Cémentite
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La cémentite est un carbure de fer de formule chimique Fe3C. À l'état pur, ce composé fait partie de la famille des céramiques. C'est une phase qui se forme dans les aciers et les fontes, et a une part importante dans les propriétés physiques de ces alliages.
Propriétés du composé pur
La cémentite est un composé chimiquement défini de structure orthorhombique (notation Strukturbericht D011[1]) dont la formule est Fe3C. Des éléments tels que le manganèse ou le chrome peuvent se substituer partiellement au fer. Elle contient 6,67 % massique de carbone. C'est un composé très dur (dureté Vickers HV = 700 à 800) mais très fragile (A% = 0, Rm = 700 MPa). Sa température de fusion est d'environ 1 500 K (1 216 °C).
À température ambiante, elle est ferromagnétique ; sa température de Curie est d'environ 480 K (206,85 °C)[2].
C'est un composé métastable : si l'on attend « suffisamment longtemps », la cémentite se décompose en ferrite α et en graphite :
- Fe3C → 3Fe + C.
Cas des aciers
Les aciers ont des teneurs relativement faibles en carbone (moins de 2,11 %C massique). De ce fait, le carbone n'atteint jamais localement la concentration nécessaire pour former du graphite. Pour décrire les aciers, on utilise donc un diagramme binaire fer-carbone métastable, où figure la cémentite.
Lors de la coulée, l'acier se solidifie sous forme d'austénite (fer γ). En dessous d'une certaine température, l'austénite se décompose.
Dans le cas du refroidissement lent d'un acier hypoeutectoide (dont la teneur en carbone est inférieure à 0,77 %C massique), l'austénite se transforme en ferrite (fer α) ; celui-ci peut contenir moins de carbone que l'austénite, donc l'austénite résiduelle s'enrichit en carbone et se transforme :
- soit en cémentite si l'acier contient très peu de carbone (moins de 0,022 %C en masse) ;
- soit en perlite (eutectoïde), qui est une succession de lamelles de ferrite et de cémentite.
Dans le cas du refroidissement lent d'un acier hypereutectoïde (dont la teneur en carbone est comprise entre 0,77 et 2,11 %C massique), l'austénite se transforme en cémentite ; celui-ci peut contenir plus de carbone que l'austénite, donc l'austénite résiduelle s'appauvrit en carbone et se transforme en perlite.
Les phases formées sont différentes si l'acier contient suffisamment de carbone (plus de 0,3 % massique) et que le refroidissement est suffisamment rapide (trempe) : martensite (phase hors équilibre formée par mécanisme de cisaillement, bainite et de troostite.
La perlite sphéroïdale ou perlite coalescée est un agrégat de ferrite et de cémentite se présentant sous forme de précipités globulaires de cémentite dans une matrice ferritique.
Cas des fontes
Les fontes ont des teneurs plus importantes en carbone.
Pour des vitesse de refroidissement lentes, et surtout avec des éléments d'alliage dits « graphitisants » (silicium, cuivre, nickel), on peut avoir formation de graphite (fonte grise). Cela se fait en appauvrissant l'austénite en carbone ; en dessous d'une certaine teneur dépendant de la vitesse de refroidissement, le graphite formé reste tel quel, et le reste de l'alliage se comporte comme un acier, donc avec formation de cémentite.
Pour les vitesse de refroidissement rapides, et notamment en présence d'éléments anti-graphitisants (manganèse), il ne se forme pas de graphite mais que de la cémentite (fonte blanche).
On utilise donc deux diagrammes binaires : le diagramme métastable (à cémentite) et le diagramme stable (à graphite).
Notes
- Crystal Lattice Structures Sur le site cst-www.nrl.navy.mil
- S.W.J. Smith, W. White et S.G. Barker, « The Magnetic Transition Temperature of Cementite », Proc. Phys. Soc. London, Institute of Physics, vol. 24, no 1, , p. 62–69 (DOI 10.1088/1478-7814/24/1/310)
