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8/3/2019 49052530 Science Des Materiaux
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COURS DE SCIENCE DES
MATRIAUX
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Avant propos
Ce cours a t ralis pour servir de support aux tudiants de lISSAT.So. Il ne prtend
en aucun cas regrouper toute la science des matriaux, mais se place plutt comme un
document permettant une initiation cette science en prsentant quelques unes de ses
multiples facettes.
Sont laboration est le fruit des cours prodigus avant mon intgration cet institut et
de diverses sources documentaires, dont certaines nont pas t cites et que jai eu la
chance de consulter durant mon expriences en France.
Bonne lecture Iheb CHAIEB
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SOMMAIRE
Chp I. Caractristiques et proprits des matriaux ................................................................................................51 Type de liaisons................................................................................................................................................6
1.1 Liaisons covalentes....................................................................................................................................61.2 Liaison ionique ..........................................................................................................................................61.3 Liaison mtallique .....................................................................................................................................71.4 Liaison mixte .............................................................................................................................................71.5 Liaison de faible intensit ..........................................................................................................................8
2 Diffrents types de matriaux ...........................................................................................................................82.1 Les mtaux ................................................................................................................................................ 82.2 Les cramiques ..........................................................................................................................................82.3 Les polymres organiques .........................................................................................................................8
Chp II. LArchitecture atomique .............................................................................................................................91 tats et structures de la matire...................................................................................................................... 102 Notions de cristallographie .............................................................................................................................11
2.1 Systmes et rseaux cristallins ................................................................................................................ 11
2.2 Dfinitions :............................................................................................................................................. 112.3 Structure des solides liaison mtallique................................................................................................122.4 Transformations allotropiques.................................................................................................................132.5 Sites dans les rseaux cristallins..............................................................................................................13
Chp III. Les Mlanges et leur comportement ........................................................................................................ 141 Dfinitions ...................................................................................................................................................... 152 Diagrammes dquilibre binaires ................................................................................................................... 15
2.1 Miscibilit totale ltat solide ............................................................................................................... 152.2 Rgles de miscibilit ............................................................................................................................... 172.3 Miscibilit partielle ltat solide ........................................................................................................... 172.4 Domaines triphass (v = 0) ......................................................................................................................18
2.5 Composs chimiquement dfinis ............................................................................................................. 193 tude du diagramme binaire fer carbone....................................................................................................... 19Chp IV. Caractristiques mcaniques des matriaux ............................................................................................ 22
1 Proprits mcaniques des matriaux .............................................................................................................231.1 Comportement lastique des matriaux .................................................................................................. 231.2 Comportement plastique .......................................................................................................................... 23
2 Essai de traction .............................................................................................................................................. 242.1 Re, Rm, Re0.2 ........................................................................................................................................ 242.2 Courbe relle ou rationnelle .................................................................................................................... 252.3 Palier de limite lastique ......................................................................................................................... 252.4 Influence de la temprature sur Re et Rm ............................................................................................... 25
2.5 Autres caractristiques mcaniques : A, E, G, ..................................................................................... 262.6 La rsilience ............................................................................................................................................ 27
3 Essai de duret ................................................................................................................................................283.1 Dfinition de la duret ............................................................................................................................. 283.2 Techniques de mesure de duret ............................................................................................................. 283.3 Essai de duret VICKERS (NF EN ISO 6507-1, NF A 03-253) ............................................................ 293.4 Essai de duret BRINELL (NF EN 10003-1 3) ....................................................................................303.5 Essai de duret ROCKWELL (NF EN 10109-1 3) .............................................................................. 31
Chp V. Traitements thermiques des aciers ............................................................................................................ 331 Recuits et traitements connexes ..................................................................................................................... 35
1.1 Objectifs et principes ...............................................................................................................................351.2 Divers type de traitement ........................................................................................................................ 351.3 La trempe ................................................................................................................................................. 381.4 Transformations isothermes de laustnite .............................................................................................. 39
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1.5 Transformations anisothermes de laustnite.......................................................................................... 461.6 Trempabilit ............................................................................................................................................ 481.7 Traitement des pices .............................................................................................................................. 52
2 Revenu aprs durcissement par trempe .......................................................................................................... 542.1 Objectifs et principe du revenu ............................................................................................................... 542.2 Transformations mtallurgiques ..............................................................................................................552.3 Transformation de la martensite .............................................................................................................. 55
Chp VI. laboration des mtaux ............................................................................................................................ 561 Elaboration de la fonte et de lacier ................................................................................................................58
1.1 Elaboration de la fonte ............................................................................................................................ 581.2 Elaboration de lacier.............................................................................................................................. 591.3 Coule de lacier ......................................................................................................................................621.4 Mise en forme de lacier ..........................................................................................................................62
2 Elaboration de laluminium ............................................................................................................................642.1 Minerai .................................................................................................................................................... 642.2 Fabrication de lalumine ..........................................................................................................................642.3 Fabrication de laluminium ..................................................................................................................... 65
2.4 Conclusion ...............................................................................................................................................66Chp VII. Dsignation des mtaux ......................................................................................................................... 671 Dsignation des acier et fontes....................................................................................................................... 68
1.1 Dsignation des aciers ............................................................................................................................. 681.2 Dsignation symbolique des fontes (NF EN 1560) .................................................................................69
2 Dsignation des mtaux non ferreux .............................................................................................................. 702.1 Laluminium et alliages daluminium ..................................................................................................... 702.2 Cuivre et alliages de cuivre ..................................................................................................................... 702.3 Nickel et alliages de nickel......................................................................................................................712.4 Alliages de zinc et de magnsium ........................................................................................................... 71
iv
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CHP I. CARACTRISTIQUESET PROPRITS DESMATRIAUX
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Chapitre I caractristiques et proprits des matriaux Cours science des matriaux
Introduction.Les matriaux utiliss par lhomme peuvent tre classe dans trois grands groupes :
Les mtaux ;
Les cramiques ;
Les polymres organiques.
