Métallurgie : Les aciers et le diagramme Fe-Fe3C

Fiches de révision sous forme de vocabulaire métallurgique couvrant la fabrication des aciers, leurs structures cristallines, leurs phases et le diagramme d'équilibre Fe-Fe3C.

Acier (selon NF EN 10020)

Matériau dont le fer est l'élément prédominant, avec une teneur en carbone généralement inférieure à $2\%$ (seuil le séparant de la fonte). Il est ductile et prend la trempe.

Fonte

Alliage Fer-Carbone à forte teneur en carbone (supérieure à $2\%$ ou $2{,}14\%$), non ductile et se prêtant particulièrement bien au moulage à l'état liquide.

Écrouissage

Durcissement d'un acier réalisé par travail mécanique à froid, utilisé comme méthode alternative à la trempe.

Affinage

Procédé chimique et thermique permettant d'obtenir du fer à partir de la fonte par combustion du carbone.

Coke

Charbon purifié débarrassé de ses impuretés, servant de combustible et d'agent réducteur dans le haut fourneau.

Filière fonte

Voie de fabrication de l'acier associant le haut fourneau (production de fonte liquide à partir de minerai, coke et éléments d'alliage) et le convertisseur à oxygène.

Filière ferrailles

Voie de fabrication de l'acier utilisant un four électrique pour recycler l'acier à l'infini, plus économe en énergie et en $\text{CO}_2$ que la filière fonte.

Désignation des aciers non alliés

Nomenclature formée par la lettre « C » suivie du pourcentage de carbone multiplié par $100$ (ex. C30 désigne un acier à $0{,}30\%$ de carbone).

Polymorphisme cristallin du fer

Propriété métallurgique majeure du fer selon laquelle sa structure cristalline se modifie en fonction de la température.

Fer $\alpha$ et Fer $\delta$

Formes cristallines du fer pur possédant une structure métallo-cristalline cubique centrée (CC).

Fer $\gamma$

Forme cristalline du fer pur possédant une structure métallo-cristalline cubique à faces centrées (CFC).

Point de Curie ($A_2$)

Température marquant la transition du fer pur de l'état ferromagnétique à l'état paramagnétique lors du chauffage.

Solution solide d'insertion

Structure dans laquelle les atomes de carbone se glissent dans les sites interstitiels entre les atomes de fer sans se substituer à eux.

Phase

État structural homogène d'un matériau caractérisé par un arrangement atomique et une composition chimique donnés, distinct des autres états présents.

Ferrite ($\alpha$)

Solution solide interstitielle de carbone dans le fer $\alpha$ (structure CC). Phase stable en dessous de $914\,^\circ\text{C}$, très pauvre en carbone dissous.

Austénite ($\gamma$)

Solution solide interstitielle de carbone dans le fer $\gamma$ (structure CFC). Phase stable du fer pur entre $914\,^\circ\text{C}$ et $1394\,^\circ\text{C}$, dissolvant une quantité importante de carbone.

Cémentite ($\text{Fe}_3\text{C}$)

Composé défini (carbure de fer) très dur et fragile, contenant exactement $6{,}7\%$ de carbone en masse.

Métastabilité de la cémentite

Propriété thermodynamique selon laquelle la cémentite tend à se décomposer en fer et graphite ($\text{Fe}_3\text{C} \rightarrow 3\text{Fe} + \text{C}$), mais avec une cinétique extrêmement lente à température ambiante rendant le composé virtuellement stable.

Réaction eutectique (diagramme $\text{Fe-Fe}_3\text{C}$)

Transformation de phase se produisant à $1147\,^\circ\text{C}$ lors du refroidissement, où le liquide se transforme simultanément en austénite et en cémentite.

Lédéburite

Mélange biphasé solide constitué d'austénite et de cémentite, issu de la réaction eutectique à $1147\,^\circ\text{C}$.

Réaction eutectoïde (diagramme $\text{Fe-Fe}_3\text{C}$)

Transformation à l'état solide se produisant à $727\,^\circ\text{C}$, où l'austénite se transforme simultanément en ferrite et en cémentite.

Perlite

Constituant formé d'un agrégat intime de deux phases (ferrite $\alpha$ et cémentite $\text{Fe}_3\text{C}$) nées lors de la transformation eutectoïde à $727\,^\circ\text{C}$.

Perlite globulaire

Évolution structurale de la perlite où la cémentite forme des sphéroïdes (globules) au sein d'une matrice ferritique, représentant une forme plus stable que la perlite lamellaire.

Transformation péritectique

Transformation au cours de laquelle deux phases se combinent pour en former une troisième, apparaissant dans certains aciers aux alentours de $1493\,^\circ\text{C}$.

Acier hypoeutectoïde

Acier possédant une teneur en carbone inférieure à la composition eutectoïde de $0{,}76\%$ de carbone.

Acier eutectoïde

Acier possédant une teneur en carbone égale exactement à la composition eutectoïde de $0{,}76\%$ de carbone.

Acier hypereutectoïde

Acier possédant une teneur en carbone supérieure à la composition eutectoïde de $0{,}76\%$ de carbone.

Ferrite pro-eutectoïde

Ferrite formée aux joints de grains dans le domaine $\alpha + \gamma$ avant d'atteindre le palier eutectoïde à $727\,^\circ\text{C}$ lors du refroidissement d'un acier hypoeutectoïde.

Règle des segments inverses

Méthode graphique appliquée sur une isotherme d'un diagramme de phases pour déterminer la proportion relative de deux phases en équilibre.