2-1. Transformations au cours de chauffages lents 2-2 ...arthur.boivin.free.fr/Thuysses/MAT/Poly Cours/2_Masse_TTTTRC.pdf · 2-3. Chauffages avec maintien isotherme Diagramme d’austénitisation

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


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


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


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


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)


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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)


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


TTT

hétérogénéité chimique dans un alliage solide, résultantdu processus de solidification dans les conditions dediffusion imparfaite

Acier au carbone


Ta = 1300°C - 30 mnIsotherme à 550°C - 15 sFerrite aciculaire (II) etagrégat perlitique (III) surfond de martensite


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



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


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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