d’une zone de
démixtion (séparation spontanée d'un mélange (ou alliage) homogène de particules en
plusieurs phases non miscibles de compositions différentes) et de deux fuseaux de
solidification se raccordant en un point eutectique E.
La courbe AB représente la limite de solubilité de l’étain dans le plomb et la courbe CD
celle du plomb dans l’étain.
Ces deux courbes constituent les lignes de Solvus. La solubilité d’un élément dans l’autre
varie avec la température. Ainsi la solubilité de l’étain dans le plomb passe de 18% à 183°C à
2% à la température ambiante. Le domaine de composition et de température délimité par la
température de fusion du plomb (327°C), les points A, B et O caractérise la phase solide
primaire α riche en plomb et l’alliage ainsi formé est monophasé

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Etude de l’exemple Pb-Sn
D’une façon analogue, on retrouve sur le diagramme d’équilibre un domaine monophasé : phase
primaire β, riche en étain. Le point E est un point invariant, il caractérise le point eutectique à la
température eutectique TE=183°C et le segment AC représente le palier eutectique. A ce point,
trois phases sont en équilibre
1. Une phase liquide de composition CL = CE = 62% Sn
2. Une phase solide α de composition Cα=18% Sn
3. Une phase solide β de composition Cβ=97.5% Sn
La réaction eutectique s’écrit :

54
Lors de la solidification d’un alliage de composition eutectique (Figure 8), celui-ci se
comporte comme un composant pur. En effet, sa solidification se produit à température
constante (183°C) comme celle d’un corps pur donnant lieu simultanément à deux phases
solides distinctes.

55
La règle des segments inverses permet de calculer la proportion de chaque phase. Leur
mise en œuvre est similaire à celle illustrée dans le cas de la miscibilité totale.

56
L’alliage ainsi formé est un mélange de deux phases (α en noir et β en blanc) comme montré
sur la micrographie.
pour un alliage à 30% Sn et 70% Pb. La composition C0 de cet alliage étant inférieure à celle
du point eutectique, il s’agit d’un alliage hypo-eutectique. D’après le diagramme
d’équilibre, la solidification de cet alliage débute à 262°C.

57
 Pour θ>262°C, l’alliage est constitué d’une seule phase liquide de composition
CL= C0= 30%Sn fL=100%
 Pour θ=262°C, il y a formation d’une première phase solide primaire α ou appelée
aussi pro-eutectique à 10%Sn.
 Les premiers germes solides évoluent progressivement avec la température formant
des dendrites de la phase α

58
Exercices de synthèses:
Exercice N°1 : diagramme binaire Al-Cu

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1. Quel est le type de ce diagramme.
2. Indiquer le liquidus et le solidus.
3. Indiquer pour chaque région, le nombre de phase et la variance.
4. Indiquer le nom, la température ainsi que la réaction de la
transformation au niveau de 33,2% Cu.
5. Quels sont les phases et les constituants présents à 500°C dans un
alliage contenant 15% de Cu ? Pour chacun(e) d’entre eux (elles),
donnez leur composition et leur proportion.
6. Quels sont les phases et les constituants présents à 500°C dans un
alliage contenant 15% Cu ? Pour chacun(e) d’entre eux (elles), donnez
leur composition et leur proportion.

61
diagramme fer-carbone
Variétés allotropique et magnétique du fer
Le Fer existe sous deux variétés allotropiques différentes, c'est-à-dire avec deux formes cristallines : CC et CFC.
À des basses températures et jusqu’à 912°C (A3), ses atomes sont disposés suivant un réseau cubique centré (CC)
On l’appelle alors Fer α. Le ferα ne dissout pratiquement pas le carbone : 0.02%C au maximum à 723°C, moins de
0.01%C à 300°C.
À des températures supérieures à 912 °C et jusqu’à 1394°C (A4) le réseau cristallin est du type cubiques à faces
centrées (CFC) : on l’appelle Fer γ. Le fer γ dissout facilement le carbone : 0.8%C à 723°C, 2.14%C à1147°C.
Au-dessus de 1394°C et jusqu’au point de fusion à 1538°C, le fer retrouve la structure cubique centrée du Fer α
:On l’appelle alors Ferδ. Il dissout un peu mieux le carbone que le Fer α (0.07%C au maximum à 1493°C)

