INTRODUCTION

Allotropie du fer. — L'existence des formes allotropiques du fer a été élablie pour la première fois par M. Osmond (1) dans des expériences restées classiques. Ce savant a montré qu'un échantillon de fer aussi pur que possible (2), porté à la tempéralure de 1100 ne se refroidit pas régulièrement.

A la tempéralure de 855°, se produit un dégagement brusque de chaleur qui a pour effet de ralentir le refroidissement. Ce point crilique est indiqué par la nolalion Ar; (La lettre r indique que le phénomène a élé observé au refroidissement.)

Vers 750° — 730°, un nouveau dégagement de chaleur produit un second ralentissement qui se continue sur un cerlain intervalle de température: c’est la transformation Ar.

Les phénomènes inverses se produisent à l’'échauffement (Points Ac; et

(1). Annales des mines. S. 8. No 14. 1888, p. 5. (2). Fer électrolytique contenant 0,08 o/o de carbone.

Ac.) et à des températures d'autant plus voisines des précédentes que les vitesses de refroidissement et d’échauffement sont plus faibles.

Les résultats trouvés par M. Osmond ont été confirmés par les expériences de Roberts-Austen (1) et de MM. Carpenter et Kelling (2).

Roberts-Austen utilise une méthode différentielle, afin d'éliminer les perturbations qui peuvent provenir de l'enceinte elle-même. L'auteur a constaté dans le refroidissement d’un fer électrolytique les anomalies

suivantes :

À 1132, un point qui avait été signalé antérieurement par Ball ;

A 895°, le point Ar, trouvé par M. Osmond;

À 715, — Are —

De plus, Roberts-Austen a constaté trois autres dégagements de chaleur : le premier entre 550° et 600; le second entre 450° et 500; le troisième vers 260°.

D’après l’auteur lui-même, ces dernières perturbations n'indiqueraient pas des transformations du fer. Elles seraient dues à la présence de l’hydrogène occlus dans le fer électrolytique.

MM. Carpenter et Kelling ont établi les courbes de refroidissement d’une série d’alliages fer-carbone dont la teneur en cet élément croît régulièrement. L'échantillon qui serapproche le plus du fer pur (Carbone — 0,01 °/,) présente les deux points Ar, et Ar, aux températures suivantes :

ATE ire arte nes DOUITE=TI00 Air RS TE . 184 — 762

Ces expérimentateurs ont, comme le précédent, constaté un dégagement de chaleur vers 600. Ils l’ont désigné par la notation Ar,. Il est intéressant de remarquer ce point Ar,, sur la nature duquel l'accord n’est pas encore fait, se retrouve dans tous les échantillons étudiés par MM. Carpenter et Kelling.

Ces trois séries de recherches sont parfaitement concordantes en ce qui concerne l'existence des transformations A, et A,. — Les températures indiquées par Roberts-Austen et MM. Carpenter et Kelling présentent un accord très satisfaisant, mais elles diffèrent de celles qui ont été données par M. Osmond. Cette différence provient, croyons-nous, des rectifications qui ont été apportées à l'échelle thermométrique normale dans l'intervalle qui s’est écoulé entre ces recherches (3).

(1) The Institution of mechanical Engineers, 1899. p. 35.

(2) Journal of the Iron and Steel Institute. 1904. No 1. p. 224

(3) La présence de 0,08 o/o de carbone peut également expliquer un abaissement des points de transformation:

. ,. « , . . . Là e , 4 Quoi qu'il en soit, les expériences de refroidissement indiquent l'existence de trois formes allotropiques du fer. M. Osmond leur a donné les noms suivants : fer y, 5, #. Les zones de stabilité de ces différentes formes sont :

Au-dessus de 900°........ PRIE) Entre 900° et 770°......... . fer Ê Au-dessous de 770°.,........ fer «

Influence du Carbone, — La présence, à côté du fer, d'éléments étran gers comme le carbone, le manganèse, ie silicium, modifie notablement la

position des points de transformation, tels qu’ils sont définis par la méthode de refroidissement.

En ce qui concerne l'influence du carbone, MM. Osmond, Roberts-Austen, Carpenter et Kelling ont observé les faits suivants :

1° Quand la teneur en carbone augmente, la position du point A, s’abaisse dans l'échelle des températures et se rapproche de celle du point A2. Pour une teneur en carbone de 0,35 0/0, les deux points sont confondus en un seul que l’on désigne par la notation A3,o.

2° Un troisième dégagement de chaleur apparaît vers 690° (1). Son importance croît avec la teneur en carbone. C’est le point A,.

3° Pour une teneur d’environ 0,85 o/o de carbone, les trois points critiques se trouvent réunis en un seul qui correspond à un dégagement de chaleur relativement considérable : c’est le point A:,,,. Ce dégagement de chaleur avait été observé en 1873 par W. F. Barrett et signalé sous le nom de récalescence.

