Notions de base
Aciers : Phases et Constituants
Choisir des caractéristiques mécaniques c’est choisir une structure micrographique donc des constituants micrographiques.
Les caractéristiques mécaniques des constituants micrographiques sont données par :
– La nature des phases,
– Leur pourcentage,
– Leur morphologie (sphères, lamelles)
Certaines phases se forment naturellement lors d’un refroidissement lent ce sont les phases d’équilibre. On peut prévoir leur composition et leur pourcentage grâce au diagramme d’équilibre.
D’autres phases ne peuvent se former que pour des vitesses de refroidissement plus élevées, ce sont des phases hors équilibre.
Il existe des vitesses critiques de refroidissement (VC) qui vont permettre d’obtenir des constituants d’équilibre ou des constituants hors équilibre.
Ces vitesses dépendent des matériaux.
Exemples :
Acier à 0.1% de carbone VC2 = 700 à 1000°C/s
Acier 35 NCD 16 VC2 = qq °C/mn
Phases et constituants à l’équilibre :
La ferrite ou fer α est une solution solide dont le réseau cristallin est cubique centré avec deux atomes de fer en (0,0,0) et (1/2,1/2,1/2) avec rfer=0.128 nm.
Le carbone (rc=0.077 nm) ne rentre pratiquement pas en solution dans le fer α, son rayon atomique étant supérieur à celui des sites d’insertion.
La solubilité du carbone dans la ferrite est donc faible avec un maximum de 0.021% à 727°C.
La micrographie ci-dessous présente la morphologie de la ferrite dans un acier à faible pourcentage de carbone à l’état recuit.
L’attaque au NITAL ne la colore pas mais révèle les joints de grain et les constituants différents.
Ferrite
La ferrite est relativement « douce » (HB80) et peu résistante (R=300N/mm²), elle est très ductile (A=35%) et très résiliente (KV < 30 Joules).
La ferrite a une masse volumique de 7.86 kg/dm3. Elle est ferromagnétique avec une température de Curie de 767°C.
L’austénite ou fer γ est une solution solide dont le réseau cristallin est cubique faces centrées avec 4 atomes de fer en (0, 0, 0)(1/2, 1/2, 0)(0, 1/2, 1/2)(1/2, 0, 1/2) avec rfer = 0.126 nm.
Le carbone se dissout plus facilement dans l’austénite que dans la ferrite car les sites intersticiels sont plus grands dans l’austénite.
La solubilité maximum est de 2.11% à 1148 °C.
Les caractéristiques de l’austénite sont les suivantes :
– Elle est très ductile (A = 60%)
– Elle est très résiliente (KV > 60 Joules)
– L’austénite est amagnétique
Par ailleurs de nombreux éléments peuvent rentrer en solution solide de substitution dans le réseau du fer et étendre le domaine d’existence en température de l’austénite: le Nickel, le manganèse, le cuivre par exemple.
Voici une micrographie de l’austénite :
Austenite
La cémentite est un carbure de fer dont la maille orthorhombique contient 12 atomes de fer et 4 atomes de carbone, ce qui donne la formule Fe3C.
Il s’agit du seul composé chimique défini du système Fer/Carbone.
Les caractéristiques mécaniques de la cémentite sont les suivantes :
– Elle est très dure : HB = 700 – 800.
– Elle est plutôt fragile
Par ailleurs, elle peut accepter des éléments en substitution du Fer. Ce sont en général des éléments carburigènes tels que le chrome.
La cémentite est ferromagnétique avec une température de Curie de 210 °C.
La perlite est un agrégat de ferrite α et de carbures (cémentite ou carbures plus ou moins complexes).
La morphologie de ces deux phases en présence dépend beaucoup de la vitesse de refroidissement.
Perlite lamellaire :
Pour des refroidissements lents après austénisation, on obtient un agrégat homogène de cémentite et de ferrite, se présentant sous forme de lamelles alternées. Ces lamelles peuvent être plus ou moins grossières ce qui conduit à faire des distinctions dans les perlites lamellaires : grossière, fine, …
La dureté Vickers dépend de la finesse des lamelles (HV=180-200).
Perlite Lamellaire
Perlite globulaire :
Pour des refroidissments excessivement lents (ou des recuits spéciaux), la cémentite ou les carbures spéciaux coalescent dans une matrice ferritique.
C’est à cet état que correspondent la résistance à la traction et la dureté les plus basses (HV=150 – 170). C’est aussi l’état le plus ductile et le plus malléable.
Perlite Globulaire
Perlite nodulaire ou troostite :
Il s’agit d’une perlite extrêmement fine (ou serrée) obtenue pour des vitesses de refroidissements très rapides.
Elle se présente « macroscopiquement » sous forme de nodules qui se développent à partir des joints de grains de l’austénite.
Ces nodules sont constitués par des lamelles ferrite-cémentite non séparables en microscopie optique (grossissement environ x1000).
Ils apparaissent en sombre après attaque au NITAL.
Perlite Nodulaire
Les caractéristiques mécaniques de la perlite nodulaire sont un peu plus élevées que celles de la perlite.
Ce constituant est un état intermédiaire entre l’état recuit et l’état trempé.
Ceci explique qu’il n’est en général pas recherché.
Phases et constituants hors équilibre :
Martensite Aciculaire
Martensite en lattes
Ce constituant n’est plus un produit de décomposition directe de l’austénite mais il correspond, en fait, à un stade de décomposition de la martensite (pour des températures comprises entre 400 et 600°C).
C’est un agrégat complexe de carbures finement répartis dans une matrice ferritique distordue.
Elle possède des propriétés mecaniques intéressantes : une dureté assez élevée (HV~ 300-400) pour une bonne résilience.
Il s’agit de l’un des états structuraux les plus utilisés industriellement.
Martensite Revenue
La bainite est un constituant de trempe qui apparait pour des vitesse de refroidissement inférieures à Vc2 ou lors de trempe étagée bainitique.
Les caractéristiques mécaniques associées à une microstructure bainitique approchent celles d’une structure martensitique.
Bainite Supérieure :
Formée à plus haute température (environ 500°C), elle est constituée de plaquettes de ferrite contenant des carbures orientés parallèlement à l’axe des plaquettes comme l’illustre la micrographie.
Bainite Supérieure
Bainite Inférieure :
Formée à plus basse température (au dessus de Ms), elle ressemble beaucoup à la martensite. Elle s’assimile à des plaquettes de ferrite contenant une fine dispersion de carbures. Ces carbures ne sont discernables qu’en microscopie électronique.
Bainite Inférieure
Bainite Moyenne :
La bainite moyenne présente une microstructure intermédiaire aux deux précédentes. Notons que selon le mode de refroidissement, les trois sortes peuvent coéxister.