Cette classification est base principalement sur les caractristiques atomiques des lments constitutifs. Les
proprits des matriaux sont en grande partie dterminer par la nature des liaisons chimiques entre les atomes.
1 Type de liaisons.
1.1 Liaisons covalentes.
La liaison covalente intervient entre deux atomes qui se partagent un ou plusieurs doublets dlectrons afin
de complter leurs couches lectroniques extrieures.Exemple : Cl + Cl Cl2 le chlore 17 lectrons
Pour cette liaison, chaque atome met son lectron libre en commun avec lautre atome. Ce partage permet de
complter la couche extrieure de chacun des atomes huit (saturation).
1.2 Liaison ionique
Comme la liaison covalente la liaison ionique est une liaison forte, puisquune fois lis les atomes ont une
couche lectronique extrieur sature. En se liant par des liaisons ioniques, les atomes perdent ou gagnent un ou
plusieurs lectrons et deviennent ainsi des ions positifs ou ngatifs.
Exemple : la liaison Li (lithium) + F (Fluor) (Li F)
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(Li+) (F-)
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Chapitre I caractristiques et proprits des matriaux Cours science des matriaux
1.3 Liaison mtallique
La liaison mtallique se caractrise par la mise en commun des lectrons de liaison qui ne sont plus localiss
entre atomes (covalente) ou sur un ion (liaison ionique), mais qui sont rpartis dans lensemble du rseau
dions.
Exemple :
Prenons lexemple du sodium (Na) qui possde 11 lectrons, dont un lectron de valence. Pour avoir une
couche lectronique extrieure complte, chaque atome perd son lectron de valence : en effet, aucun deux
nas la possibilit de cder ou de partager cet lectron avec lun de ses voisin. Il en rsulte la mise en commun
de tous les lectrons de valence, si bien que le cristal de sodium mtallique peut tre schmatis comme suite :
1.4 Liaison mixte
Toute liaison htro-polaire prsente un caractre mixte ionique covalent.
Exemples :
La liaison HCl se fait par la mise en commun de 2 lectrons ; ce qui reprsente une liaison covalente
La liaison HCl 2 ples positif et ngatif cest comme si lon a plac 2 ions positif et ngatif pour former
cette molcule ; ce qui reprsente une liaison ionique.
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+ + + +Fr
Fa
Fa
Fa
Fa
Fa
Fr
Fr
Fa
Fa
Fa
Fa
: attraction entre Na+ et lectron
Fr
: rpulsion entre deux Na+
+ + + +F
r
Fa
Fa
Fa
Fa
Fa
Fr
Fr
Fa
Fa
Fa
Ionpositif
+ + + +F
r
Fa
Fa
Fa
Fa
Fa
Fr
Fr
Fa
Fa
Fa
lectron
HCl = H :Cl
Cl2
= Cl : Cl
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Chapitre I caractristiques et proprits des matriaux Cours science des matriaux
La liaison HCl est donc une liaison ionique covalente donc mixte.
1.5 Liaison de faible intensit
Dans beaucoup de molcules liaison covalente, le centre des charges positives nest pas confondu avec
celui des charges ngatives, ce qui donne lieu la formation dun diple lectrique.
La liaison de Van Der Waals stablit ltat solide entre les molcules ainsi polarises. Elle est donc due
lattraction entre ces ples. Cest une liaison de faible intensit, rompue facilement par une augmentation de
temprature.
2 Diffrents types de matriaux
2.1 Les mtaux
Les lments mtalliques reprsentent presque de tous les lments connus. La caractristique commune
des mtaux est leur faible nergie de dionisation (nergie requise pour sparer un lectron du latome). Tenantcompte de se paramtre les mtaux se prsentent sous la forme dune structure dions positifs noy dans un
nuage dlectrons mobiles. La liaison mtallique est une liaison forte qui agit de manire identique dans toutes
les directions.
2.2 Les cramiques
Les cramiques sont des matriaux inorganiques rsultant de la combinaison de certains lments
mtalliques (Mg, Al, Fe) ou semi-mtalliques (Si) avec des lments non mtalliques dont le plus courant est
loxygne. Les cramiques sont de nature chimique trs varie. Elle sont caractrises par la prsence deliaisons fortes : covalente et ionique. Parmi les cramiques nous trouvons les roches naturelles et synthtiques
(bton), la porcelaine.
2.3 Les polymres organiques
Les polymres sont des matriaux composs de molcule contenant surtout du carbone et de lhydrogne.