Cäractère de chaque transformation. — Au cours de leurs retherches, MM. Carpenter et Kelling ont été frappés des différences présentées par chacune des transformations A,, À, el A.

Ils remarquèrent que A;, pour de faibles teneurs en carbone, el A, (C > 0,30 0/0) se manifestent d’une façon plutôt brusque. Au contraire, la transformation A, s'étale toujours sur un certainintervalle de tempéralure; ilenest de même de la transformation A,, quand la teneur en carbone dépasse 0,1 0/0.

Les auteurs proposent alors de substituer à l'expression : points criliques (criticals points), le terme : zones critiques (criticals ranges).

(1) M. Osmond constate déjà ce dégagement de chaleur dans l'échantillon électrolytique à 0,08 o/o de carbone. Dans les expériences de MM. Carpenter et Kelling. il apparaît dans l'échantillon à 0,12 0/0.

Diagramme de Roozeboom.— Les résultats fournis par la méthode de refroidissement ont permis au Professeur Roozeboom d'établir le diagramme d'équilibre des systèmes fer-carbone.

Nous rappelons brièvement, pour l'intelligence de ce qui va suivre, la partie de ce diagramme (Fig. 1) relalive aux aciers.

Joo

| I da + Casta muactes ur munies

Too

500 FAN AL . : k : ; net L “2 o C7) 0,2 0,9 0,4 0,5 0,6 0,7 8 0,9 1,0 11 1,2 FIGURE 1.

La région supérieure du plan est la zone de stabilité du fer y. Dans cette région, le carbone est dissous dans le fer ÿ et donne des cristaux mixtes qui, par refroidissement brusque, forment le constituant connu sous le nom de martensile.

Par refroidissement lent, la solution dépose, suivantla teneur en carbone, soit successivement du fer 6 et du fer & (C <0,35 0/0), soit directement du fer & (0,35 oJo <C< 0, 85 0/0), soit enfin le composé défini FeC connu sous le nom cémentile (C >0,85 oJ0),

En même temps, la concentralion en carbone des cristaux mixtes augmente ; elle atteint 0,85 0/0 à la température de 690°. — A cette température, les cristaux mixtes à 0,85 o/o de carbone se transforment de la façon suivante :

Crislaux mixtes ——+ Fer z (ou ferrite) + Cémentite (Fe3C). Le mélange ainsi oblenu est formé de lamelles alternantes de ferrite et de cémentite : c’est le constituant appelé perlite.

La formation de la perlite, ainsi d’ailleurs que sa structure, est de tous points analogue à celle des mélanges connus en physico-chimie sous le nom d'eutectique. Pour rappeler ces analogies, la perlite a reçu le nom d’euntecloide (H. Howe).

L'acier eulectoïde contient 0,85 o/o de carbone. Les aciers hypoeulectoïdes contiennent moins de 0,85 o/o de carbone : ils sont constitués de perlite et d’un excès de ferrite.

Les aciers hypereulectoïdes contiennent plus de 0,85 0/0 de carbone : ils sont constitués de perlile et d’un excès de cémentite,.

Critique de la méthode de refroidissement. — Par sa nalure même, la méthode de refroidissement ne permet pas de faire des observations à température stationnaire, et par suite de saisir le métal dans son état de stabilité définitif.

A d’autres points de vue d’ailleurs, elle a été l’objet de critiques dont les plus importantes ont été formulées par M. Charpy (1).

« La méthode thermique, dit cet auteur, est en somme une méthode « calorimétrique approximative. »

Or, les mesures calorimétriques exigent des conditions expérimentales parfaitement définies, difficiles à réaliser, lesquelles n’ont élé que « très imparfaitement » remplies dans les dispositifs employés. Les erreurs qui peuvent en résulter n’ont pas une très grande importance, quand il s’agil de transformations rapides accompagnées d'un fort dégagement de chaleur (A; et A,); mais pour les transformations qui s’élalent sur un certain intervalle de température (A2) «les résultats fournis par la méthode thermique « présentent beaucoup plus d'incertitude. »

M. Charpy critique également le mode de représentation différentiel employé par M. Osmond et matérialisé par Roberls-Austen. Il trouve à celte méthode deux défauts principaux :

1° Elle fait ressortir le point culminant de la transformation et, par là même, elle tend à faire considérer comme brusque un phénomène qui s’étend sur un cerlain intervalle de température.

2° Elle ne permet pas d'affirmer que chaque pointe de la courbe correspond à une transformation. Il se peut en effet que « deux perturbations ther- « miques successives s'étendant chacune sur un certain intervalle de « température donnent plus de deux points culminants.

(1) Sur les alliages de fer et de carbone.

