Solutions solides primaires du fer








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ACIERS ET FONTES

  1. Introduction


Le fer et les alliages ferreux gardent leur importance dans l’industrie moderne.

  • Ils se prêtent à une production massive

  • Ils permettent l’acquisition des propriétés très variées par

    • Des traitements thermiques et chimiques

    • Addition d’éléments divers => adaptation aux exigences industrielles

  • Ces matériaux sont essentiellement des alliages du fer et du carbone.



  1. Le fer et ses propriétés

  1. Structures cristalline du fer


Le fer présente une polymorphie cristalline qui se met en évidence par analyse thermique

  • 912°C :

  • 1394°C :

T=912°C, 1394°C sont des températures de transformation de phases allotropiques
  1. Propriétés général du Fe


Le fer a deux états principaux cristallins : le MONOCRISTALLIN et le POLYCRISTALLIN
  1. état monocristallin

  1. Propriété mécaniques


Il existe une anisotropie de la valeur du module d’Young qui va dépendre des plans cristallographiques (h, k, l)

Dans le cas de on a :







  1. Propriété physiques et chimiques


On observe aussi dans ce cas une forte anisotropie de ses propriétés

  • Du point de vue physique, sa susceptibilité magnétique est élevée

  • Du point de vue chimique, on notera une très forte tendance à la corrosion.



  1. état poly cristallin

  1. Propriétés générales


  • Les propriétés dépendent de l’origine des matériaux

  • Le Fe industriel est utilisé avec une certaine quantité d’impuretés

  • Masse molaire :

  • Paramètre de maille :

    • à 20°C

    • à 916°C

  • Masse volumique :

  • Capacité thermique :





  • Conduction thermique :

  • Coefficient de dilatation :




  1. Propriétés mécaniques


Dépendent des impuretés en présence qui influencent la microstructure (granulométrie, …)





  • Dureté :


  1. Propriétés électrochimiques


Sont liées à la valeur du potentiel standard



Fer est attaquable par des solutions ACIDES

Fer est passivable par les anions oxydants
  1. Solutions solides primaires du fer


Symbole (Fe,X) avec X élément non ferreux intervenant dans la matrice du fer. Nous verrons deux catégories de solutions primaires 
  1. les ferrites


Elles sont soit des solutions d’insertion où X est l’agent d’insertion, soit de substitution où X est l’agent de substitution

Il existe 2 types de ferrites selon la structure du fer




  1. les austénites


Elles sont aussi des solutions d’insertion ou de substitution. Elles sont obtenues à partir du uniquement
  1. Etude de l’alliage (Fe-C)


Ils sont obtenus à partir du fer utilisé comme matrice (solvant) et du carbone comme soluté

Il s’agit d’une solution binaire qui peut avoir plusieurs phases (structures)
  1. Les phases du (Fe-C)

  1. Les ferrites


Les solutions solides d’insertion de C dans ont un taux de solubilité maximal de 0.1% en masse à 1487°C
  1. Les ferrites


L’insertion de C dans cette phase a un taux maximum de 0.02% en masse à 787°C
  1. Les austénites


L’insertion de C atteint un taux maximal qui correspond à celui du compoté cémentite (6.67%)
  1. Les diagrammes d’équilibre


L’existence d’une variété allotropique de (Fe-C), dépend des conditions de leur formation

Il y a possibilité d’existence du (Fe-C) très riche en C et du (Fe-C) pauvre en C

  • 2 types de diagrammes

    • Système (Fe-C) à cémentites : diagramme métastables

    • Système (Fe-C) à graphites : diagramme stables

Selon la cinétique de décomposition, on passe du système métastable du système stable
  1. Diagramme d’équilibre métastable








E




E’


  1. Diagramme d’équilibre stable


Même graphique que précédemment
Les points particuliers de ce diagramme ont les abscisses suivantes :




  1. Description des chronogrammes


Les deux chronogrammes sont caractérisés par des transformations spécifiques

  • Transformation eutectique :

  • Diagramme métastable :




  • Diagramme stable :




  • Transformation eutectoïde :

  • Diagramme métastable :



La décomposition de l’austénite se fait avec une augmentation de volume

  • Coefficient dilatation linéique >> coefficient dilatation ferrite




  • Diagramme stable :


  1. Classification des aciers et des fontes


  • La classification est commode pour les diagrammes d’équilibre (Fe-C) lorsque les vitesses de refroidissement sont suffisamment faibles

  • Les règles de phases conduisent à la détermination des équilibres en fonction de la température et de la concentration en C
  1. Les aciers


Ce sont des alliages (Fe-C) ayant :

    • Une teneur en carbone < 2% en masse

    • Sur les diagrammes la limite est donnée par le point S1

Dans ce cas les aciers n’ont pas de transformations eutectiques mais uniquement eutectoïde

Plusieurs types d’aciers sont répertoriés :

  • (diagramme métastable)

  • (diagramme stable)

  • Aciers hypoeutectoïdes

Remarque :

  • Aciers hypereutectoïdes ont 2 phases pour les températures inférieurs à TE’

  • Une phase de ferrite dite proeutectoïde

  • Une phase de perlite (ferrite () + cémentite) dans diagramme métastable

  • Une phase graphite dans diagramme stable




  • Aciers hypoeutectoïdes ont plusieurs phases pour des températures supérieures à TE’

  • Une phase de cémentite dite proeutectoïde

  • Une phase de perlite (ferrite () + cémentite) dans diagramme métastable

  • Une phase graphite dans diagramme stable
  1. les fontes


Il y a deux types de FONTES qui sont les fontes blanches et les fontes grises.

  1. les fontes blanches


Ce sont des fontes à cémentite obtenues à partir du diagramme METASTABLE de composition située dans la région



  • Elles subissent des TRANSFORMATIONS EUTECTIQUES




  1. Pour les concentrations on a les FONTES HYPOEUTECTIQUES constituée de 2 phases :

    • 1 phase austénite PROEUTECTIQUES

    • 1 phase de LEDEBURITE qui est un mélange d’austénite et de cémentite

  1. Pour les concentrations on a les FONTES HYPEREUTECTIQUES constituée de 2 phases

    • 1 phase de cémentite PROEUTECTIQUES

    • 1 phase de LEDEBURITE (austénite + cémentite)

  1. Pour on a les FONTES EUTECTIQUES essentiellement constituée de ledeburite (austénite + cémentite)



  1. les fontes grises


Elles ont pour référence le diagramme stable (à graphite)



Ce sont des (Fe-C) très riche en carbone

  • Leurs propriétés physiques, chimiques et MECANIQUES sont affectés par cette quantité de carbone.
  1. Elaboration industrielle

  1. Principes généraux


L’élaboration industrielle a pour base la SIDERURGIE qui est le processus d’obtention des Aciers et des fontes de façon industrielle
  1. obtention des fontes


  • Par réduction des minerais dans un fourneau

  • Par introduction des impuretés actives dans le minerai (Mn, Si, P) qui réagissent par échange avec des éléments du minerai pour produire le COKE (minerai de charbon)
  1. obtention des aciers


  • A partir des fontes par conversion à l’oxygène

  • A partir de la ferraille traitée dans des fours spéciaux


La technologie sidérurgique est en évolution permanente
  1. Principe des haut-fourneau

  1. matières premières

  1. Les minerais


Le Fer n’existe pas dans la nature à l’état pur. Il est combiné à beaucoup d’autres éléments dans son état brut.

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