Chemical News, t. XLII, p

que certains réactifs permettent d'isoler des paillettes de carbure de l'acier recuit, ce qui n'a pas lieu avec l'acier trempé.

Enfin, MM. Osmond et Werth démontrent ce fait, de toute première importance, qtie le carbone n'est pas. le seul agent qui intervienne dans le phénomène de la trempe. La preuve de ceci était donnée par des expériences, montrant que l'on pouvait obtenir les effets de la trempe par écrouissage.

Cela semblait indiquer, d'ores et déjà, que le fer passait d'un premier état h un autre, sous lequel il était plus dur. On avait ainsi défini deux états du fer : l'état a, stable à température ordinaire; l'état 3i stable à température élevée et caractéristique des aciers trempés.

Tel était, après l'important mémoire de MM. Osmond et Werth, l'état de la question. Nous exposerons maintenant les progrès effectués par la théorie dans la voie tracée par ces savants ; à cet effet, nous étudierons tout d'abord les différents états allotropiques du fer, puis les phénomènes de la recalescence.

1** États allotropiques du fer. — Le fer semble exister sous trois états allotropiques différents ; ceci découle des différents travaux qui ont été faits successivement par MM. Pionchon, Osmond, Henry Le Chatelier et Roberts-Austen.

Les trois états allotropiques sous lesquels le fer est susceptible de se présenteront été désignés, par M. Osmond, par les lettres a, g, y-

Voici d'abord les conclusions auxquelles ont conduit ces travaux ; nous étudierons ensuite les diverses expériences qui les ont amenées :

Au-dessous de 740'', le fer est à l'état a;

Entre 740 et 860% il est à l'état g.

Au-dessus de 860°, il est à l'état 7.

Empressons-nous d'ajouter qu'un quatrième etmêmeuncinquième état du fer seraient possibles. En effet, M. Bail semble avoir observé une transformation à 1300% laquelle a été

retrouvée par M. Curie, puis contredite par un autre savant. D'autre part, M. Roberts-Austen a annoncé un autre changement à600^

Laissons de côté, pour le moment, ces deux points qui n'ont pas unç existence certaine et considérons seulement les trois états du fer a, 0, y-

Suivant la notation de M. Osmond, nous appellerons : A^ (nous verrons plus tard pourquoi Aoctnon A|) le point de 740^; A3, le point de 860^

Comment a-t-onété conduit à admettre ces trois états allotropiques du fer?

l"" Si Ton examine les propriétés magnétiques du fer pur que Ion chauffe, on voit que ces propriétés s'atténuent considérablement à 740° (M. Curie, thèse de doctorat) (Voir chapitre Magnétisme),

2* Si Ton suit la variation de la résistance électrique d'un fer pur dont on élève peu à peu la température, on note que, tandis que cette résistance s'est décuplée quand la température a passé de k 860°, elle reste sensiblement constante à cette température. 11 y a donc là une propriété caractéristique (M. H. Le Chatelier) (Voir chapitre Résisiance électrique).

3° Si l'on prend un morceau de fer et que l'on étudie, sa courbe de refroidissement, on notera des absorptions de chaleur, c'est-à-dire un ralentissement dans le refroidissement, aux températures d'environ 740° et 860° (M. Osmond).

Si, comme l'a fait M. Osmond, on prend, pour tracer la courbe de refroidissement, comme abscisses, les températures, et comme ordonnées le nombre de secondes que met l'indice du galvanomètre pour baisser de 1 division de la règle graduée, on obtient une courbe du genre de la figure 33.

Cette courbe prouve que, pour baisser de 1° dans les environs de 860°, il a fallu plus longtemps qu'à un autre moment et, par conséquent, qu'il y a eu un ralentissement dans le refroidissement.

Il en est de même à 740°, bien que le ralentissement soit beaucoup moins accentué.

Enfin, nous devons noter un très léger renflement à 680®; à cette température correspond le point A,, dont nous verrons Timportance tout à Thcure.

4° Enfin, Tétude des chaleurs spécifiques du fer aux différentes températures, qui a été faite par M, Pionchon (thèse de doctorat, 1886), présente des anomalies qui se traduisent par des absorptions de chaleur à peu près aux températures indiquées.

11 semble donc démontré que le fer existe bien sous trois états.

Températures FiG. 33.

