Equilibres de phases et microstructures d'alliages CU-FE-NI riches en FE

par Coraline Crozet

Thèse de doctorat en Génie civil

Sous la direction de Dietrich-Sabine Lay et de Annie Antoni-Zdziobek.

Soutenue le 28-01-2011

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble) , en partenariat avec Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble) (laboratoire) et de Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés / SIMaP (laboratoire) .

Le président du jury était Muriel Véron.

Le jury était composé de Dietrich-Sabine Lay, Annie Antoni-Zdziobek, Jean-Claude Viala, Hervé Senillou.

Les rapporteurs étaient Gabriele Cacciamani, Elisabeth Gautier.


  • Résumé

    Ce travail a pour but l’acquisition de connaissances fondamentales dans les équilibres de phases et les transformations de phases des alliages ternaires contenant du fer, du nickel et du cuivre.Cette étude est composée de trois parties : la première est consacrée aux équilibres de phase entre600°C et 1000°C dans le coin riche en fer du système ternaire Cu-Fe-Ni, la seconde concerne l’analyse des transformations de phases dans des alliages modèles suivant deux vitesses de refroidissement et la troisième étudie les alliages industriels.Cette approche expérimentale est appuyée par des calculs thermodynamiques. Une comparaison est effectuée avec les données issues de la littérature. Les sections isothermes à 600°C, 800°C et1000°C ont été reconfirmées. Les domaines triphasés αFe/γFe/γCu ont été déterminés à 600°C et800°C et semblent décalés vers de plus fortes teneurs en Ni. La lacune de miscibilité est moins étendue que celle calculée et ce particulièrement du côté du binaire Cu-Ni.Les transformations de phase γ→α apparaissant lors du refroidissement d’alliages Fe-xCu-10Ni et Fe-10Cu-xNi (0<x<15 % en masse) ont été étudiées. Elles sont observées dans tous les alliages refroidis lentement par dilatométrie sauf dans l’alliage binaire Fe-Cu. Les températures de transformation sont systématiquement inférieures aux températures d’équilibre et cet écart augmente lorsque les teneurs en Ni et Cu augmentent. La formation de la ferrite bainitique est favorisée par l’addition de Cu dans les alliages trempés Fe-xCu-10Ni et par l’addition de Ni dans les alliages Fe-10Cu-xNi tandis que la ferrite massive se forme préférentiellement lors du refroidissement lent. Une diminution des températures de transformation se produit lorsque la taille de grains est affinée et est reliée au processus d’accommodation plastique liée à la transformation.La composition et la vitesse de refroidissement jouent un rôle sur la dureté de ces alliages via la présence de Ni en solution solide ainsi que le nombre et la taille des précipités de Cu.

  • Titre traduit

    Design of a new iron-nickel-copper binder for diamond tools


  • Résumé

    This work aims in getting fundamental knowledge of phase equilibria and microstructures of ternary alloys containing copper, nickel and iron. The thesis is composed of three parts: a first part is devoted to phase equilibria in the Fe-rich corner of the ternary Cu-Fe-Ni system between 600°C and 1000°C, a second part is devoted to the microstructures in these materials for model alloys, for two cooling rates and a third part is devoted to industrial alloys.Phase equilibria of the system are investigated in the range 600-1000°C using diffusion multiples in conjunction with selected equilibrated alloys. This experimental approach is supplemented by thermodynamic calculations. A comparison is drawn with data reported in the literature. The isothermal sections at 600°C, 800°C and 1000°C have been reconfirmed. The three-phase regions αFe/γFe/γCu are determined at 600°C and 800°C and appear shifted to a higher Ni content. The miscibility gap is narrower than the calculated, particularly on the Cu-Ni binary sides.Austenite/ferrite phase transformations occurring on cooling in Fe-xCu-10Ni and Fe-10Cu-xNi alloys,0<x<15 (mass%), have been studied. The influence of copper and nickel additions and of the cooling rate on the microstructure is discussed. Metastable transformations in slowly cooled alloys have been detected by dilatometry in all alloys except in the binary Fe-10Cu alloy: all the cooling transformation temperatures are systematically lower than the equilibrium temperature and the Ni and Cu addition decrease this transformation temperature. The formation of bainitic ferrite is favoured by copper additions in quenched Fe-xCu-10Ni alloys and by Ni addition in Fe-10Cu-xNi alloys while massive ferrite form preferentially during slow cooling. A decrease of the transformation temperatures is recorded when the alloys have a finer grain size likely related to plastic accommodation processes.The composition and cooling rate influence the hardness of the alloys mostly dependant on the amount of Ni in solid solution and on the rate and size of Cu precipitates.


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