Forge et
Coutellerie
par Gérard HEUTTE
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Diagramme Fer-carbone
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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 à 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
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%C
<0.77
0.77
>0.77 et <2
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Structure à froid (recuit)
Ferrite + Perlite
Perlite
Perlite + Cémentite
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Action des montées en température
> La structure des aciers eutectoïdes changent très rapidement quand la
température passe au delà de 720°C. 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 720°C (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 720°C (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 910°C.
Point C : Il correspond à l'austénisation d'un acier eutectoïde (720°C).
Point F : Il correspond à la dissolution totale des carbures d'un acier à
2% de carbone soit 1130°C.
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