Chapitre 4 - Le Fer et ses Alliages 9 Novembre 2023 PDF

Chapitre 4 – Les alliages du fer: l’acier et les fontes Chapitre 4 – Métaux et Alliages – Fe - 1  Chapitre 4 – Les alliages du fer: l’acier et les fontes Que lire ? Polycopié Métaux et Alliages Chapitres IV & V Ashby & Jones, vol. 2, Chapitres 9, 12, 13, 14. Chapitr...

Chapitre 4 – Les alliages du fer: l’acier et les fontes Chapitre 4 – Métaux et Alliages – Fe - 1  Chapitre 4 – Les alliages du fer: l’acier et les fontes Que lire ? Polycopié Métaux et Alliages Chapitres IV & V Ashby & Jones, vol. 2, Chapitres 9, 12, 13, 14. Chapitre 4 – Métaux et Alliages – Fe - 2  I – Extraction et production de l’acier et de la fonte Chapitre 4 – Métaux et Alliages – Fe - 3  !""#$%&'()*#'%+'(, Retour au diagramme d’Ellingham Le fer est abondant, représentant 5% de l’écorce terrestre. Ses oxides sont moins stables (et donc moins difficiles à séparer en métal et oxygène) que ceux de l’aluminium: les oxides du fer sont dans le rectangle rouge; la diaposiEve suivante les montre en détail. (voir page 170 du polycopié Métaux et Alliages) Chapitre 4 – Métaux et Alliages – Fe - 4 Figure IV-7 – Diagramme d’Ellingham.  !""#$%&'()*#'%+'(, Chapitre 4 – Métaux et Alliages – Fe - 5  !""#$%&'()*#'%+'(, Retour au diagramme d’Ellingham Si on regarde en détail (voir diapo suivante) on voit que les oxides du fer sont aussi moins stables que ceux du carbone: le carbone (bois, charbon de bois, coke) peut donc être utilisé pour réduire les oxides du fer. C’est par réduction au carbone que le fer a pratiquement toujours été produit. (voir page 170 du polycopié Métaux et Alliages) Chapitre 4 – Métaux et Alliages – Fe - 6 Figure IV-7 – Diagramme d’Ellingham.  !""#$%&'()*#'%+'(, Chapitre 4 – Métaux et Alliages – Fe - 7  !""#$%&'()*#'%+'(, Retour au diagramme d’Ellingham Le carbone peut donc réduire les oxydes du fer; par contre l’extraction du fer à partir de son minerai est plus difficile que celle du cuivre non seulement car ses oxydes sont plus stables, mais aussi car le point de fusion du fer (1’538°C) dépasse de loin celui du cuivre (1’084°C). Bien que le fer puisse être trouvé à l’état natif (les météorites sont généralement riches en fer et nickel), la production du fer a donc commencé plus tardivement que celle du cuivre: l’âge du fer commence vers 1’500 av. JC (vs. environ 3’500 av. JC pour l’âge du bronze). (p. 170 du polycopié Métaux et Alliages) Chapitre 4 – Métaux et Alliages – Fe - 8 Figure IV-7 – Diagramme d’Ellingham.  CHAPITRE I. INTRODUCTION Extraction du fer Du fait du haut point de fusion du fer, les méthodes de producEon du fer ont varié fortement avec le temps et le lieu géographique. Ici une forge à l’époque de la Renaissance: on voit (D) le fer être extrait mécaniquement à l’état solide d’une masse de fer solide mélangé à des scories, puis mis en forme et trempé. Figure I-4 – Forge au 16e siècle. Chapitre 4 – Métaux et Alliages – Fe - Source: Agricola, De Re Metallica, 1556. 