62

63
les différentes phases du système Fer-Carbone
La ferrite α
Solution solide d’insertion de carbone dans le Fer α, à structure cubique centrée. Elle est relativement tendre
(HB≈80), peu tenace (R≈300 MPa), mais très ductile (A≈35%).
La ferrite δ
Solution d’insertion de quelques atomes de carbone dans le fer δ. Sa structure est cubique centré CC. Il se forme
à la marge 1394-1538 °C et renferme 0.11% de carbone.
L’austénite γ
Solution solide d’insertion d’atome de carbone dans le Fer γ, à structure cubique à face centrée, la quantité de
carbone atteint ≈2%C à 1145°C. Il est stable qu’à haute température. L’austénite est très ductile
La cémentite (Carbone de fer Fe3C)
Sa décomposition égale à 6,67% en masse de carbone, en état métastable. La cémentite se présente sous forme
de lamelles ou de globules dans la perlite ou d’aiguilles dans les fontes blanche. Elle est très dure et très fragile.
La perlite
Agrégat eutectoïde ayant une structure de lamelles alternées de ferrite et de cémentite. Ce constituant
contient 0.8%C, La perlite est dure (HB≈200), résistante (Rm≈850 MPa) et assez ductile (A%≈10).

64

65

66
Acm : indique la fin de la dissolution après dissociation, de la cémentite dans l’austénite lorsque celle-
ci existe.
A0 : (210°C) précise la température de la transformation magnétique de la cémentite.
A1 : précise la fin de la transformation au refroidissement de l’austénite. L’austénite n’existe plus au-
dessous de cette ligne.
A2 : (point de Curie ≈ 768°C) précise la température de la perte de magnétisme du Fer α. en générale
ce point ne figure pas sur le diagramme Fer-C.
A3 : précise la fin de la transformation au chauffage de la ferrite en austénite .La ferrite n’existe plus
au-dessus de cette ligne.
A4 : précise la fin de la transformation au chauffage de l’austénite en ferrite δ et/ou liquide.
L’austénite n’existe plus au-dessus de cette ligne.
On peut trouver Ac3, Ac4… pour indiquer que le point est tracé en chauffage, ou Ar3, Ar4 lorsqu’il
s’agit de refroidissement.

68
Le diagramme Fer-carbone contient trois réactions isothermes caractérisées par des paliers :
 Eutectique à 1147°C : il marque la température minimale d’existence du liquide.
Eutectoïde à 723°C (A1). Il marque la fin de la transformation au chauffage de la perlite en
austénite. Au-dessus de 723°C, la perlite n’existe plus
Péritectique à 1487°C, mais d’importance négligeable de point de vue industrielle.

69
Réaction eutectoϊde: Un premier point remarquable doit être noté,
correspondant à la teneur de 0.8%C à 723°C, ce point est dit eutectoϊde ; les
aciers qui contiennent moins de 0.8%C sont dits hypoeutectoïdes et ceux qui
sont plus carburés hypereutectoïdes

70
Réaction eutectique: Un deuxième point remarquable doit être noté
correspondant à la teneur de 4.3% de carbone à 1147°C, ce point est dit
eutectique. A la température eutectique il existe trois phases en équilibre.
Le liquide se solidifie, pour former les phases d’austénite et de cémentite on
l’appelle lédéburite.
Réaction péritectique: Un troisième point remarquable correspondant à la
teneur de 0.51% de carbone à 1487°C, ce point est dit péritectique.

71
Influence des éléments d'alliages:
La mise en solution solide d'éléments d'alliage dans le fer modifie la position des points A3 et
A4. Ces éléments sont classés selon leurs influences sur la position de ces points
 On appelle α-gènes tout élément qui stabilise la phase CC, il élève la température du point A3
et abaisse celle du point A4.
 On appelle γ-gènes tout élément qui stabilise la phase CFC, il abaisse la température du point
A3 et élève celle du point A4.

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Étude du refroidissement du diagramme métastable Fe3-C
Acier hypœutectoïde à 0.4%C

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Cas de l’acier hypœutectoïde à 0.4%C
À T1 apparition des premiers cristaux de la ferrite α proeutectoïde.
À T = 727 + ε, les fractions massiques des différentes phases présentes sont :
À T = 727 : température de transformation eutectoïde, L’austénite γ subit la
transformation eutectoïde pour donner naissance à la perlite. La structure finale
typique des aciers hypoeutectoïdes à la température ambiante est : Ferrite
(proeutectoïde) + perlite

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Acier hypereutectoïdes 1. 2%C:
La description du refroidissement des aciers hypereutectoïdes est semblable à
ceux des aciers hypoeutectoïdes sauf que cette fois ci la phase proeutectoïde
est la cémentite. La structure finale typique des aciers hypereutectoïdes à la
température ambiante est : Cémentite (proeutectoide) + perlite.

