Transformations au chauffage
2-1. Transformations au cours de chauffages lents
2-2. Grosseur de grain austénitique
2-3. Chauffages avec maintien isotherme
2-4. Mise en solution des précipités
Traitements thermiques - Transformations au chauffage
2-1. Transformations au cours de chauffages lents
Conditions d’équilibre (lent) Austénitisation
Traitements thermiques - Transformations au chauffage
Traitement thermique
• Conditions du refroidissement• Etat de l’austénite avant cerefroidissement
Paramètres externesdéterminants
• Vitesse de chauffage• Température et temps demaintien
Paramètres internes visés
• Mise en solution des phases• Grosseur du grain austénitique
2-2. Grosseur de grain austénitique
Taille des produits de transformation del’austénite dépend de la taille de grain Germination au joint de grain Transformation du grain
Bonnes propriétés des structures finalesà grains fins Limite d’élasticité Résistance à la rupture
Méthode de mesure de la taille de grain Norme AFNOR : m = 8 . 2G
m : nombre de grains par mm2
Norme ASTM : indice légèrement plus gros mais différence négligeable
Graingrossier
Grain fin
Graintrès fin
Importance de la taille de grain
Traitements thermiques - Transformations au chauffage
Conséquences de la taille de grain
Mouvement des dislocationsMicrostructure finePerlite lamellaire, martensite aciculaireCaractéristiques élevéesObstacles aux dislocations
Germination : grains fins ⇒Surface des joints de grains importanteForte densité de sites de germination
Concentration des éléments ségrégés :Joint de grain : zone de ségrégation préférentielle(X = P, S, Sn, At, …) Ces éléments restent sur placeau cours de la trempeGros Grains :• Surface des joints de grain faible• Forte concentration des éléments ségrégés• Facilite la décohésion des joints de grain• Favorise les ruptures fragiles intergranulaires
Traitements thermiques - Transformations au chauffage
Contrôle de la taille de grain
Choix de Ta et ta : le grossissement du grainausténitique est un phénomènethermiquement activé lié au paramètred’équivalence temps-températured'austénitisation. ΔHa est l'enthalpied'activation du grossissement du grainausténitique (aciers faiblement alliés ≈ 460kJ/mol)
Blocage des joints de grain : calmagePrécipitations de fines particules insolublesObstacles au mouvement des interfacesAlN, carbonitrures, carbures (V, Ti, Nb)
2-3. Chauffages avec maintien isotherme
Diagramme d’austénitisation IHT (Isothermal Heating Transformation)
En général, le traitement d’austénitisation comporte unchauffage pas très rapide jusqu’à une températuredéterminée suivi d’un maintien plus ou moins long à cettetempérature
Choix des conditions optimales (température et temps demaintien) permet d’assurer un bon compromis entreausténite homogène et grain austénitique suffisamment fin
Méthodes d’étude (analyse dilatométrique etmicrographique)
Acier eutectoïde
Diagramme IHTDébut et fin de disparition des constituantsTransformations se poursuivent au cours des maintienset se terminent pour des temps de séjour d’autant pluscourts que la température est élevée
Traitements thermiques - Transformations au chauffage
Apparition cristauxd’austénite
Disparition perlite
2-4. Mise en solution des précipités
Carbures
Importance de la structure initiale du matériau (martensite sans carbures, bainites supérieures et inférieures…)D’autres précipités
Mise en solution est influencée par :- la température,- la forme et les dimensions (aire de l’interfaceferrite-carbure) des carbures- la nature et la teneur des éléments d’alliages(tendance à donner des carbures, freiner lesinterfaces de transformation)
Traitements thermiques - Transformations au chauffage
Nitrures et carbonitrures
Le plus couramment utilisé pour le contrôle du grainausténitique est le nitrure d’aluminium, mais également lesnitrures et carbures de titaneTaille de grain est fonction des précipités et de la températurePrésence de nitrure de titane à coté du nitrure d ’aluminium setraduit par :- affinement supplémentaire- freinage important du grossissement aux hautes températures
30 mn de maintienAcier 1 : avec azote et aluminiumAcier 2 : avec azote, aluminium et titaneAcier 3 : sans élément dispersoïde
Acier 0.18%C, 1.30%Mn, 0.35%Si
3-1.1. Généralités sur les courbes TRC
3-1.2. Facteurs influençant les courbes TRC
3-1. Transformations en refroidissement continu
Traitements thermiques - Transformations de l’austénite
3- Transformations de l’austénite
Courbes dilatométriques lors de refroidissement
Ac1 Ac3
T
Δl Courbe 2
ag
b
c
d
e
f
Ar1 Ar3 Ta
Δl
T
Courbe 1
ag
b
c
d
ef
Ac1
MfAc3
TaMs
Le suivi de la dilatation d’échantillons permet de positionner lestempératures d’apparition des constituants formés le long de chaquecourbe de refroidissement
Ce ne sont pas des isothermes de transformation mais des points deTransformation pour chaque vitesse de Refroidissement Continu(TRC)
Trempabilité• Aptitude à se transformer parrefroidissement rapide enconstituants formés à bassetempérature (martensite et bainite)• Aptitude à éviter la formationF+carbures lors de refroidissementsde plus en plus lents.