9 méthodes pour extraire différents métaux, les mouler selon diverses techniques comme celle de cire perdue et les former à l’état solide selon plusieurs procédés comme le forgeage ou le tréfila  B. PRODUCTION Extraction du fer De nos jours le minerai est réduit par le charbon dans un haut-fourneau (blast furnace). Le produit en est la fonte (cast 142 iron, pig iron), fer fondu riche en carbone, dont le point de fusion est bien plus bas que celui du fer ou des aciers (vers 1200°C). Figure IV-6 –Fig. 3. Schematic Diagramme diagram d’un schématique of thehaut iron fourneau, blast furnace avecindicating quelquessome of the chemical différentes réactionsreactions chimiques ayant lieu et leur enthalpie H, correspondant à la chaleur dégagée ( ) ou consom- mée (+). Deux diapos suivantes: Source: R.E. Kirk, Encyclopedia of Chemical Technology Vol. 16, 4th Edition, Wiley Interscience, New York, 1991. Figure IV-9 – Aciérie (suite). Source: L’acier, document fait en partie d’extraits du magazine TDC, numéro spécial mai 1991, édité par le CNDP et Usinor-Sacilor, France, 1995. atteint typiquement 1’800–2’200 C dans sa partie la plus chaude, figure IV-5. À la base du proces- Chapitre 4 – Métaux et Alliages – Fe - 10 sus chimique global est le fait qu’à température élevée ces oxydes gazeux du carbone, surtout CO, ont une stabilité plus élevée que les oxydes du fer. Ceci peut être vu sur le diagramme d’Ellingham en figure IV-7. Par définition, ce diagramme donne l’énergie libre de formation de divers oxydes en fonction de la température, normalisée pour une mole d’oxygène O2 : plus la courbe d’un oxyde  A. UN PE ExtracLon du fer Conver0sseur (ici une cornue Bessemer ) Puis la fonte est transformée en Poche acier; depuis l’invention (en 1856 par Bessemer) du procédé qui Fonte porte son nom, cela est fait en A. UN PEU D’HISTOIRE soufflant de l’air (aujourd’hui de Lingotière l’oxygène) dans la fonte liquide. La combustion du carbone dissout dans le fer fondu (i) réduit la teneur en carbone: la fonte est transformée en acier, et (ii) Acier maintient le métal à l’état liquide malgré l’augmentation de son liquidus, ce grâce à la chaleur dégagée par la combustion. Note: dans un conver/sseur industriel une “scorie” (slag), Air (et donc Figure I-6 – Convertisseur O2 ) Bessemer mobile. faite d’oxydes liquides, flo>e au-dessus du métal liquide (pour Source: H. Bessemer, Sir Henry Bessemer, F.R.S An et le protèger autobiography ; With a Concluding Chapte réguler sa composi/on) Science, 1989. Figure I-6 – Convertisseur Bessemer mobile. Chapitre 4 – Métaux et Alliages – Fe - 11 Source: H. Bessemer, Sir Henry Bessemer, F.R.S An autobiography ; With a Concluding Chapter, Maney Materials Science, 1989. (Ewing et Rosenhain (Ewing et1899), Rosenhainou l’éxistance 1899), ou l’éxistancede larecristallisation. de la recristallisation. Lealliages Le fer et ses fer et sesvualli étaient, l’importance de l’acier, au centre des préoccupations de la discipline naissante ; ainsi, on distinguait l’importance de l’acier, au centre des préoccupations de la discipline naissante ; ains  Panorama d’aciéries intégrée (A) ou électrique (A’) (source: Sacilor Sollac) 12  13 Figure IV-9 – Aciérie (suite). ource: L’acier, document fait en partie d’extraits du magazine TDC, numéro spécial mai 1991, édité par le CNDP et Usinor-Sacilor, France, 1995.  