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Acier eutectoïde à 0.77%C:
La spécificité de cet acier c’est qu’il ne possède pas de phase proeutectoïde
donc sa structure à la température ambiante est 100% de perlite

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Transformation dans les fontes:
Les fontes contiennent plus de 2 %C et toutes terminent leur solidification au palier eutectique à
1148 ou 1153°C : leur aptitude au moulage et leur nom de « fontes » proviennent de cette basse
température de solidus. Ce sont des matériaux de bon marché mais dans l’ensemble plus fragiles
que les aciers.

80
À T1 : début de solidification, il y a formation de cristaux d’austénite, en général sous
forme dendritique. La température étant relativement élevée, l’homogénéisation par
diffusion des phases liquides et solide est rapide.
À T = 1148°C + ε : l’alliage est biphasé et constitué de dendrites d’austénite à environ
2% de C et de liquide à 4,3% C.
La fraction de l’austénite = (4,3 – 3) / (4,3 – 2,1) = 0,59
À 1148°C : température eutectique: Le liquide se transforme en un agrégat eutectique
(lédéburite) formé d’ilots d’austénite à 2% C dans une matrice de cémentite. Les
dendrites d’austénite proeutectique ne subissent aucune transformation.
En dessous de 1148°C jusqu’à 727°C : Il y a appauvrissement en C (de à 0,8 %) de la
phase austénite avec formation de cémentite proeutectoïde (ou secondaire). À T =
727°C + ε : la fraction massique de l’austénite est de l’ordre de 0,37. À T = 727°C :
l’austénite va se transformer en perlite.
À l’ambiante : une fonte blanche hypoeutectique est donc constituée par une matrice
de cémentite (eutectique + proeutectoïde) et de blocs de perlite.

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Fonte hypoeutectique à 5%C
Les transformations sont celles décrites pour les fontes hypoeutectiques. Sauf que cette fois ci la
phase proeutectique est la cémentite (cémentite primaire).

82

83
Considérez le diagramme d’équilibre « fer – carbone » (Fe-FeC) donné en cours.
Pour un acier à 0.6% de carbone, répondre aux questions 1 et 2 ci-dessous.
1. À quelle(s) température(s) le fer pur solide subit-il une transformation allotropique
au chauffage ? Précisez le changement de phase qui se produit au cours de la
transformation allotropique.
2. Lequel des schémas présentés ci-dessous représentent la microstructure de cet
alliage aux températures suivantes : 1460 °C, 1400 0C, 724 0C et 20 0C
Applications

84
Considérez maintenant un acier de composition eutectoïde.
3. Identifier les phases en présence et leur proportion à la température ambiante (20°C)?
4. Quelles sont les températures de début et de fin de solidification de cet acier ?
5. Lequel des schémas (Fig. 1) représentent la microstructure de cet acier à 1420 °C

85
Application 2
L’observation micrographique d’une pièce en acier non allié permet d’évaluer une
présence d’environ 20% de ferrite et 80% de perlite dans la structure.
1. Quelle est la composition chimique exacte de cet acier en vous référent aux
nuances d’aciers normalisés selon norme européenne.
2. Calculer la proportion exacte de chaque phase présente dans l’acier et donner leur
composition chimique.
3. L’acier non allié à 0,45% de carbone est refroidi depuis l’état liquide à l’aide
d’une vitesse lente. Décrire les transformations qu’il aurait subies depuis l’état
liquide jusqu’à l’ambiante
Données : Désignation des aciers non alliés, C22, C25, C30, C40, C50, C60,
C70.

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87
Le diagramme suivant représente le diagramme d’équilibre binaire Fer-Carbone.
Application 3

88
1. Quel est le type de ce diagramme (stable ou métastable)
2. Indexer le diagramme en précisant le nombre de phase de chaque domaine.
3. Donner les coordonnées des points particuliers dans ce diagramme, en
précisant pour chacun le type de la transformation et l’équation d’équilibre.
4. 4. Soit l’alliage à 1,5% de carbone.
• Calculer la proportion de chaque phase présente dans cet alliage.
• Donner le nom de cet alliage

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CONCLUSION
A VOUS DE CONCLURE !!

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