Fer, fontes et aciers (partie 2/2)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : à la fin de ce chapitre l’élève sera capable de - expliquer les transformations allotropiques du fer pur et leurs températures caractéristiques ; - décrire les principes et les paramètres des traitements thermiques de base (recuit, normalisation, trempe, revenu) et leur influence sur la microstructure et les propriétés mécaniques ; - interpréter le diagramme d’équilibre fer‑carbone (méta‑stable) pour prédire les phases présentes à température ambiante selon la teneur en carbone ; - choisir et justifier un traitement de surface (cémentation, nitration, chromage, thermolaquage) adapté à une pièce mécanique donnée ; - réaliser en toute sécurité un traitement thermique simple en atelier et contrôler le résultat par mesure de dureté. **Prérequis** : notions de cristallographie (structures BCC et FCC), connaissances de base sur les alliages Fe‑C (ferrite, austénite, cementite), notions de sécurité en métallurgie (port des EPI, ventilation, manipulation des hautes températures). --- ## Introduction contextualisée Au Cameroun, la métallurgie du fer et de l’acier soutient les secteurs de la construction (armatures, poutres), de l’exploitation minière (godets, pièces d’usure) et de l’agro‑industrie (équipements de transformation). La maîtrise des transformations allotropiques et des traitements thermiques permet d’adapter les propriétés des aciers aux contraintes mécaniques (résistance à la traction, ténacité, résistance à l’usure) rencontrées sur les chantiers de Yaoundé, Douala ou dans les sites miniers de l’Est. Les traitements de surface, quant à eux, prolongent la durée de vie des composants soumis à l’abrasion ou à la corrosion, réduisant ainsi les coûts de maintenance. Ce chapitre fournit les bases théoriques et pratiques indispensables pour réussir l’épreuve pratique du Baccalauréat technique série F6. --- ## I. Leçon 4 : Transformations allotropiques et traitements thermiques ### A. Transformations allotropiques du fer pur Le fer pur présente trois formes cristallines stables en fonction de la température : | Plage de température | Phase | Réseau cristallin | |----------------------|-------|-------------------| | < 912 °C | α‑fer (ferrite) | BCC | | 912 °C – 1394 °C | γ‑fer (austénite) | FCC | | > 1394 °C | δ‑fer | BCC (jusqu’à la fusion) | Les températures de transformation caractéristiques sont : > **A₁ = 727 °C** (eutectoïde α ↔ γ + Fe₃C) > **A₃ = 912 °C** (α ↔ γ) > **A₄ = 1394 °C** (γ ↔ δ) > **Acm** : ligne de solubilité du carbone dans l’austénite (γ‑fer) ; ≈0,8 % C à 727 °C, ≈1,3 % C à 1130 °C > « À 727 °C, la solubilité maximale du carbone dans le fer α est de 0,02 % en masse. » ### B. Rappel du diagramme Fe‑C (simplifié) Le diagramme montre les limites de solubilité du carbone dans α‑fer (≈0,02 % C à 727 °C) et dans γ‑fer (≈0,8 % C à 727 °C, eutectoïde). Au‑delà de 0,8 % C, la cementite (Fe₃C) apparaît. ### C. Traitements thermiques fondamentaux | Traitement | Température de chauffe | Refroidissement | Microstructure obtenue | Propriétés typiques | |------------|------------------------|-----------------|------------------------|---------------------| | Recuit complet | > A₃ (≈950 °C) | Lent dans le four | Perlite + ferrite (grosse) | Dureté faible, bonne ductilité | | Normalisation | > A₃ (≈920 °C) | Air ambiant | Perlite fine + ferrite | Dureté moyenne, bonne ténacité | | Trempe | > A₃ (ou > Acm pour hypereutectoïde) | Eau, huile ou polymère | Martensite (metastable) | Dureté élevée, fragilité | | Revenus | 150 °C – 650 °C (inférieur à A₁) | Air | Martensite relâchée | Diminution de la fragilité, amélioration de la ténacité | > « La trempe produit de la martensite, phase