Ms
T(°C)
t
AC3
AC1
M+A
A
A+F+C
A+F
1
2A+F+C
Traitements thermiques - Transformations de l’austénite
3-1.1. Généralités sur les courbes TRC
ΔV γ
P et α → γ
ΔV α
Refroidissement γMartensiteγ → P et α
Vitesses de refroidissement
Vitesses de refroidissement couramment adoptéespour l’établissement des courbes TRC
Traitements thermiques - Transformations de l’austénite
TRC
Diagramme TRC d’un acier au carbone
Faible trempabilité
Les chiffres sur le trait pointillé donne lepourcentage d’austénite transformée
Le crochet sur la courbe correspond à undégagement de chaleur (lors de latransformation) qui ralentit le refroidissement
TRC
Traitements thermiques - Transformations de l’austénite
Acier C55
Diagramme TRC d’un acier allié
Courbe 1Vitesse de refroidissement la plus faible permettant detransformer quasiment toute l’austénite en martensite
Courbe 4Vitesse de refroidissement la plus faible permettant detransformer toute l’austénite en bainite en évitant toutetransformation en ferrite et perlite
Courbe 8Vitesse de refroidissement la plus élevée permettant detransformer toute l’austénite en ferrite et perlite
Courbe 6- Entre 700 et 650°C, 25% d’austénite sont transformées enferrite, puis la transformation perlitique (10%) débute et sepoursuit jusqu’au domaine bainitique (60%)- Il faut noter l’existence d’une zone de métastabilité del’austénite comprise entre 360 et 250°C (enrichissement encarbone de cette dernière)- Abaissement du point Ms
TRC
Traitements thermiques - Transformations de l’austénite
Acier 40 Ni Cr 4
1
46 8
Composition chimique : carbone
3-1.2. Facteurs influençant les diagrammes TRC
Ac3 diminuent quand %C augmente - Ac1 reste constante - Ms diminuent quand %C augmenteTrempabilité augmente avec %C (600°C.s-1 pour 0.15%C à 100°C.s-1 pour 0.98%C)Absence ou faible étendu du domaine bainitique, conduisant à une évolution très brutale de la dureté (perlitepuis martensite)Recalescence dans le domaine de transformation perlitique
Traitements thermiques - Transformations de l’austénite
TRC
0,15%C
0,98%C
Eléments d’alliages
Tous augmentent latrempabilité
1er catégorie
2eme catégorie
Acier X10 Ni 50.10%C, 0.46%Mn, 5% Ni
Ni
Mn
Apparition d’undomaine bainitique
Disparition dudomaine perlitique
Apparition d’undomaine bainitique
Acier 45 Mn 50.47%C, 1.37%Mn
Acier C420.42%C, 0.72%Mn
Acier 42 Cr 40.44%C, 0.80%Mn, 0.96%Cr
Cr
Traitements thermiques - Transformations de l’austénite
TRC
Austénitisation
Ta = 850°Cmn
Ta = 1250°C15 mn
Acier 18 M 50.18%C, 1.30%Mn
Augmentation de Ta stabilisel’austénite ce qui pousse lacourbe vers la droiteFavorise la formation deconstituants de typeaciculairePlus le grain est gros, plus lasurface de germination parunité de volume est faible
Structure ferrite-perlite fine
Structure ferriteaciculaire etd’agrégatscarburés
TRC
Traitements thermiques - Transformations de l’austénite
50 µm
3-2. Transformations isothermes
3-2.1. Méthodes d’étude
3-2.2. Généralités sur les courbes TTT
3-2.3. Facteurs influençant les courbes TTT
3-2.4. Microstructures obtenues
Traitements thermiques - Transformations de l’austénite
Construction du diagramme TTT
3-2.2. Généralités sur les diagrammes TTT
Ms
T
t
AC3
AC1
Série de courbes dilatométriques aux températures de maintienisotherme inférieure à Ac3
On trace les courbes dites TTT représentant le déroulement dela transformation par trois lignes (début, moitié et fin)
Ac1, Ac3, Ms, Mf ne font pas partie des courbes puisqu’elles necorrespondent pas à des transformations isothermes, maiselles en définissent le cadre :- en haut, l’apparition de la ferrite proeutectoïde estasymptotique à Ac3, et la fin de cette transformation à Ac1-en bas, Ms mais également Mf par dilatométrie rapide etutilisation d’azote liquide.
