carbure de fer

Le carbure de fer, de formule chimique Fe₃C, est un composé intermétallique qui se forme lorsque le carbone se dissout dans le fer à des températures élevées, puis précipite pendant le refroidissement. Également appelé cémentite, c'est la principale phase durcissante dans pratiquement tous les alliages ferreux, des aciers à outils aux fontes. Sous sa forme pure, le carbure de fer est extrêmement dur mais cassant, avec une dureté d'environ 1600 à 1800 HV selon sa structure cristalline et sa microstructure.

La présence et la distribution du carbure de fer dans un acier ou une fonte déterminent une grande partie de son comportement mécanique. Dans la perlite, une structure lamellaire qui se forme lorsque l'austénite refroidit lentement, les couches de carbure de fer alternent avec la ferrite. Dans la martensite, les particules de carbure de fer sont retenues dans une matrice de fer sursaturée, créant la dureté élevée qui rend l'acier trempé utile pour les outils de coupe et les matrices. Le revenu, le réchauffage contrôlé de l'acier trempé, provoque la précipitation du carbure de fer sous des formes plus fines, ce qui réduit la fragilité tout en conservant une dureté utile.

Les fontes contiennent beaucoup plus de carbure de fer que les aciers. Dans la fonte blanche, le carbone reste combiné sous forme de carbure de fer plutôt que de se séparer sous forme de graphite, ce qui rend le matériau extrêmement dur mais impossible à usiner avec des outils conventionnels. La fonte grise contient des lamelles de graphite mélangées à du carbure de fer, un compromis qui permet l'usinabilité tout en conservant une dureté modérée. La fonte à graphite sphéroïdal contrôle la formation de carbure par des agents nodulisants afin que le graphite se forme en sphères plutôt qu'en lamelles ou en réseaux.

Le carbure de fer est vulnérable à certains environnements. À très hautes températures, au-dessus d'environ 900 °C, il devient thermodynamiquement instable et se décompose en fer et en graphite. Au contact d'oxydants puissants ou de certains milieux corrosifs, le composant fer s'oxyde préférentiellement, laissant un résidu cassant. Lorsqu'il est soumis à des cycles thermiques répétés, la dilatation différentielle entre le carbure et la ferrite peut provoquer des microfissures, un mode de défaillance observé dans les outils exposés à des coupes interrompues ou à des chocs thermiques.

La forme et la taille des particules de carbure de fer contrôlent la ténacité et la résistance à la fatigue. Les carbures grossiers et massifs rendent le matériau cassant ; les carbures fins et dispersés conservent la résistance avec une plus grande ductilité. C'est pourquoi les aciers à outils sont toujours revenus plutôt qu'utilisés à l'état brut de trempe : la redistribution des carbures d'une forme martensitique fragile à une dispersion plus résiliente est essentielle au fonctionnement. La métallurgie des procédés modernes utilisant des nodulisants aux terres rares et des vitesses de refroidissement contrôlées permet aux ingénieurs de concevoir la morphologie exacte des carbures nécessaires pour des applications spécifiques.