métastable dure et fragile ; le revenu à 200 °C diminue la fragilité tout en conservant une dureté élevée. » ### D. Influence du carbone sur les transformations - Dans α‑fer : solubilité très faible (≈0,02 % C à 727 °C). - Dans γ‑fer : solubilité jusqu’à 0,8 % C (eutectoïde) ; au‑delà, precipitation de cementite. ### E. Exemple chiffré : fraction de pearlite après normalisation d’un acier hypoeutectoïde à 0,40 % C On utilise la règle du levier entre la ferrite (Cα≈0,02 %) et la pearlite eutectoïde (Cpearl≈0,80 %) : \[ f_{\text{pearlite}} = \frac{C_0 - C_\alpha}{C_{\text{pearl}} - C_\alpha} = \frac{0,40 - 0,02}{0,80 - 0,02} = \frac{0,38}{0,78} \approx 0,487 \;(48,7\%) \] Ainsi, après normalisation, l’acier contient environ **49 % de pearlite** et **51 % de ferrite**. ### F. Sécurité et hygiène lors des traitements thermiques - Porter des gants résistants à la chaleur (cuir ou aluminisé) et des lunettes de protection contre les rayonnements infrarouges. - Utiliser un four avec extraction des fumées (oxydes de fer, éventuels composés de carbone) afin d’éviter l’inhalation de particules. - Vérifier l’absence de matériaux inflammables dans la zone de chauffe. - Après trempe, manipuler la pièce avec des pinces isolées pour éviter les brûlures dues au choc thermique. --- ## II. INTEGRATION ACTIVITIES ### Activité pratique : Traitement thermique d’un échantillon d’acier doux (C≈0,20 %) | Étape | Action | Paramètres | Contrôle | |-------|--------|------------|----------| | 1. Préparation | Découper un cylindre de 10 mm × 20 mm, meuler les faces | – | Vérifier l’absence de défauts de surface | | 2. Chauffe | Placer l’échantillon dans un four à résistance | 900 °C (au‑dessus de A₃) | Maintenir 30 min | | 3. Refroidissement (normalisation) | Sortir l’échantillon et le laisser refroidir à l’air ambiant | – | Mesurer la température de surface avec un pyromètre optique | | 4. Mesure de dureté | Utiliser un durimètre Rockwell B (échelle B) | – | Enregistrer HRB ≈ 70‑80 (valeur typique pour perlite fine) | | 5. Observation métallographique (optionnel) | Préparer une coupe, attaquer avec nital 2 % | – | Vérifier la présence de perlite et de ferrite | > « Le respect du temps de maintien à 900 °C garantit une homogénéisation de l’austénite avant le refroidissement à l’air, condition essentielle pour obtenir une perlite fine. » **Consignes de sécurité** : porter des gants anti‑chaleur, un masque anti‑poussière lors du meulage, et s’assurer que la zone de refroidissement est dégagée de tout matériau combustible. --- ## III. Leçon 5 : Diagrammes fer‑carbone et traitements de surface ### A. Diagramme Fe‑C équilibré (méta‑stable) Le diagramme présente les courbes suivantes : - **Liquidus** et **solidus** (limites du domaine liquide + solide). - **Solvus** de la ferrite et de l’austénite (limites de solubilité du C). - **Ligne A₁** (eutectoïde à 0,76 % C, 727 °C). - **Ligne A₃** (α ↔ γ à 912 °C). - **Ligne Acm** : limite de solubilité du carbone dans l’austénite (γ‑fer) ; ≈0,8 % C à 727 °C, ≈1,3 % C à 1130 °C. - **Point eutectique** (liquide ↔ austénite + cementite à 4,3 % C, 1147 °C). > « Le point eutectoïde se situe à 0,76 % C et 727 °C ; le point eutectique à 4,3 % C et 1147 °C. » ### B. Interprétation selon la teneur en carbone - **Acier hypoeutectoïde (< 0,76 % C)** : à température ambiante, microstructure ferrite + pearlite. Plus la teneur en C diminue, plus la proportion de ferrite augmente. - **Acier eutectoïde (≈ 0,76 % C)** : pearlite quasi‑totale. - **Acier hypereutectoïde (> 0,76 % C)** : pearlite + cementite en réseau continu autour des grains de ferrite (ou pearlite + cementite lamellaire). ### C. Traitements de surface | Traitement | Principe | Température / milieu | Épaisseur