Courbes évoluent notablement avec la composition chimiquedes aciers
Traitements thermiques - Transformations de l’austénite
TTT
Diagramme TTT d’un acier au carbone
Maintien à 600°C- après 3 s : apparition des premiers grains deferrite- après 5 s : apparition des premières plagescarburés (cémentite)- après 18 s : transformation d’austénitesupérieure à 50%- après 1mn : transformation terminée, dureté 22HRC
Lorsque la température décroît, le mode detransformation passe progressivement du typeperlitique (grains) au type bainitique (aiguilles)cependant que le le domaine de ferrite rétrécit
Entre 600°C et 400°C, les deux domainescoexistent
Dureté augmente quand la température décroît(bainite et martensite)
600°C
350°C
450°C
Traitements thermiques - Transformations de l’austénite
TTT
Acier C55
Diagramme TTT d’un acier au carbone
Isotherme à600°CPerliteFerrite
Martensite
Austénitisation à 900°C, 10 mn, maintien 20 s, trempe eau
Isotherme à450°C
BainitesupérieureMartensite
Isotherme à350°C
BainiteinférieureMartensite
Traitements thermiques - Transformations de l’austénite
TTT
40 µm
Acier C55
600°C
350°C
450°C
HRBHRC
Diagramme TTT d’un acier allié
Indications de l’acier au carbone reste valable mais en plus,séparation des domaines perlitique et bainitique (entre lesdeux, ferrite aciculaire)
Le diagramme est repoussé vers la droiteAusténite est stabilisée même après un maintien de 24 h
Grand nombre d’études dans la presse technique etégalement des recueils:’Courbes de transformation des aciers de fabricationfrançaise’, IRSID - 1953, 1956, 1960, 1974, 1982‘Atlas of isothermal transformation diagrams’, AmericanIron and Steel Institute, 1956‘Atlas zur Wärmebehanddlung der Stähle’, Verlag Stahleisenm.b.H Düsseldorf - 1954, 1956, 1958
Les résultats ainsi accumulés ont montré l’importance deplusieurs facteurs : - la composition chimique
- les conditions d’austénitisation- la grosseur des grains- la ségrégation- la pression
Traitements thermiques - Transformations de l’austénite
TTT
35 Ni Cr 6
Influence de la composition chimique
3-2.3. Facteurs influençant les diagrammes TTT
Carbone
Eléments d’alliages
Si C < 0.20%C, instabilité de l’austénite :tracé des courbes TTT difficileSi C < 0.77%C, courbe se déplace vers ladroite alors qu’au dessus, effet estnégligeableEffet du carbone faible par rapport àcelui des éléments d’alliages
Deux catégories (tendance ou pas àdonner des carbures) :- gammagènes (Ni, Mn, C…) : diminuentles T° Ac1, Ac3- alphagènes (Cr, Mo, V…) : augmententles T° Ac1, Ac3, deux nez (perlite etbainite), stabilité de l’austénite
Tous déplacent la courbe versla droite (sauf Co)
Traitements thermiques - Transformations de l’austénite
TTT
Acier C45 45 Cr 4
La ségrégation
Austénitisation
La pression
Ta = 850°C1 h
I : Ferrite granulaireII : Ferrite aciculaireIII : Plages carburées de type perlitiqueIV : Bainite
Acier C350.36%C, 0.66%Mn, 0.22%Cr
Augmentation de Ta stabilise l’austénite ce quipousse la courbe vers la droite
Favorise la ferrite aciculaire et la bainite
Ta = 1300°C30 mn
Irrégularités de répartition des éléments provoquentune variation de la cinétique de la transformationElargissement des domaines
Importance pratique très limitée
Augmentation de la pression poussela courbe vers la droite et vers le bas
Traitements thermiques - Transformations de l’austénite
TTT
hétérogénéité chimique dans un alliage solide, résultantdu processus de solidification dans les conditions dediffusion imparfaite
Acier au carbone
3-2.4. Microstructures obtenues
Ta = 1300°C - 30 mnIsotherme à 550°C - 15 sFerrite aciculaire (II) etagrégat perlitique (III) surfond de martensite
Traitements thermiques - Transformations de l’austénite
TTT
30 µm
Ta = 1300°C 30 mn
Acier C350.36%C, 0.66%Mn, 0.22%Cr
Ta = 1300°C - 30 mnIsotherme à 500°C - 1 mnFerrite aciculaire (II),bainite (IV) et agrégatperlitique (III) sur fond demartensite
Acier au carbone
3-2.4. Microstructures obtenues
Traitements thermiques - Transformations de l’austénite
TTT
Ta = 1200°C - 30 mnIsotherme à 700°C - 30 mnCémentite aciculaire et perlite sur fond de martensite
Acier XC 120
Martensite aciculaireFines macles dans une aiguilleForte densité de défauts qui lui confère unegrande dureté
30 µm 1.5 µm
Acier alliéAcier 42 Cr 4
0.44%C, 0.80%Mn, 0.46%Ni, 0.96%Cr
Ta = 850°C - 30 mn
Traitements thermiques - Transformations de l’austénite
TTT
Bainite supérieure (granulaire)
Agrégat de ferrite et de carbures enrobant des plagesd’austénite, non transformée
Bainite supérieure (aciculaire)Carbures qui précipitent dans lesaiguilles de ferrite, alignés dans la
direction de croissance de celles-ci
Bainite inférieure (aciculaire)
Carbures alignés à environ 60° sur ladirection de croissance de la ferrite
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