Les lments tel que lazote, le chlore, le fluor et le soufre peuvent tre prsents. Dans un corps organique nous
pouvons distinguer deux types de liaisons : les liaisons intramolculaire et les liaisons intermolculaires. Les
liaisons intramolculaires sont celles qui lient les atomes en molcules elles sont exclusivement covalentes. Les
liaisons intermolculaires sont des liaisons qui lient les molcules entre-elles. Elle sont gnralement de faible
intensit (Van Der Waals).
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CHP II.LARCHITECTUREATOMIQUE
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Chapitre II larchitecture atomique Cours science des matriaux
IntroductionNous avons vu au chapitre prcdent que les proprits des matriaux dpendent de la nature des liaisons qui
existent entre les atomes. Nous allons maintenant voir que les proprits et le comportement dun matriau
dpendent galement de son architecture atomique. On appelle architecture atomique le mode de rpartition des
atomes dans un corps et les relations gomtriques existant entre toutes les positions des atomes.
1 tats et structures de la matire.Les tats physiques de la matire sont une illustration parfaite des diffrents niveaux dordre. En effet plus
lagitation thermique est importante plus les particules lmentaires ont la possibilit de se mouvoir
indpendamment des autres, cet tat est perceptible pour les gaz. Un abaissement de temprature aura pour effet
de rduire lagitation thermique, ce qui conduit rduire la mobilit des particules lmentaires. Cest ainsi que
nous obtenons ltat liquide. Finalement, une forte diminution de lagitation thermique conduit une
solidification de la matire en permettant aux liaisons inter-atomiques de se manifester. Cette solidification peut
conduire deux morphologies diffrentes :
Solides amorphes : cest le cas de la majorit des matires plastiques (PE, PVC, ) et des cramiques
vitreuses (verre ordinaire, pyrex, ). Dans une structure amorphe aucun ordre nexiste entre les positions des
diffrents atomes.
Solides cristallins : cest le cas des cramiques cristallises (alumine, diamant, ) et des mtaux (Fer,
aluminium, ). Un solide cristallin est lassociation dune multitude de grains microscopiques et parfois
millimtriques. En fait, ces grains sont des monocristaux qui dun point de vue gomtrique reprsentent des
ensembles dions rgulirement rpartis dans lespace. Dans un solide cristallin, chaque ion occupe une position
bien dfinie dans lespace, non seulement par rapport ses voisins mais galement par rapport tous les autres
atomes, quelque soit la distance qui les spare. Chaque atome donc un environnement tout fait identique
celui des autres (ordre longue distance).
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Chapitre II larchitecture atomique Cours science des matriaux
2 Notions de cristallographieQue donne l'observation dun solide cristallis ?
Observation au microscope optique grains et joints de grains ;
Observation aux rayons X assemblage d'atomes ordonns capables de diffracter les RX ;
Observation au microscope lectronique transmission ranges d'atomes.
2.1 Systmes et rseaux cristallins
Toute matire cristallise se manifeste par la priodicit dun motif de base dit maille lmentaire. Il existe 7
systmes cristallins qui se ramifient en 14 rseaux de mailles lmentaires dont la priodicit reconstitue
nimporte quel monocristal. Ces mailles ont pour noms rseaux de Bravais (voirTableau 1). Pour dcrire
commodment cet arrangement, on dfinit un rseau cristallin par un ensemble de nuds obtenus partir dune
maille lmentaire qui fixe la priodicit tridimensionnelle de rpartition de la maille lmentaire.
2.2 Dfinitions :
Nud : un nud est sommet dfinissant la maille lmentaire, il reprsente soit un ion soit une molcule ;
Maille lmentaire : elle est dfinie par 3 vecteurs, non coplanaires, (a, b et c) formant entre eux les angles ,
et . Aprs avoir choisi une origine des axes, ces vecteurs sont les vecteurs de base sur ox, oy, oz. Ce sont les
paramtres du rseau. La position de nimporte quel nud du rseau est donne par le vecteur
3r = u.a + v.b + w.c tq (u, v, w)
Paramtres de maille : cest les dimensions de la maille lmentaire ;
Motif lmentaire : cest le nombre dions contenus dans la maille lmentaire ;
Nombre de coordination (Coordinance) : cest le nombre des plus proches voisins ;Compacit : cest le rapport du volume occup par la matire celui de la maille lmentaire.
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Chapitre II larchitecture atomique Cours science des matriaux
Tableau 1 : Les 14 Rseaux de Bravais
Systmecristallin
simple (P) centr (I) 2 faces
centres (C) faces
centres (F)
structurerhombodrique
(R)
Cubique
hexagonal
ttragonal(quadratique)
trigonal(rhombodrique)
orthorhombique
monoclinique
triclinique
2.3 Structure des solides liaison mtallique.
Les liaisons mtalliques ne sont pas des liaisons directionnelles, les atomes ont tendance sentourer dun
grand nombre de voisins. Ils ont aussi tendance former des ensembles relativement compacts avec des liaisons
courtes est fortes, ce qui explique la densit leve des mtaux.
Les trois structures cristallines les plus frquentes dans les mtaux sont le cubique faces centres (C.F.C)
cubique centr (C.C) et lhexagonal compact (H.C).
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Chapitre II larchitecture atomique Cours science des matriaux
2.4 Transformations allotropiques.
Certains mtaux prsentent diffrentes structures en fonction de la temprature. Ainsi le fer passe dune
structure C.C une structure C.F.C 914 C pour redevenir C.C 1391 C. De mme pour le titane qui passe
de H.C C.C 882 C. Ces transformations porte le nom de transformations allotropiques.
