Le carbone rentre donc dans la composition des fers industriels, des aciers et des fontes. Mais il prend plusieurs formes selon la teneur en carbone et la température de fabrication et donc sa solubilité dans le fer.

Aciers

Dans l’acier (entre 0,1 et 2,1 % de carbone), la totalité du carbone est en solution solide dans les phases solides.

Une solution solide est un mélange formé par la dissolution, dans un réseau cristallin métallique, d’atomes d’un second élément. Il y a 2 cas possibles :
- soit l’élément est incorporé dans la maille cristalline à côté ou entre deux atomes de l’élément principal : on parle d’une solution solide par insertion,
- soit l’élément est incorporé à la place d’un atome de l’élément principal dans la maille cristalline : il s’agit alors d’une solution solide par substitution.

Ainsi, le fer alpha existe entre l’ambiante et 727°C. Il s’agit d’une solution solide cubique centrée appelée aussi ferrite. Cette solution est pauvre en carbone de 0,006 % à l’ambiante jusqu’à 0,022 % à 727°C. La ferrite est ferromagnétique.

Le fer gamma existe à partir de 727°C. C’est une solution solide cubique faces centrées appelée aussi austénite. Cette solution est riche en carbone puisqu’elle peut comporter jusqu’à 2,1% de carbone à 1148°C. Si ce mélange est refroidit à vitesse moyenne, on obtient de la troosite très dure formée de la cémentite et des lamelles de ferrite. Si ce mélange est refroidi plus rapidement, le matériau évolue vers de la bainite en aiguilles, voire de la martensite (système quadratique ; sous forme de plaques ou d’aiguilles) après une trempe (refroidissement brutal). Le fer gamma est paramagnétique. La cémentite (ou carbure de fer) est un composé chimique dont la formule est Fe3C et la structure est orthorhombique. Elle contient 6,67 % de carbone. C’est un composé très dur.

Le fer delta est stable à partir de 1410°C. Il s’agit d’une solution solide cubique centrée appelée aussi ferrite delta. Cette solution peut dissoudre 0,10 % de carbone à 1493°C.

La perlite est un constituant biphasé de l’acier. C’est un agrégat formé de 89 % de ferrite et 11 % de cémentite. Sa structure est formée de lamelles alternées de cémentite et de ferrite. La germination se fait aux joints de grain de la phase mère austénitique.

La lédéburite est un mélange hétérogène d’austénite et de cémentite obtenu à l’eutectique (4,3 % de carbone et à 1147°C). A l’ambiante, après transformation, la lédéburite s’appelle lédéburite transformée car elle conserve sa structure mais l’austénite se transforme en perlite.

Diagramme binaire fer - carbone.

Fontes

Dans la fonte (entre 2,1 et 6,67 % de carbone), une partie du carbone dissous à l’état solide précipite sous forme de graphite ou de carbure. Plusieurs types de fonte existent.

Dans le cas d’une fonte blanche (sans graphite), la solidification et le refroidissement s’opèrent suivant le diagramme fer-cémentite. Leur structure est un réseau de carbures dans une matrice perlitique.

Dans les fontes grises, la plupart du carbone se trouve sous forme de lamelles de graphite. Le pourcentage en carbone de la matrice dépendra de la vitesse de refroidissement. Si la vitesse de refroidissement est très lente, tout le refroidissement depuis l’état liquide s’opérera en suivant le diagramme fer-graphite : la structure finale sera de type ferrite-graphite. Si on augmente la vitesse de refroidissement, la solidification commencera suivant le diagramme fer-graphite puis se poursuivra selon le diagramme fer-cémentite. C’est le cas le plus complexe où l’on pourra obtenir une structure ferrite-perlite ou perlite seule. Il arrive également que dans ces deux matrices, on note la présence d’une lédéburite (soit pure, soit enrichie de phosphore). Si la vitesse de refroidissement devient rapide, la solidification et le refroidissement suivront les lois du diagramme fer-cémentite. Dans ce cas, on obtiendra de la ferrite et de la lédéburite.

Plusieurs facteurs ont une influence sur la vitesse de refroidissement : facteurs liés au moule, à la grosseur de la pièce, à la température de la fonte au moment de la coulée, à la température de décochage (séparation de la pièce coulée et solidifiée de son moule), méthode de refroidissement…