Forge et
Coutellerie
par Gérard HEUTTE
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Diffusion du Carbone
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Généralités
La diffusion du Carbone dans le fer est à l'origine de nombreux phénomènes.
L'acier est composé de Fer et de Carbone. La taille relative des atomes de Carbone et des
atomes de Fer fait que les atomes de Carbone peuvent se glisser entre les mailles du réseau
cristallin constitué par les atomes de Fer. Sous certaines conditions, ces atomes de
Carbone peuvent se déplacer dans le réseau cristallin du Fer : C'est la
diffusion.
Comme la nature a horreur du vide, les atomes de Carbone vont migrer des zones les plus riches
vers les zones les plus pauvres, pour tendre vers un équilibre (répartition
homogène des atomes de Carbone dans le Fer).
Influence de la température
A température ambiante, le phénomène de diffusion est pratiquement
inexistant ! Mais avec une augmentation de température, il va s'accélérer !
En effet, quand on chauffe la matière, les mouvements des atomes autour de leur position
d'équilibre s'amplifient. Cette agitation permet une circulation plus facile des
"petits" atomes dans les interstices.
La vitesse de diffusion du Carbone dans le Fer reste faible. On l'évalue en
général en millimètres par heure.
Ci-contre une courbe montrant la vitesse de déplacement du Carbone dans le Fer en
fonction de la température. La figure se passe de commentaires !
Cette vitesse peut varier dans les aciers en fonction de la composition.
Conséquence pratique : Décarburation
Quand on place de l'acier dans un environnement pauvre en Carbone et qu'on le chauffe, il a
tendance à perdre du Carbone. C'est la Décarburation.
Ce phénomène se produit lorsqu'on chauffe l'acier à la forge dans
la zone oxydante, fortement déficitaire en Carbone. Une chauffe forte et
prolongée amplifie cet effet !
Dans la pratique, on veillera donc à :
> Ne pas chauffer en zone oxydante.
> Ne pas chauffer trop fort.
> Ne pas chauffer trop longtemps et inutilement.
> Enlever (après la trempe) une fine couche d'acier au niveau du tranchant.
Conséquence pratique : Carburation
A l'inverse, si on place de l'acier (ou du Fer) dans un milieu riche en Carbone, le
carbone sera absorbé et diffusera dans l'acier. C'est le principe de la
Cémentation.
Comme montré sur la courbe ci-dessus ce processus est lent. Ceci explique les
durées pour les cémentations (quelques heures).
La température influera sur :
> La vitesse de transfert du Carbone.
> Le taux de Carbone soluble dans l'Austénite et donc après refroidissement
le taux final de Carbone dans l'acier Cémenté.
Voir ci-contre la limite de solubilité du Carbone dans le Fer. Ainsi si on veut
obtenir de l'acier à 1.55% de carbone, il faudra faire une cémentation
à 1000°C pendant... un certain temps compte tenu de la vitesse de diffusion de
0.8mm/heure !
Le passage d'une corne sur la surface de l'acier rougi pour lui apporter du Carbone est donc
une opération inutile puisque le Carbone ne pénétrera que sur quelques
centièmes de millimètre, qui partiront au polissage et à l'affûtage !
Migration des autres éléments
Les éléments d'alliage autres que le Carbone ne sont pas concernés par
la diffusion. Leur taille ne permet pas leur migration, même à chaud !
A titre d'exemple, un atome de Molybdène met 1.6 années pour se déplacer
de 1mm dans de l'acier à 1040°C et 2600 ans dans de l'acier à 820°C.
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