Agrégation interne 2006 : diagramme binaire fer carbone

volontairement ou non, au cours de son élaboration. La possibilité d’attribuer aux aciers une gamme étendue de propriétés grâce à des traitements thermiques, thermomécaniques et mécaniques est à l’origine du très large éventail d’utilisations de ce matériau.

Le diagramme binaire simplifié Fer – Carbone s’applique à des alliages binaires à faibleteneur en carbone.

Les "domaines" du fer a et du fer g :

Nature des espèces présentes dans les domaines ABC, ACE₁F, FGH, E₁FG, CDE₁ et HGDI.

Nom des points E₁ et E₂ :

Equations des équilibres existant en E₁ et E₂.

Un alliage fer-carbone liquide contenant 0,6 % de carbone en masse est refroidi jusqu'à 500°C.

Ferrite : solution solide de carbone dans le fer

Austénite : solution solide de carbone dans le fer g.

Perlite : mélange de composition, correspondant au point E₁.

Courbe de refroidissement q (°C) en fonction du temps en indiquant les espèces en équilibre.

Lequel des schémas présentés ci-dessus représente la microstructure de cet alliage aux températures suivantes : 1450°C, 1400°C, 730°C et 500°C ?

On considère maintenant un acier de composition eutectoïde (q= 727°C). Quelles sont les phases en présence et leurs proportions à la température de 500°C ?

I.3.6. Quelles sont les températures de début et de fin de solidification de cet acier ?

I.3.7. Lequel des schémas (proposés ci-dessus) représente la microstructure de cet acier à 1420°C ?

I.4. Diagramme d’Ellingham

I.4.1 Comme la plupart des métaux, le fer se trouve à l’état naturel sous forme d’oxyde,

principalement dans un minerai contenant l'oxyde de fer (III) : Fe2O3. Cependant,

tous les métaux ne sont pas sous forme d'oxyde à l’état naturel. Citer un métal qui

peut se trouver pur à l’état natif.

I.4.2. Outre son état métallique Fe(s), le fer peut se présenter sous la forme des trois

oxydes suivants :

FeO : oxyde de fer(II) (ou wüstite).

Fe3O4 : magnétite.

Fe2O3 : oxyde de fer(III) (hématite).

On peut alors envisager les trois équilibres suivants :

(1) 2 Fe(s) + O2(g) = 2 FeO(s) ;

(2) 6 FeO(s) + O2(g) = 2 Fe3O4(s) ;

(3) 4 Fe3O4(s) + O2(g) = 6 Fe2O3(s) ;

Les valeurs des enthalpies standard de réaction et des entropies standard de

réaction pour les équilibres se trouvent dans le préambule du problème.

Quel est le nombre d’oxydation du fer dans chaque oxyde ?

I.4.3. Donner les expressions des enthalpies libres standard .r

o

G1 (T), .r

o

G2 (T) et

.r

o

G3 (T) dans l’approximation d’Ellingham et les représenter sur un même

diagramme entre 500 et 1500 K (échelle : x : 1 cm pour 100 K ; y : 1 cm pour

50 kJ.mol-1).

I.4.4. Montrer que l’oxyde de fer(II), FeO, est thermodynamiquement instable dans un

domaine de température que l’on précisera.

Ecrire l’équation de la réaction de dismutation de FeO. Dans ces conditions

montrer qu’il faut envisager un nouvel équilibre (4) que l’on écrira et dont on

o

G4 en fonction de T. Représenter .r

o

G4

sur le diagramme tracé dans la question précédente.

I.4.5. Sur le diagramme d’Ellingham tracé précédemment on précisera, en justifiant la

réponse, le domaine de stabilité thermodynamique du fer et de chacun des oxydes

de fer FeO, Fe3O4 et Fe2O3.

I.4.6.1. Les trois droites représentatives des couples FeO/Fe, Fe3O4/FeO et Fe3O4/Fe se

coupent en un même point. Déterminer l’abscisse de ce point (que l’on notera Te).

Écrire l'équation de l'équilibre chimique existant en ce point.

I.4.6.2. Calculer sa variance et interpréter. Que se passe-t-il à partir de Te lorsque :

- on augmente T à P constante ?

- on diminue T à P constante ?

I.4.6.3. Que pensez-vous de la stabilité de FeO pour T< Te ?

I.5. On considère alors l’équilibre (5) : 2 CO(g) + O2(g) = 2 CO2(g).

Écrire les équations des réactions de réduction des oxydes Fe2O3 et Fe3O4 par CO. Ces

réactions sont-elles thermodynamiquement favorisées ?

I.6. Si tous les minerais d’oxyde de fer étaient épuisés, on pourrait utiliser les minerais à base

de sulfure de fer : FeS. On pourrait dans ce cas convertir FeS en FeO, plus facilement

réductible, puis réduire FeO en Fe.

I.6.1. Écrire l'équation de la réaction de conversion de FeS en FeO et la faire apparaître

comme une combinaison des réactions (6), (7) et (8) fournies dans le préambule

du problème.

I.6.2. Après avoir calculé la constante d’équilibre de cette réaction à 1273 K, indiquer si

la transformation de FeS et FeO peut être couronnée de succès à cette

température.