Bulletin de la Société chimique. 4: série — 3. — 1908.

Recherches physiques. — Quelles que soient les critiques auxquelles peut donner lieu la méthode de refroidissement, celle-ci n'en constitue pas moins un proccdé d'investigation fondamental dans l'étude des alliages.

En ce qui concerne le fer et les aciers au carbone, elle a été l'origine d'un grand nombre de recherches d'ordre physique dont l’ensemble constitue le chapitre le plus important de la sidérologie scientifique.

Le principe général de ces recherches est le suivant: Soit A une grandeur physique relative à un acier donné (1). Si l’on fait varier la température T de l'échantillon, tous les autres paramètres restant constants, l'étude de la fonction f{A,T) = O pourra servir :

1° A déterminer les zones de passage d’une forme allotropique à une autre ;

2 À caractériser chacune de ces formes dans la région où elle est normalement stable.

Dans le tableau suivant sont indiqués les principaux mémoires parus :

Nature de la grandeur A Expérimentateurs

Chaleur spécifique. Pionchon. C.R. Ac. Sc., t. 102 (1886)

H.. Le Chatelier."C-R"AcSC it. 107:(1888);:

AT NT ue Svedelius. Phil. mag. Série 5, t. 46 (1898). G. Charpy et L. Grenet. Bulletin Soc. Enc., t. 104 (1903).

CR. Ac. Sc., t. 134 (1903).

Intensité d’aimantation.. Curie. Thèse de doctorat (1895).

| Hopkinson. Phil., Trans, t. 180 (1889).

Morris. Phil. Mag. Série 5, t. 44 (1897).

Harrisson. Phil. mag. série 6, t. 3 (1902).

Thermo-électrieilé . ,... Belloc. — Thèse de doctorat (1903). Boudouard. Iron aud Steel Institute. (Meeting de Mai 1903).

() Il est bien entendu qu'il s’agit ici, comme dans tout ce qui précède, d’un acier recuit,

W.Koklrausch.Wiedemann Annalen, t. 33(1888) Hopkinson. Loc. cit.

H. Le Chatelier.C.R. Ac Sc., t. 110 (1890). Contri-

Résistance électrique... bulion à l'étude des alliages. (Soc. Enc.)

Morris. — Loc. cit.

Harrisson. — Loc. cit.

Boudouard. — Loc. cit. Bulletin Soc. Enc.,

| James Howard. — Iron Age (1890).

Résistance à la traction. André Le Chalelier. — Congrès international des | méthodes d'essai. — (1900).

Durée rs au Le F. Robin. — Revue de métallurgie (1908).

Les résultats fournis par les différentes méthodes expérimentales sont loin d’être complets et définitifs.

D'une part, certaines parties de ce vaste domaine (propriétés mécaniques, par exemple) ne sont pas encore complètement explorées, en raison des nombreuses difficultés expérimentales qu’on y rencontre.

D'autre part, les conclusions formulées par les différents expérimentateurs ne sont pas rigoureusement concordantes.

Cela tient en grande partie à ce que les diverses propriétés physiques ne sont pas également affectées par une même transformation. De plus, aux températures élevées, de nombreuses causes d'erreurs, dont la plus importante est l’altération du métal, peuvent fausser les résultats.

Les expériences nouvelles devront donc être l'application de méthodes de plus en plus précises et sensibles. D'autre part, il faudra s’attacher à écarter toute cause de modification chimique (décarburation, oxydation, etc.) des échantillons.

Division du présent travail. — Le présent travail comprend deux parties distinctes.

Dans la première, j'ai appliqué la méthode de la résistance électrique à la détermination des transformations de quelques aciers au carbone. J’ai étudié la fonction f(R, T) — O en dehors des régions de transformation et j'ai montré comment l'allure de cette fonction se trouve modifiée par la présence des éléments étrangers au fer.

L'application de la même méthode m'a permis de suivre d'une façon continue le revenu d’un acier trempé.

Dans la seconde partie, j'ai étudié les courbes de traction fournies à

différentes températures par des fils d'acier. Je me suis préoccupé de préciser l'influence de la rapidité de l'essai sur la forme de ces courbes et sur la valeur de la charge de rupture.

Ces recherches ont été poursuivies au laboratoire de Physique de la Faculté des Sciences de Marseille. Qu'il me soit permis d'adresser ici l’expression de ma vive gratitude à MM. les professeurs Fabry et Houllevigue qui m'ont réservé le plus cordial accueil.

Je liens également à remercier M. André Le Chatelier du bienveillant intérêt qu’il m'a lémoigné et des indicalions si précieuses qu'il a bien voulu me donner.

Enfin, j'adresse un souvenir ému à la mémoire de M. Osmond qui n’a cessé, dans les dernières années de sa vie, de me prodiguer ses conseils et ses encouragements.