Fiche de révision : Transformations et traitements des aciers

📋 Plan du Cours

1. Transformation perlitique
2. Transformation martensitique
3. Transformation bainitique
4. Trempabilité et diagrammes
5. Conditions de trempe
6. Refroidissement et fissuration
7. Revenu de la martensite
8. Produits selon le refroidissement

📖 1. Transformation perlitique

★ À maîtriser

• Lorsque la température de transformation θᵢ est proche de la température eutectoïde, la perlite formée est grossière, car la diffusion du carbone est rapide et les lamelles sont épaisses.

Compléments

• Quand θᵢ diminue, l’espace interlamellaire diminue et la durée de transformation augmente.

• Une diminution de θᵢ conduit à la formation de perlite fine.

💡 Astuce mémo

Près de l’eutectoïde : perlite grossière ; en abaissant la température : perlite fine.

📖 2. Transformation martensitique

★ À maîtriser

• La fraction d’austénite transformée en martensite dépend uniquement de la température θᵢ et non du temps.

📌 Si Mf < θᵢ < Ms, la transformation martensitique est incomplète et il subsiste de l’austénite résiduelle.

📐 Formule - La fraction massique y d’austénite transformée en martensite suit la relation de Koistinen et Marburger : $y=1-\exp[-k(M_s-\theta_i)^n]$, où k et n sont des coefficients expérimentaux.

Compléments

📐 Formule - Pour un acier hypoeutectoïde faiblement allié, la fraction transformée suit $y=1-\exp[-0{,}011(M_s-\theta_i)]$.

• Les températures de transformation de 50 %, 90 % et 99 % de martensite sont respectivement M50 = Ms − 65 °C, M90 = Ms − 210 °C et M99 = Ms − 420 °C.

📖 3. Transformation bainitique

🔑 Notions clés & Définitions

• Transformation bainitique : Transformation complexe à la fois diffusive et displacive, qui produit une ferrite sursaturée en carbone par cisaillement.

★ À maîtriser

• La bainite supérieure est constituée de lattes de ferrite et de plaquettes de Fe₃C situées aux limites de la ferrite, où le carbone a diffusé.

• La bainite inférieure comprend des aiguilles de ferrite, des plaquettes de carbures hexagonaux ε-FeₓC précipités dans la ferrite et du Fe₃C entre les aiguilles.

Compléments

📌 La bainite supérieure associe diffusion du carbone et formation de Fe₃C aux limites de ferrite, tandis que la bainite inférieure associe précipitation de ε-FeₓC dans la ferrite et présence de Fe₃C inter-aiguilles.

💡 Astuce mémo

En bainite supérieure, le carbone diffuse vers les limites ; en bainite inférieure, il précipite dans les aiguilles.

📖 4. Trempabilité et diagrammes

🔑 Notions clés & Définitions

• Trempabilité : Aptitude relative d’un acier à éviter la formation d’agrégats ferrite-carbure lors d’un refroidissement de plus en plus lent depuis la température d’austénitisation jusqu’à Ms.

★ À maîtriser

📌 Une trempabilité plus élevée correspond à une vitesse critique de trempe plus faible.

📐 Formule - Pour les aciers faiblement alliés contenant moins de 0,6 %m de carbone, la formule empirique d’Andrews donne $M_s(°C)=539-423C-30{,}4Mn-17{,}7Ni-12{,}1Cr-11Si-7Mo$, les teneurs étant exprimées en %m.

• Les éléments d’alliage, sauf le cobalt, décalent les courbes TRC vers la droite et augmentent la trempabilité ; le cobalt les décale vers la gauche.

• Quand la teneur en carbone augmente, Ms diminue, les domaines de transformation se décalent vers la droite, la trempabilité augmente et la dureté augmente.

Compléments

• Une faible trempabilité correspond à une vitesse critique de quelques centaines de °C/s, une trempabilité moyenne à quelques dizaines de °C/s et une forte trempabilité à quelques dixièmes de °C/s.

• Les courbes bainitiques prolongent les courbes perlitiques, et les nez bainitique et perlitique sont distincts.

• L’allure des courbes TTT dépend de :

  • la taille des grains
  • la teneur en carbone
  • les éléments d’alliage

• Les éléments carburigènes Cr, W, V, Mo et Ti peuvent créer une discontinuité ou une séparation entre le domaine supérieur ferrite-perlite ou cémentite-perlite et le domaine bainitique.