2.5 Sites dans les rseaux cristallins.
Dans un rseau cristallin, on appel sites (interstitiels) les espaces libres laisss entres les atomes du rseau.
Un site est un polydre dont chacun des sommets correspond au centre des atomes qui lentourent. Dans un
rseau cubique simple, on a un site cubique (au centre du cube) dont les sommet sont les nuds de la maille
lmentaire. Dans les rseau cubique centrs (C.C) et cubiques faces centres (C.F.C), il existe deux type de
sites : les sites octadriques (8 faces) et les sites ttradriques (4 faces) comme le monter la figure qui suit. Ces
sites sont au centre dun octadre ou dun ttradre dont les sommets sont occups par les nuds du rseau. Ces
sites sont gnralement occups par des atomes trangers plus petit que ceux formant le rseau. Cest le cas du
carbone dans les aciers.
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CHP III.LES MLANGES ETLEUR COMPORTEMENT
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Chapitre III les mlanges et leur comportement Cours science des matriaux
IntroductionLes matriaux utiliss sont rarement purs ou des mlanges parfaitement homognes, mais le plus souvent
sous forme dalliages. Les tats dquilibre thermodynamique des alliages sont dfinis par les diagrammes de
phases lquilibre. Bien que ces tats soient rarement atteints dans les matriaux rels, ils correspondent des
tats de rfrences vers lesquels les systmes ont tendance voluer. Dans ce chapitre nous nous attacherons
tudier les rgles qui rgissent les quilibres entre composants et les quilibres entre entres phases.
1 DfinitionsLes alliages mtalliques sont des systmes mono ou polyphass ayant des proprits gnrales similaires
celles des mtaux purs. Ils comprennent 2, 3, , n lments mtalliques ou non mtalliques. Ils peuvent tre
tudis en tant que systmes physiques dont la variance est donne par la relation de Gibbs :
v = n + 1 - p
O p reprsente le nombre de phases.
En effet les facteurs de lquilibre sont la composition chimique des phases en prsence et la temprature. La
pression a peu dinfluence. Elle est suppose constante et gale 1 atm.
Nous nous intressons uniquement aux alliages binaires (n = 2) et donc v = 3 p.
2 Diagrammes dquilibre binairesPour un systme binaire (n = 2), un diagramme dquilibre permet de reprsenter les domaines de stabilit
des phases et les conditions dquilibre entre plusieurs phases en fonction de deux variables, la temprature et lacomposition C.
2.1 Miscibilit totale ltat solide
La figure ci-dessous reprsente le diagramme dquilibre de deux composants A et B qui ont la particularit
dtre miscibles en toute proportion ltat solide.
Avant daborder lanalyse des diagrammes de phases il est important de comprendre leur lecteur.
La composition chimique globale est dfinie par la teneur en chaque lment. Elle sexprime en pourcentage
massique ou en pourcentage atomique dun des lments. Elle est reprsente sur laxe des abscisses desdiagrammes de phases. Aussi, la temprature est reprsente sur laxe des ordonnes des diagrammes des
phases. La composition chimique globale C dun alliage A-B tant constante elle est reprsente par une
verticale. Les verticales passant par les extrmits de laxe des abscisses reprsentent les tats des corps purs
(n = 1). Au-dessus de la temprature (Tf)A, temprature de fusion du corps pur A, on a une phase liquide ; une
temprature infrieure (Tf)A le corps A est entirement solide. Dans ce cas daprs la rgle des phases, les
deux phases solide est liquide ne peuvent coexister qu une temprature fixe (Tf)A (n = 1, p = 2 v = 0). Ce
raisonnement sapplique aux deux verticales (100 % A & 0 % B) et (0 % A & 100 % B) la temprature defusion de ce dernier est (Tf)B.
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Chapitre III les mlanges et leur comportement Cours science des matriaux
Dans son ensemble, le diagramme dquilibre comporte deux lignes : le liquidus et le solidus. Au-dessus du
liquidus, tous les mlanges de A et B sont ltat liquide. Sous le solidus, les mlanges sont ltat solide ; les
composants A et B sont miscibles, en toute proportion, ltat solide. Entre le liquidus et le solidus, les deux
phases liquide et solide coexistent. A lquilibre les deux phases peuvent coexister (n = 2, p = 2 v = 1). Si la
temprature est choisie arbitrairement (entre TL et TS, tempratures du liquidus et du solidus), la composition
des phases en prsence devient fixe. Ainsi une temprature Ti, dans le domaine biphas L + S, les
compositions de la phase solide et de la phase liquide sont donnes par CS et CL respectivement. A cette
temprature tous les mlanges dont la composition CB est infrieure CS sont ltat solide, et tous les
mlanges dont la composition CB et suprieure CL sont ltat liquide. Si la composition du mlange est priseentre CS et CL, on est en prsence dun systme deux phases en quilibre.
2.1.1 Solidification lquilibre dune solution miscibilit totale
Considrons toujours le systme binaire A-B et examinons ce qui se produit au cours du refroidissement
dun mlange entirement liquide de composition C0.