MM. Osmond et Cartaud [Annales des MineSj 1900), ont préparé du fer sous ces états différents en réduisant le chlorure ferreux par Thydrogène (méthode de M. Péligot) ou par le zinc (méthode de Pommarède). Ils sont arrivés aux conclusions suivantes :

Le fera ses trois états cristallise dans le système cubique;

Le fer g et le fer y cristallisent identiquement;

Le fer ^ ne se mélange pas isomorphiquement avec le fer a.

Il est juste d'ajouter que M. Le Chatelier n'est pas d'accord avec M. Osmond sur le système cristallin du fer v. M. Le Chatelier pense que la forme vraie est celle d un rhomboèdre très voisin du cube. Mais faisons remarquer que l'on n'a pas encore

isolé le fer 3 4 Télat pur, qu'on ne Ta jamais obtenu que mélangé de certaines quantités de fera.

Quelles sont les caractéristiques importantes du fer sous ses trois états allotropiques?

Le fer a est magnétique, le fer g et le fer y ne le sont pas;

Le fer a et le fer g ne dissolvent pas le carbone ; le fer y est susceptible de le dissoudre.

Ce sont là les caractéristiques les plus importantes en dehors de la résistance électrique, de la malléabilité, etc., que nous étudions plus loin en détails.

2" Influence du carbone sur les points de transformation. — Supposons avec M. Osmond que nous prenions des aciers contenant de plus en plus de carbone et que nous en étudiions les courbes de refroidissement {fig. 34). Pour un acier doux (C = 0,140 0/0), la courbe présentera trois points singuliers indiquant des ralentissements :

A3 vers 820^

A2 vers 720^

A^ vers 650^

En outre, nous remarquerons que le ralentissement qui a eu Fig. 34.

lieu vers 820° n'est plus,

comme dans le cas du fer pur, indiqué par un point, mais bien par un palier.

Pour un acier mi-dur (C = 0,450 0/0), un ralentissement progressif et une station. Le ralentissement progressif a lieu à 695* et comprend les point A3 et A2.

températures

La station est au point A| vers 650°.

Pour un acier dur (C = 1,240 0/0), il n'y a plus qu'une longue station Ag, A2, Aj, à 680** environ.

La figure 34 représente quelques courbes-types données par M. Osmond.

Laissons de côté, pour le moment, le point A^, sur lequel nous insisterons ultérieurement, et notons qu'en ajoutant du carbone à du fer pur, nous arrivons à faire disparaître petit à petit le point A3 et que le point A2 ne disparaît que si Ton en ajoute beaucoup plus.

Or il est entendu que le point A3 correspond au dégagement

de chaleur qui a lieu lorsque le fer passe de Tétat^à J'étatp. On voit que, si Ton ajoute du carbone, cette transformation subsiste, mais, d'une part, la température à laquelle se fait cette transformation est plus basse; d'autre part, réchauffement est moindre.

Prenons un acier contenant, par exemple, 0,200 0/0 de C {fig, 35), supposons-le à l'état liquide et voyons ce qui va se passer lorsqu'il va se solidifier. Lorsque nous avions du fer pur, ce fer, après s'être solidifié, se trouvait à l'état y tant que la température était supérieure à 860' (AB) : puis, il était à Tétat g entre 860 et 750' (BC) et au-dessous à l'état a (CDO).

L'acier à 0,200 0/0 de C, après s'être solidifié, aura son carbone dissous dans le fery jusqu'à une température un peu plus basse que 860% jusqu'à 830" environ, d'après les indications données par la courbe de refroidissement. A cette température, le fer va commencera passer à l'élatg.

Comme le fer g ne dissout pas le carbone, le fer y qui reste

Carbone %

FiG. 33.

encore va s'enrichir en carbone ; de telle sorte que Ton aura toujours du fer y, ce dernier ayant dissous le carbone. Plus la température baissera, plus il y aura de fer g à se déposer, et par conséquent plus le fer y s'enrichira en carbone.

Puis on atteindra la température de 750**, et alors le fer g se transformera subitement et entièrement en fer a.

On aura alors : fer a + fer y + carbone dissous dans ce fer. L'expérience montre que pour une teneur en carbone de 0,350 0/0 le point A3 disparait complètement comme point indépendant.