• Une teneur élevée en carbone et en éléments d’alliage peut abaisser Mf sous la température ambiante, laissant de l’austénite résiduelle après trempe et diminuant Rm, Re et la dureté.

📖 5. Conditions de trempe

★ À maîtriser

• 🔄 Les conditions du durcissement maximal sont : austénitiser pour obtenir 100 % d’austénite, refroidir à une vitesse supérieure à la vitesse critique de trempe martensitique, abaisser la température du milieu de trempe sous Mf

• Pour les aciers, la trempe suit l’austénitisation et consiste en un refroidissement assez rapide pour empêcher la précipitation de carbures.

Compléments

• La vitesse critique nécessaire au durcissement maximal n’est pas nécessairement atteinte en tout point de la pièce, en raison des différences de lois de refroidissement.

• Un four à bain de sel :

  • assure une excellente homogénéité de température
  • transmet très bien la chaleur
  • permet des temps de maintien plus courts qu’un four chambre
  • limite l’oxydation de surface

💡 Astuce mémo

Austénitiser, dépasser la vitesse critique, puis refroidir sous Mf.

📖 6. Refroidissement et fissuration

★ À maîtriser

• Lors d’une trempe, la surface d’une pièce refroidit plus vite que son cœur et se transforme donc en martensite avant lui.

• Quand le cœur se transforme ensuite en martensite et subit une expansion volumique, la martensite déjà formée en surface empêche cette expansion, ce qui crée des contraintes thermiques et peut provoquer des fissures.

• Les lois de refroidissement dépendent : des propriétés thermiques du métal, de la géométrie de la pièce, de la position du point considéré dans la section, des propriétés thermiques et physiques du milieu de trempe, de la température du milieu de trempe, des conditions d’échange thermique entre la pièce et le milieu

Compléments

• Une petite pièce peut être trempée uniformément, tandis qu’une grosse pièce risque une trempe superficielle, des contraintes et des fissures.

💡 Astuce mémo

Surface transformée avant le cœur → expansion empêchée → contraintes et fissures.

📖 7. Revenu de la martensite

🔑 Notions clés & Définitions

• Revenu : Réchauffage après trempe qui provoque la précipitation maîtrisée de carbures afin d’obtenir un durcissement optimal.

★ À maîtriser

• La trempe transforme l’austénite en martensite très dure, et la dureté de cette martensite augmente avec sa teneur en carbone.

📌 Quand la température ou la durée du revenu augmente, les particules de cémentite grossissent, la dureté et la résistance diminuent et la ductilité augmente.

Compléments

• Lors du revenu, le carbone en excès dans la martensite migre pour former de la cémentite Fe₃C.

• La martensite sursaturée devient une matrice ferritique renforcée par des particules de cémentite, et la diffusion ainsi que les transformations de phases diminuent les tensions internes dues à la trempe.

• Les interfaces ferrite-cémentite maintiennent élevées la dureté et la résistance Rₑ et Rₘ, tandis que la matrice ferritique augmente la ductilité A%.

• Lors d’un revenu à haute température, l’austénite résiduelle peut se transformer en bainite, voire en ferrite et carbure.

• Lors d’un revenu à basse température, l’austénite résiduelle peut devenir de la martensite secondaire ou fraîche, avec gonflement et durcissement ; un second revenu élimine les problèmes de fragilité associés.

💡 Astuce mémo

Revenu plus chaud ou plus long → cémentite plus grossière → dureté diminuée et ductilité améliorée.

📖 8. Produits selon le refroidissement

★ À maîtriser

• Un refroidissement lent de l’austénite produit de la ferrite et de la perlite dans un acier hypoeutectoïde, ou de la cémentite et de la perlite dans l’autre cas représenté.

• Un refroidissement intermédiaire de l’austénite produit de la bainite, constituée de ferrite et de cémentite.

• Un refroidissement rapide de l’austénite produit de la martensite avec éventuellement de l’austénite résiduelle.

Compléments

• Les diagrammes TTT et TRC ajoutent une composante cinétique aux diagrammes de phases.

💡 Astuce mémo

Lent : perlite ; intermédiaire : bainite ; rapide : martensite.