Daprs le diagramme si le mlange de composition C0 est entirement liquide sa temprature doit tre
suprieure TL du liquidus pour la composition C0. Quand la temprature atteint TL le mlange commence
entrer dans le domaine biphas L + S. La composition du premier solide cette temprature est (CS)1, et la
composition du liquide en quilibre avec ce solide est C0.
La solidification du mlange se poursuit entre les tempratures TL et TS. Cet intervalle de temprature
[TL, TS] sappelle intervalle de solidification. Quand lensemble du mlange presque entirement solidifi (
une temprature lgrement suprieure TS), la composition du solide est C0 alors que celle du liquide restant
est (CL)1. On constate quau cours de la solidification la composition du solide varie continuellement de (CS)1
C0 alors que celle du liquide varie de C0 (CL)1. Une fois la solidification termine, une temprature infrieure
TS, le mlange se retrouve avec une composition uniforme C0.
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(TF)
A
(TF)
B
TL
TS
Ti
C0
(CS)
1C
LC
S(C
L)
1
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Chapitre III les mlanges et leur comportement Cours science des matriaux
2.1.2 Proportion des phases en prsence
En complment aux phases et leurs compositions, il est possible dobtenir des informations supplmentaires,
telles que leurs proportions. En effet, les compositions du mlange ainsi que celles des phases constitutives,
permettent, toute temprature, par un calcul simple de remonter aux proportions des phases dans le mlange.
Reprenons lexemple prcdent, avec un mlange A-B de composition C0. A la temprature Ti, lacomposition de la phase solide est CS et celle de la phase liquide est CL.
Soit fS et fL les proportions respectives des phases solide et liquide. La conservation de la masse nous impose
que fS + fL = 1 et que fS . CS + fL . CL = C0
Ce qui nous permet dcrireL 0
S
L S
C - Cf =
C - Cet
0 SL
L S
C - Cf =
C - C
Ces relations sont valables pour tous les domaines biphass des diagrammes binaires : cest la rgle des
segments inverses.
2.2 Rgles de miscibilit
En gnrale, pour que deux lments A et B soient totalement miscibles ltat solide, quatre conditions
sont remplir :
Lcart entre les diamtres atomiques des lments ne doit pas dpasser 15 % ;
Les deux lments doivent avoir la mme structure cristalline ;
Les deux lments doivent avoir les mmes valences ;
Les lectrongativits des deux lments doivent tre semblables.Un cart sur lune de ces conditions conduit une miscibilit partielle ltat solide ou des composs
intermdiaires.
2.3 Miscibilit partielle ltat solide
Soit le diagramme fictif ci-dessous, il prsente des domaines monophass, des domaines biphass et
triphass en accord avec la variance v = 3 p.
Les lments A et B prsentent, chacun, deux formes cristallines (A et A) et (B et B). Le diagramme
prsente sept phases diffrentes :
l : phase liquide ;
: solution solide primaire de B dans A ;
: solution solide primaire de B dans A ;
: solution solide primaire de A dans B ;
: solution solide primaire de A dans B ;
: solution solide intermdiaire ;
AmBn : compos dfini.
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Chapitre III les mlanges et leur comportement Cours science des matriauxLes domaines monophass, auxquels il faut ajouter la verticale du compos AmBn, sont hachurs. Tous les
autres domaines sont biphass, mis part les horizontales sur lesquelles trois phases sont en quilibre.
La courbe au dessus de laquelle le systme est ltat liquide est le liquidus.
2.4 Domaines triphass (v = 0)
Le systme na aucun degr de libert. A une temprature bien prcise, trois phases de compositions
dtermines sont en quilibre isotherme : 2(x2) 1(x1) + 3(x3)
Lquilibre volue dans un sens ou dans lautre selon que le systme reoit ou fournit de la chaleur. Cette
volution se fait temprature constante tant que les trois phases sont prsentent.
Il existe trois transformations isothermes principales rencontres dans les diagrammes de phases usuels que
nous prsentons dans la figure qui suit :
Sur cette figure on peut remarquer que :
Tout domaine triphas est adjacent trois domaines biphass distincts ;
Chaque fois quune phase liquide intervient le nom se termine par ique
Chaque fois que la transformation se fait uniquement entre phases solides, la terminaison est ode .
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Chapitre III les mlanges et leur comportement Cours science des matriaux2.5 Composs chimiquement dfinis
Les composs chimiquement dfinis sont des produits issus dune association particulire des composants du
mlange. Leur composition chimique est unique comme pour le Fe3C (cmentite). La dtermination de leur
formule brute est aise partir des diagrammes binaires (en % atomique). En ce qui concerne les diagrammes
avec en abscisse le pourcentage massique, il suffit de convertir les valeur en pourcentage atomique en saidant
des masses molaires des diffrents constituants.
a ba b t
t t a ba b
a b a ba b t
t t
a b
t t
aa a
a b b at
a ba b
b
a bt
b a
m mm +m = m ( ) + ( ) = 1
m m m m= n et = n
n n M Mn + n = n ( ) + ( ) = 1
n n
m m% massique a = % et % massique b =
m m
mn M 1% atomique a = = =
m m m Mn + 1+M M m M
n 1et % atomique b = =
m Mn 1+m M
Ex : nous avons un compos chimiquement dfini 6,66 % C (en masse). Le % atomique correspondant sera
1% atomique de C = 24.9% 25%93.33%12
1+6.66%55.8
= ;dans ce cas nous avons 25 % atomique de C, cest--dire
pour cent atomes nous avons 25 atomes de C et 75 atomes de Fe. Ce qui fait 3 atomes de Fe pour un atome de
C. La formule brute sera donc Fe3C.
Cette dmarche sapplique tous les CCD.