On admettra qu'alors le fer passe directement de l'état y à l'état a. Donc, si l'on envisage cet acier à 0,350 0/0 de C après solidification, il sera formé de : fer y + carbone dissous tant que la température sera supérieure à 750° ; au-dessous il sera formé de : fer a + fer y ayant dissous le carbone, la richesse en carbone de ce fer étant de 0,350.

En résumé, à 750"*, tous les alliages contenant entre et 0,350 0/0 de C sont formés de : fer a -+- fer v ayant dissous 0,350 0/0 de C.

H y a, de plus, un point très important à remarquer, c'est que le fer g ne contenant pas de carbone passera entièrement à la forme a lorsque l'on arrivera à 750° ; donc, la température à laquelle le fer p se transforme en fer a est constante, quelle que soit la teneur en carbone (pour les aciers qui contiennent du fer g).

Si on laisse refroidir, au-dessous de 750% le mélange qui est formé de : fer a + f^r y + carbone dissous dans ce fer y, il abandonne de nouveau du fer a et la teneur en carbone des cristaux mixtes augmente jusqu'à ce qu'elle ait atteint 0,850 0/0. Alors se fait une nouvelle transformation que nous allons étudier. Mais, avant, envisageons le cas d'un acier entre 0,350 et 0,850 0/0 de C.

Cet acier liquide va d'abord se solidifier, puis il sera formé de fer y ayant dissous tout le carbone, jusqu'à ce qu'il atteigne une certaine température à laquelle ce fer y va se transformer, en partie en fer a; enfin, au-dessous de ce point, on aura du fer a -4- des cristaux mixtes : fer y + C dissous.

En réunissant les différents points de cette transformation pour les aciers à diverses teneurs, on a le diagramme de la figure 35 qui constitue Tune des parties les plus intéressantes du diagramme de Roozeboom * sur lequel nous aurons à revenir dans le chapitre XV.

On a donc sur la figure quatre zones :

La première, au-dessus des droites A B E F donne pour les aciers la composition : fer y + carbone dissous ;

La deuxième, formée par le triangle BCE, donne pour les aciers la composition : fer g + cristaux mixtes (fer y H- C) ;

La troisième, formée par le trapèze CEDF, donne pour les aciers la composition : fer a + cristaux mixtes (fer y + C);

La quatrième zone correspond à un nouveau phénomène que nous allons étudier.

En résumé, BE est le lieu des points A3; CE est celui des points Ao ; EF, celui des points A3,A2 ; DF, celui des points A^ ; et enfin FF', celui des points A3, Ao, Aj.

3" Phénomhne de la recalescence^ carbure de fer, cémentite. — En étudiant les courbes de refroidissement des aciers à différentes teneurs de carbone, nous avons noté un point vers 680* caractérisé par un échauffement important, d'autant plus important que la teneur en carbone est plus élevée.

Ce point, dans la notation de M. Osmond, est désigné par Aj.

Ce phénomène de grand retard au refroidissement pour les aciers est connu depuis fort longtemps ; ce retard au refroidissement s'accuse même par une élévation de température.

Des observations ont été faites par Gore et Barrett sur un acier dur, qu'ils ont chauffé petit à petit jusqu'au rouge vif. A une certaine température, on a remarqué un ralentissement très brusque dans la dilatation et, d'autre part, l'éclat du métal diminuait subitement. Si, au lieu d'observer ces faits à réchauffement, on les observe au refroidissement, c'est-à-dire sur une barre qui a été portée à 900° environ et qu'on laisse refroidir lentement, on observe les phénomènes inverses, c'est-à-dire

1. Société d'Encouragement. Contribution à l'étude des alliages.

COUKBES DE REFROIDISSEMENT 63

une augmentation subite de la dilatation et de Téclat. Ces phénomènes sont beaucoup plus sensibles au refroidissement qu'à réchauiïeaient parce qu'ils sont beaucoup plus brusques*. Il arrive même que la contraction et la chute de température peuvent être momentanément renversées; c'est l'augmentation d'éclat qui a fait donner à ce phénomène le nom de recalescence. Nous avons vu que, dans l'étude du refroidissement de barres d'acier d'après la méthode de M. Osmond, ce ph(^nomène est fortement accusé dans les courbes. Mais, suivant que l'on observe le phénomène au refroidissement ou à l'échautTement on ne retrouve pas tout à fait la même température. Malgré cela le phénomène est bien le même. En effet, MM. Osmond, Howe et Brinell n'ont jamais pu obtenir la recalescence au refroidissement, s'ils ne l'avaient pas obtenue auparavant à réchauffement.