Extraction du fer Ces deux voies (aciérie intégrée et aciérie électrique) sont les principales uElisées de nos jours. Il existe d’autre procédés d’élaboraEon des aciers (Vacuum Arc RemelEng pour les aciers complexes par exemple) et la réducEon du minerai par l’hydrogène, donc sans combusEon de carbone, vient d’être mise en route en Suède, en 2021. h^ps://cen.acs.org/environment/gree n-chemistry/steel-hydrogen-low-co2- startups/99/i22 Chapitre 4 – Métaux et Alliages – Fe - 14  II – Le fer et le carbone dans le fer Chapitre 4 – Métaux et Alliages – Fe - 15  CHAPITRE IV. L’ACIER Le fer pur Déjà pur, le fer pur est complexe: il subit deux transformaEons allotropiques (CC à CFC à CC), et est ferromagnéEque en-dessous du point de Curie. Le fer cubique centré est nommé Ferrite (a ou d) Le fer cubique faces centrées est nommé Austénite (g) Figure IV-1 – Courbe calorimétrique qui montre les transformations de l’élément Fe lors de la chauffe et du refroidissement. nd Source: A.C. Reardon, Metallurgy for the Non-Metallurgist, 2 Edition, ASM International, U.S.A., 2011. Chapitre 4 – Métaux et Alliages – Fe - 16 ↵ en dessous de 912 C (la transition des propriétés magnétiques du fer ↵ à la température de Curie, égale à 768 C pour le fer pur, a fait que l’on croyait autrefois qu’une autre forme, nommée , existait, d’où le manque actuel de cette lettre dans la succession des phases), figure IV-1. Les deux phases cubiques centrées ↵ et s’appellent ferrite, alors que la phase cubique face centrées  CHAPITRE IV. L’ACIER Le carbone dans le fer solide Les atomes de carbone étant ne>ement plus pe0ts que ceux du fer (presque de moi0é) ils se logent dans les sites inters00els laissés entre les atomes de fer – au lieu de se loger sur les sites atomiques du fer comme c’est le plus souvent le (a) Structure cubique à faces cen- (b) Structure cubique centrée. cas dans les solu0ons solides. trées. Figure IV-17 – Sites interstitiels dans les structures cfc et cc. Source: K.H. Grote, E.K. Antonsson, Springer Handbook of Mechanical Engineering, Volume 10, Springer, 2009. Table IV-2 – Tailles des sites interstitiels selon la structure cristalline. En d’autres mots, ils forment avec le Rayon Rayon fer une solu0on solide d’inser(on Structure Site (relatif) (pour le fer) (inters00al solid solu0on) et non de cc tétraédrique 0.29 0.37 Å subs(tu(on (subs0tu0onal solid octaédrique 0.15 0.19 Å solu0on). fcc tétraédrique 0.23 0.28 Å octaédrique 0.41 0.51 Å Chapitre 4 – Métaux et Alliages – Fe - 17 la production de fil, par exemple, mais mènerait à une déformation insuffisante pour des produ longs à section relativement grande. Cette nécessité de produire une microstructure fine dicte dans une grande mesure la voie d’é  Le carbone dans le fer solide De ceci il résulte que la diffusion du carbone dans le fer est nettement plus rapide, et ce de plusieurs ordre de grandeur, que dans les solutions solides de substitution. La raison en est que les atomes en solution solide de substitution ne peuvent changer de place que lors du passage d’un sites atomique vide (= une lacune, vacancy) au sein du réseau cristallin, alors qu’un atome sur un site interstitiel est entouré de sites vides. De ce fait, aux vitesses de refroidissement (ou de chauffe) usuelles il n’y a pas de ségrégation mineure du carbone dans l’acier ou la fonte; sauf chauffe ou refroidissement très rapide, on voit ce que prédit le diagramme de phase pour ce qui concerne les transformations des alliages Fe-C. Voyons donc le diagramme fer-carbone. 18  D. LE SYSTÈME FE-C Le diagramme de phase Fe-C (a) Diagramme de phases du système Fe-C. Les lignes pleines sont pour le système Fe-Fe3 C (fer-cémentite), les lignes en traitillés pour le système Fe-C (fer-graphite) Phase Composition Phase Composition [%pds C] [%pds C] Martensite