3 tude du diagramme binaire fer carbone.
Rappels : Acier : alliage Fe-C dont la teneur en C est < 2 % (en masse).
Fonte : alliage Fe-C dont la teneur en C est comprise entre 2 et 6,66 % (en masse)
Remarque : si C = 6,66 % (en masse), on a alors de la Cmentite (Fe3C)
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Chapitre III les mlanges et leur comportement Cours science des matriaux
Analyse du diagramme.
Daprs le diagramme nous notons que : La structure du fer change avec la temprature. A 20 C, la structure est cubique centre CC (Fer ) a partir de
912 C apparat la structure cubique faces centres CFC (Fer ). Cette forme est stable jusqu 1394 C o
le fer redevient structure cubique centre (Fer ) jusqu la fusion 1538 C.
La solubilit varie avec la temprature et elle est partielle. Les atomes de carbone peuvent entrer dans les
espaces libres (interstices) entre les atomes de fer CFC.
La solution solide de carbone dans le fer sappelle austnite.
La solution solide de carbone dans le fer sappelle ferrite (le carbone est trs peu soluble dans le fer ).Du fait des variations de solubilit du carbone, ce dernier est mis en solution dans le fer , puis il se trouve
rejet sous forme dun prcipit Fe3C, ou cmentite lors du refroidissement. Lalliage Fe-C est durci par ces
carbures. Cette prcipitation dpend de la temprature et du temps. Le diagramme dquilibre prsente deux
domaines, Fer + Fer et Fer + Fe3C qui ont en commun un point correspondant 727 C et 0,77 % de C (en
masse) ; un tel alliage subit 727 C une transformation eutectode Fe Fe + Fe3C
Les grains de ferrite et cmentite qui se transforment sont petit et troitement lis ; ils constituent un agrgat
eutectode appel perlite.Les conditions dans les quelles laustnite se transforme en ferrite sont trs importantes pour lobtention des
caractristiques mcaniques des alliages.
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Chapitre III les mlanges et leur comportement Cours science des matriaux 727 C, si la teneur de lalliage Fe-C est infrieure 0,77 % en carbone, laustnite qui reste se transforme
en perlite. A 20 C, lalliage est constitue de ferrite et de perlite.
Ses proprits sont intermdiaires entre : la faible rsistance du au gros grains de ferrite et la rsistance plus
leve de la perlite.
Si la teneur de carbone est au-del de 0,77 %, lalliage temprature ambiante est constitu de ferrite et de
cmentite et ventuellement de perlite et de graphite : ses proprits sont celle de la perlite fragilise par les
carbures.
Les lments dalliage modifient les conditions dquilibre et les tats dquilibre. Ils peuvent modifier la
temprature dapparition de la perlite et lon distingue :
Les lments gammagnes qui abaissent cette temprature (Ni, Mg).
Les lments alphagnes qui llvent (Cr, Si, W, Ti, Mo).
Ils peuvent modifier la composition de la perlite par formation de carbures :
En se substituant une partie de fer de la cmentite (Mn, Cr, Mo).
En formant leurs propres carbures (Ti, Nb, V) ou des carbures dans lesquels le fer peut partiellement se
substituer ces composants (Cr, Mo, W).
Au niveau du point eutectique (4,3 % C 1147 C) nous avons lapparition de la ldburite qui est un
mlange de Fe et de Fe3C. Il sagit dune dispersion dlots de dans une matrice de Fe3C. Avec le
refroidissement les lots austnitiques se transforment en perlite et cmentite.
Lors du refroidissement dans les conditions industrielles, qui sont hors quilibre, car il est trop rapide, le
droulement de ces transformations est perturb et peut mme tre impossible.
On utilise alors un diagramme de refroidissement ou de transformation en continu (dit diagramme TRC) qui
dcrit les transformations effectues dans ces conditions.
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CHP IV.CARACTRISTIQUESMCANIQUES DESMATRIAUX
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Chapitre IV Caractristiques mcaniques des matriaux Cours science des matriaux
IntroductionLe bureau dtude de mcanique est confront au problme du choix des matriaux dans le respect des
contraintes imposes par le cahier des charges.
Lobjectif de ces pages est de faciliter ce choix et les calculs de prdtermination pour les matriaux courant
donnant les caractristiques physiques et mcaniques (E, , Re, A%, ).
Les explications, les dfinitions et rappels, ont pour but de permettre une meilleure comprhension des
phnomnes et des incertitudes lies aux valeurs donnes. En effet, les caractristiques dpendent de la nature
du matriau (mtal, polymre, composite, cramique, ), de sa composition et de sa structure. La structure
microscopique est lie aux conditions dlaboration et aux traitements thermomcaniques effectus lors de la
fabrication.
1 Proprits mcaniques des matriauxLe comportement dun mtal est fonction des forces extrieures appliques et traduit les volutions de la
cohsion de ldifice cristallin. Pour les mtaux, les forces qui assurent cette cohsion rsultent de lionisation
des atomes du mtal qui perdent des lectrons de valence et circulent entre les ions.
