Forge et
Coutellerie
par Gérard HEUTTE Accueil
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Diagramme Fer-carbone
Le diagramme de phase Fe-C est "le" diagramme de base. Il est difficile d'appréhender le travail de l'acier sans avoir connaissance de ce diagramme. Ce diagramme dit binaire est assez simple. Il en va autrement pour les diagrammes ternaires dès que l'on rajoute un élément chimique supplémentaire au Fer et au carbone.
Un gros merci au "Doc" pour ses explications ! Le fameux diagramme
Utilisation et limitations
Tout d'abord, il faut bien être conscient des limitations de ce diagramme :
> Il n'a de sens que pour les états stables ou métastables. Les chauffes rapides et les refroidissements brutaux (trempe) ne sont pas modélisés par ce diagramme. Tout simplement, ce diagramme n'intègre pas le facteur "temps". Pour intégrer le facteur temporel, d' autres diagrammes sont nécessaires !
> Il n'est valable que pour les aciers non alliés. La présence d'éléments d'alliage peut modifier considérablement ce diagramme !
> Lors des variations de température, un hystérésis apparaît. C'est à dire que le passage d'un état A à un état B se fera à une température différente du passage de l'état B à l'état A. On distinguera ces deux températures avec le suffixe "c" pour le chauffage et "r" pour le refroidissement (e.g Ac1 et Ar1). L'écart entre ces deux températures se réduit si les variations de température sont lentes.
Types d'acier
Sur le diagramme, on distingue trois zones :
> Les aciers eutectoïdes
sont composés de Fer et de 0.77% de Carbone. A basse température, leur structure est uniquement de la Perlite.
> Les aciers hypoeutectoïdes ont un taux de Carbone inférieur à 0.77%. A noter toutefois que seuls les aciers dont la teneur en carbone dépasse 0.35% sont trempables. En coutellerie, on descendra rarement en dessous de 0.5%. A basse température, leur structure est un mélange de ferrite et de Perlite. Moins l'acier contient de carbone et plus la proportion de ferrite est importante.
> Les aciers hypereutectoïdes ont un taux de Carbone supérieur à 0.77%, avec une limite 2% (au delà, c'est de la fonte). En coutellerie, on ira rarement au delà de 1.6% de teneur en carbone. A basse température, leur structure est un mélange de Cémentite et de Perlite. Plus l'acier contient de carbone et plus la proportion de Cémentite est importante. La Cémentite en excès (i.e. >0.77%) se localisera dans les joints de grain.

En synthèse :
Type d'acier
Hypoeutectoïde
Eutectoïde
Hypereutectoïde
%C
<0.77
0.77
>0.77 et <2
Structure à froid (recuit)
Ferrite + Perlite
Perlite
Perlite + Cémentite
Action des montées en température
> La structure des aciers eutectoïdes changent très rapidement quand la température passe au delà de 720C. La Perlite se transforme en austénite. Ce passage correspond au point C du diagramme.

> Pour les aciers hypoeutectoïdes, c'est un peu plus complexe ! Juste au delà de 720C (ligne A-C, bleue sur le diagramme), la Perlite se transforme en austénite. Par contre, la Ferrite reste en l'état. Si la température continue d'augmenter, l'Austénite peut exister avec moins de 0.77% de Carbone dissous ! Il y a donc du carbone de disponible pour se combiner avec un peu de Ferrite pour créer de l'Austénite supplémentaire. Ce phénomène s'accentue avec la montée en température. Au delà de la température AC3 (ligne B-C, rouge sur le diagramme), toute la Ferrite est transformée en Austénite.

> Pour les aciers hypereutectoïdes d'autres choses se passent, mais c'est toujours complexe ! Au delà de 720C (ligne C-E, violette sur le diagramme), toute la Perlite se transforme en Austénite. Ceci représente un fort pourcentage de l'acier (en général > 90%). L'excédent reste sous forme de Cémentite (i.e. carbures de fer). Si la température continue d'augmenter, l'Austénite est capable de dissoudre plus de Carbone ! Une partie de la Cémentite est alors transformée en Austénite. Ce phénomène s'accentue avec la montée en température. Au delà d'une température AcM (ligne C-F, orange sur le diagramme), tous les carbures sont dissous.
Zones et points particuliers
Zone verte (O, A, B) : Cette zone particulière n'a pas d'importance en coutellerie, à cause de son faible pourcentage de carbone (i.e. 0.02%).
Point B : Il correspond à la température d'austénisation dans le fer pur soit 910C.
Point C : Il correspond à l'austénisation d'un acier eutectoïde (720C).
Point F : Il correspond à la dissolution totale des carbures d'un acier à 2% de carbone soit 1130C.