typique de la couche | Application typique | |------------|----------|----------------------|--------------------------------|---------------------| | Cémentation (carburage) | Diffusion de C dans l’acier | 850 °C – 950 °C, atmosphère riche en CO/CO₂ ou bain liquide (carburant) | 0,5 mm – 2 mm (après trempe) | Engrenages, arbres de transmission soumis à l’usure | | Nitration | Diffusion d’azote (NH₃) | 500 °C – 550 °C, gaz ammoniac | 0,1 mm – 0,5 mm | Axe de piston, outils de coupe nécessitant résistance à la fatigue | | Chromage | Dépôt de Cr par électrolyse ou PVD | Température ambiante (électrolyse) ou 200 °C – 400 °C (PVD) | 5 µm – 50 µm | Tiges de vérin, surfaces exposées à la corrosion | | Thermolaquage (peinture poudre) | Application de poudre polymère, fusion par chauffage | 180 °C – 200 °C (four de polymérisation) | 60 µm – 120 µm | Structures extérieures, réservoirs, équipements agricoles | > « La cémentation suivie d’une trempe produit une couche superficielle martensitique dure (HV 800‑900) tout en conservant un noyau ductile. » ### D. Exemple chiffré : épaisseur de la couche cémentée On estime la profondeur de pénétration par la relation approximative \(x \approx 2\sqrt{Dt}\) où \(D\) est le coefficient de diffusion du carbone dans l’austénite à 900 °C (≈ 1,2 × 10⁻¹¹ m² s⁻¹) et \(t\) le temps de traitement. Pour \(t = 5\) h = 18 000 s : \[ \sqrt{Dt}= \sqrt{1,2\times10^{-11}\times 1,8\times10^{4}} = \sqrt{2,16\times10^{-7}} \approx 4,65\times10^{-4}\text{ m}=0,465\text{ mm} \] \[ x \approx 2 \times 0,465\text{ mm}=0,93\text{ mm} \] **Résultat** : après 5 h à 900 °C, la couche cémentée atteint environ **0,9 mm** d’épaisseur. ### E. Normes et sécurité lors des traitements de surface - **Cémentation** : porter un masque à filtration des gaz CO/CO₂, des gants résistants aux hydrocarbures, assurer une ventilation efficace du four afin d’éviter l’accumulation de gaz toxiques. - **Nitration** : utiliser des lunettes de protection contre les éclats d’ammoniac, vérifier l’étanchéité du four, contrôler la concentration d’NH₃ avec un détecteur. - **Chromage** : porter des gants résistants aux acides (sulfure de chromate), des lunettes de protection, et travailler dans une cabine avec extraction des brouillards d’acide chromique. - **Thermolaquage** : respecter les consignes du fabricant de la poudre (température de fusion, temps de polymérisation) et porter un masque anti‑poussière lors de l’application de la poudre. --- ## Synthèse du chapitre - Les transformations allotropiques du fer pur se produisent à **A₁ = 727 °C**, **A₃ = 912 °C**, **A₄ = 1394 °C**. - Le carbone augmente fortement la solubilité dans l’austénite (γ‑fer) : **≈ 0,8 % C à 727 °C** (eutectoïde) contre **≈ 0,02 % C** dans la ferrite. - Les traitements thermiques de base : **recuit** (refroidissement lent → perlite grossière), **normalisation** (refroidissement à l’air → perlite fine), **trempe** (refroidissement rapide → martensite dure), **revenus** (chauffage < A₁ → réduction de la fragilité). - La règle du levier permet de calculer les fractions de phases (ex. 0,40 % C → ~49 % pearlite après normalisation). - Le diagramme Fe‑C (méta‑stable) indique les domaines de ferrite, austénite, pearlite, cementite et martensite selon la teneur en C et la température. - Les traitements de surface modifient la composition ou la structure superficielle : **cémentation** (diffusion de C, suivi trempe), **nitration** (diffusion de N), **chromage** (dépôt de Cr), **thermolaquage** (protection contre la corrosion). - Exemple de calcul d’épaisseur de couche cémentée : \(x \approx 2\sqrt{Dt}\) → ~0,9 mm pour 5 h à 900 °C. - Sécurité : EPI adaptés (gants chaleur, lunettes, masques), ventilation, contrôle des températures et des temps de traitement. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | α‑fer (ferrite) | Phase cristalline BCC du fer pur, stable < 912 °C, très faible solubilité du carbone. | | γ‑fer (austénite) | Phase FCC du fer pur, stable entre 912 °C et 1394 °C, solubilité du carbone jusqu’à ~0,8 % C à 727 °C. | | δ‑fer | Phase BCC du fer pur, stable > 1394 °C jusqu’à la fusion. | | Austenite | Désignation courante de la phase γ‑fer dans les alliages Fe‑C. | | Ferrite | Phase α‑fer contenant peu de carbone (≤ 0,02 % C à 727 °C). | | Pearlite | Mélange lamellaire de ferrite et de cementite formé par décomposition eutectoïde de l’austénite à 727 °C. | | Martensite | Phase métastable tétragonale obtenue par refroidissement rapide de l’austénite, très dure et fragile. | | Cementite (Fe₃C) | Composé intermetallique dur et fragile contenant 6,67 % C. | | Cémentation | Traitement de diffusion de carbone à 850‑950 °C suivi d’une trempe pour créer une couche superficielle dure. | | Nitration | Diffusion d’azote (NH₃) à 500‑550 °C produisant une couche durcie résistante à l’usure et à la corrosion. | | Revenus | Chauffage de la martensite à une température inférieure à A₁ (150‑650 °C) pour réduire les contraintes internes et améliorer la ténacité. | | Trempe | Refroidissement rapide de l’austénite (eau, huile, polymère) pour obtenir de la martensite. | | Normalisation | Chauffage au‑dessus de A₃ suivi d’un refroidissement à l’air pour affiner la perlite. | | Recuit complet | Chauffage au‑dessus de A₃ suivi d’un refroidissement lent dans le four pour obtenir une microstructure douce et ductile. | | Point eutectoïde | Composition (0,76 % C) et température (727 °C) où l’austénite se transforme en pearlite. | | Point eutectique | Composition (4,3 % C) et température (1147 °C) où le liquide se transforme en austénite + cementite. | | Dureté Vickers (HV) | Mesure de la résistance à l’indentation d’une pyramide diamantée, utilisée pour les couches minces. | | Dureté Rockwell B (HRB) | Échelle de dureté adaptée aux alliages relativement doux (aciers doux, aluminium). | --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Fraction de pearlite après normalisation Un acier de composition 0,55 % C est normalisé (chauffage à 920 °C, refroidissement à l’air). Calculer la proportion approximative de pearlite présente à température ambiante. **Corrigé** On utilise la règle du levier entre la ferrite (Cα≈0,02 %) et la pearlite eutectoïde (Cpearl≈0,80 %) : \[ f_{\text{pearlite}} = \frac{C_0 - C_\alpha}{C_{\text{pearl}} - C_\alpha} = \frac{0,55 - 0,02}{0,80 - 0,02} = \frac{0,53}{0,78} \approx 0,679 \;(67,9\%) \] **Réponse** : environ **68 % de pearlite** et **32 % de ferrite**. --- ### Exercice 2 – Choix d’un revenu pour réduire la dureté de la martensite Une pièce d’acier à 0,60 % C a été trempée, donnant une martensite de dureté 620 HV. On souhaite obtenir une dureté finale de 400 HV après revenu. Selon la courbe de revenu typique (approximative) : - 150 °C → 560 HV - 250 °C → 460 HV - 350 °C → 380 HV Déterminer la température de revenu la plus adaptée. **Corrigé** La dureté cible 400 HV se situe entre les valeurs à 250 °C (460 HV) et 350 °C (380 HV). Par interpolation linéaire : \[ \frac{400-460}{380-460} = \frac{-60}{-80}=0,75 \] \[ T = 250 + 0,75 \times (350-250) = 250 + 0,75 \times 100 = 250 + 75 = 325 °C \] **Réponse** : un revenu à **≈ 325 °C** (maintenu 1 h, refroidissement à l’air) donnera une dureté proche de 400 HV. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |----|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | Confondre **A₃** (α↔γ) avec **A₁** (eutectoïde) | Mauvaise interprétation du diagramme Fe‑C | Mémoriser que A₁ = 727 °C (eutectoïde), A₃ = 912 °C (α↔γ) |