Les proprits mcaniques dpendent de la temprature dutilisation, ltat de surface, des conditions
dapplication des efforts, de la vitesse de dformation
Elles sont dtermines, avec un certain intervalle de prcision, au moyen dessais normaliss.
1.1 Comportement lastique des matriauxIl correspond de petits dplacements rversibles des atomes autour de leur position dquilibre dans le
rseau cristallin. Sous laction dune force, les atomes scartent. Une raction due aux forces de liaison tendant
les rapprocher provoque la raction.
Pour les matriaux mtalliques et polymres non tirs et non renforcs, les caractristiques sont
indpendantes de la direction et le comportement lastique est linaire.
Ce nest le cas des composites ou certains polymres pour lesquels le module dYoung varie avec
lamplitude de la dformation du fait de lorientation des chanes macromolculaires : se comportement
correspond des lois dlasticit non linaire.
1.2 Comportement plastique
Lorsque la limite dlasticit est dpasse, les atomes du rseau cristallin ont chang de place sous laction
dun effort de cisaillement. La prise en compte des dfauts du cristal, notamment des dislocations, est
indispensable pour comprendre le comportement plastique.
Lorsquune dformation plastique est provoque, on constate que la rsistance la dformation augmente
car : Les dislocations interagissent entre elles
De nouvelles dislocations prennent naissance, venant augmenter les interactionsDpartement du Gnie Mcanique Page 23 sur 72 ISSAT.So
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Chapitre IV Caractristiques mcaniques des matriaux Cours science des matriauxCette augmentation de la rsistance la dformation plastique est lcrouissage.
Si on relche leffort qui a provoqu la plasticit, on constate un retour lastique : le domaine lastique
stend jusqu la contrainte qui tait applique prcdemment, ce qui par une augmentation de la limite
dlasticit.
Ce phnomne est limit par lapparition de microcavits qui provoquent une diminution de la section
rsistante et conduisent la rupture ductile.
2 Essai de tractionIl consiste imposer un allongement une prouvette de section initiale S0 et de longueur initiale l0. La
courbe type obtenue pour un matriau ductile est la suivante :
Figure 1 : courbe de traction conventionnelle
La droite OE correspond la dformation lastique rversible.
La courbe ES est le domaine de dformation plastique homogne : si on supprime la force de traction, il y a
un retour lastique suivant une parallle OE et il reste une dformation permanente.
Pour SR, la force ncessaire pour dformer le matriau diminue alors que lallongement continue
daugmenter : cest linstabilit plastique. La striction apparat. En R il y a rupture de lprouvette.
La contrainte reprsente dans la courbe conventionnelle est issue du rapport de la force applique la
section initiale. Concernant lallongement relatif il est calcul par le rapport0
0
l - l100
l.
2.1 Re, Rm, Re0.2
Re (MPa) est la limite dlasticit. Elle est bien marque pour les matriaux ductiles. Re correspond au seuil
dcoulement plastique.
Rm (MPa) est la rsistance limite la traction. Cette valeur est utilise pour estimer la limite dendurance
la fatigue.
Re est atteint quand on observe la premire chute de leffort lors de lessai. En labsence de ce phnomne,
quand OA nest pas rectiligne, on doit utiliser la limite conventionnelle dlasticit Re0.2 qui correspond unallongement plastique de 0.2%.
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Chapitre IV Caractristiques mcaniques des matriaux Cours science des matriauxLes aciers austnitiques (certains inox) ont une limite lastique plus faible qui conduit en pratique utiliser
Re0.2.
2.2 Courbe relle ou rationnelle
Dans la ralit, la section varie chaque instant sloigne de sa valeur initiale. Il en va de mme pour
lallongement relatif rel. On peut tracer la courbe de traction vraie, ou rationnelle, qui utilise les sections etdformations relles chaque instant et met en vidence le durcissement du matriau (crouissage) au cours de
la dformation plastique. La dformation relle est obtenue par intgration de lallongement relatif ce qui donne
= Ln (1+ e). Concernant la contrainte elle sera0
F = (1+ e)
S
Figure 2 : Courbes de traction rationnelle et conventionnelle
2.3 Palier de limite lastique
La courbe brute de certains matriaux tels que les polycarbonate ou lacier doux recuit montre la fin du
domaine lastique une chute de contrainte suivie dun palier qui correspond une vraie dformation plastique
locale qui se propage sous effort constant.
2.4 Influence de la temprature sur Re et Rm
Les dfinitions de Re ou Rm sont conventionnelles car elles dpendent de la section initiale de lprouvette
(surtout Rm), de la qualit de lextensomtre (Re), de la vitesse de mise en charge et de la temprature dessai.
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Chapitre IV Caractristiques mcaniques des matriaux Cours science des matriaux
Figure 3 : effet de la temprature sur Re et Rm
2.5 Autres caractristiques mcaniques : A, E, G,
2.5.1 Allongement la rupture : A
Lallongement la rupture est le rapportf 0
0
l - l100
lo lfest la longueur la rupture.
2.5.2 Striction la rupture : Z
La striction est le rapport0 f
0
S -S100
So Sfest la section minimale la rupture (zone de striction).
2.5.3 Module dYoung ou module dlasticit : E
La pente de la partie linaire reprsente le module dYoung (en MPa ou GPa).La mesure de E est obtenue laide dun extensomtre.