De plus, M. Osmond a montré que la température à laquelle se produisait le phénomène de la recalescence à réchauffement est d'autant plus basse que la vitesse d'échauffement est plus lente et, dans les mômes conditions, d'autant plus élevée au refroidissement.

Si donc on soumet une barre d'acier à un échauffement aussi lent que possible, on arrivera à avoir les températures de la recalescence à réchauffement et au refroidissement très voisines.

Cette température est de 710" dans l'échelle des températures où le point de fusion de l'or est de lOkV ^.

Qu'est-ce donc que le phénomène de la recalescence?

On sait, depuis quelques années, que le fer et le carbone peuvent se combiner pour donner un carbure de fer Fe^C que l'on a nommé la cémeatite, parce que, comme nous le verrons, il prend naissance en quantités notables dans une cémentation suffisamment profonde.

Cette cémentite est obtenue, comme nous l'avons indiqué, par traitement des aciers recuits ou des fontes blanches par les acides.

1. M. H. Le Chatelier, État actuel des théories de la trempe de Vacier [Revue générale des Sciences^Vô janvier 1897).

2. M. H. Le Chatelier, Revue générale des Sciences^ 15 janvier 1897.

D'autre part, Marguerilte a isolé ce carbure de fer Fe^C en chauffant au rouge naissant de Toxyde de fer très divisé dans de l'oxyde de carbone.

Enfin, on peut l'obtenir dans des conditions qui ont été déterminées par M. Moissan, au moyen du four électrique. Mais il n'est pas possible d'avoir directement ce carbone en mettant le fer fondu en présence de carbone ; ceci s'explique aisément, comme nous le verrons. Il est, au contraire, très facile d'obtenir, dans les circonstances analogues, le carbure de manganèse, Mn^C, ainsi que l'a montré Hautefeuille.

^.'existence de cette cémentite ne saurait donc être mise en doute. Parmi les propriétés de ce composé, la plus intéressante est, sans nul doute, la suivante : chauffé à TOO**, il se dissocie en fer et carboné. Ceci explique pourquoi il n'est pas possible de le préparer par fusion du fer en présence de carbone.

D'autre part, on voit que la température à laquelle a lieu cette dissociation correspond justement au point A^.

Prenons un acier à une certain teneur en carbone, inférieure à 0,850 0/0. A la température ordinaire, cet acier sera formé de fer a et de cémentite. Cette cémentite ne sera pas dissoute puisque le fer a ne dissout ni carbone, ni carbure. On verra ultérieurement qu'elle forme avec le fer a un eutectique semblable au cryohydrate. Élevons la température : lorsque nous atteindrons environ 710°, la cémentite va se dissocier en fer et en carbone. Une partie du fer passant à l'état y va dissoudre le carbone, l'autre partie du fer restera à l'état a.

Et ce sera le carbone provenant de la dissociation de la cémentite qui créera lui-même le fer v nécessaire pour le dissoudre*.

On sait déjà ce qui se passe aux températures supérieures.

En résumé, le point Aj correspond à la dissociation de la cémentite. Il sera évidemment d'autant plus accentué dans la courbe de refroidissement que cette matière sera en plus

1. M. Osmond nous donnait, à ce sujet, un exemple très saisissant et faisant • bien comprendre ce qui se passe ici: lorsqu'on ajoute du sel marin à de la glace, il se produit la quantité d*eau liquide nécessaire pour dissoudre ce chlorure de sodium.

grande aboodance et, par conséquent, que la teneur en carbone sera plus élevée.

Cette transformation n'est pas instantanée, bien entendu. Elle commence à une certaine température, passe par un point où la vitesse de transformation est maximum et finit à une autre température.

L'intervalle compris entre les deux températures extrêmes entre lesquelles le phénomène se passe est dit : « intervalle critique ».

On voit l'importance de la détermination des courbes de refroidissement dans les fers et aciers.

Bien que la question soit beaucoup moins avancée pour les alliages de cuivre, nous montrerons, dans le second volume de cet ouvrage, quel -intérêt cette détermination présente aussi pour certains de ces alliages, notamment pour les bronzes.