Figure 4 : un extensomtre mont sur une prouvette de traction
Le module dYoung 20C va de 4 MPa pour le caoutchouc 500 GPa pour les cramiques. Cette variation
trs importante est due aux intensits trs variables des forces de liaison entre les atomes ou molcules au sein
des matriaux : liaisons covalentes, ioniques,
La rigidit dune structure en traction, compression, flexion, est proportionnelle au module dYoung. La
valeur de ce dernier, pour les matriaux isotropes, est indpendante de la direction de leffort. Par contre, pour
les matriaux anisotropes, tels les stratifis, les composites orients, les monocristaux, E varie avec
lorientation.
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Chapitre IV Caractristiques mcaniques des matriaux Cours science des matriauxE dcrot quand la temprature. Il varie de faon beaucoup plus importante en fonction de la temprature
dans le cas des polymres et des composites matrice organique.
2.5.4 Valeur spcifique du module.
Il est intressant dutiliser le rapport du module et de la densit du mtal. La valeur de E/ est la valeur
spcifique du module : cest un indice de performance qui tient compte de la dformation lastique et delallgement.
Les mtaux peuvent tre classs en deux catgories :
aluminium, fer, magnsium, titane (les plus performants)
26 < E/ < 27
cuivre et zinc (les moins performants)
14 < E/ < 15
2.5.5 Coefficient de Poisson : Lprouvette subit aussi des dformations latrales : le coefficient de Poisson, ou coefficient de contraction
latrale dans le domaine lastique est le rapport sans dimension
= z /x, avec :z dformation dans le sens de la traction et x la dformation dans le sens transverse.
Ce coefficient, compris entre 10-2 et 0.4, dpend lgrement de la temprature.
2.5.6 Module de cisaillement : G
Le module de cisaillement G ou module de Lam ou module de Coulomb, exprim en MPa ou GPa, dfinit
le cisaillement lastique conscutif lapplication dune sollicitation de cisaillement.
Il varie sensiblement comme E en fonction de la temprature et du type de matriau. Pour les matriaux
isotropes on a la relation :E
G =2(1+)
2.6 La rsilience
On mesure lnergie qui provoque la rupture en flexion dune prouvette entaille en U ou en V (Kcu ou
Kcv). Lessai de rsilience (essai de Charpy) permet de dterminer la temprature de transition dun matriau
qui spare la rupture ductile, nergie leve, et la rupture fragile du type clivage, de faible nergie.
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Chapitre IV Caractristiques mcaniques des matriaux Cours science des matriauxFigure 5 : schma du mouton de Charpy
Les ruptures ductiles sont fibreuses, tourmentes (dformation plastique) ; les rupture fragiles sont plates ou
cristallographiques.
Figure 6 : transition fragile/ductile dun acier 18NCD lamin.
2.6.1 La tnacit
Cest une caractristique la base du concept de tolrance au dommage dans les structures, qui est base sur
la formulation des contraintes et dplacement au voisinage dune fissure de gomtrie connue. Le chargement
est statique ou dynamique.
Ces conditions dterminent le facteur de concentration de contraintes K, calcul, qui caractrise
laccroissement des contraintes et des dformations provoqu par la fissure.
La tnacit, Kc, est dtermine exprimentalement au moyen dprouvettes pr-fissures. Elle correspond
la valeur critique K pour laquelle se produit une propagation brutale dune fissure de longueur ac sous une
charge Pc.
Kd est la tnacit dynamique qui correspond la valeur critique de K sous un choc.
3 Essai de duret
3.1 Dfinition de la duret
La duret est la rsistance quoppose un matriau la pntration dun corps plus dur, appel pntrateur.
Elle sexprime par le symbole H (HARDNESS).Diffrentes techniques de mesure de duret existent. Les mesures de duret permettent de dterminer de
faon non destructive et facilement lune de caractristiques de matriaux. Elles sont complmentaires aux
essais de traction uniaxiale.
3.2 Techniques de mesure de duret
Les essais les plus courants se font par pntration : le pntrateur peut tre soit une bille soit une pyramide.
Les plus connus sont les essais BRINELL, ROCKWELL et VICKERS. La duret dpend la fois de la limite
lastique et de la capacit de durcissement par dformation, puisque des dformations de lordre de 8 10 %
sont ralises lors de lessai. Il est difficile de relier quantitativement des mesures de duret faites sur le mme
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Chapitre IV Caractristiques mcaniques des matriaux Cours science des matriauxmatriau par diverses mthodes. Il existe cependant des tables de correspondance commodes malgr leur
caractre approch.
De mme, il est difficile de corrler la duret aux caractristiques de traction ; cependant pour un type
dalliage, il est toujours possible de trouver de telles corrlations. De telles correspondances sont trs
avantageuses, car les essais de duret exigent peu de matire et de temps.
3.3 Essai de duret VICKERS (NF EN ISO 6507-1, NF A 03-253)
3.3.1 Principe de lessai Vickers (HV)
Lessai consiste imprimer dans la pice, un pntrateur en diamant en forme de pyramide droite base
carre, dangle au sommet gal 136, sous une charge P, et mesurer la diagonale d de lempreinte laisse sur
la surface aprs enlvement de la charge.
2 2
charge de l'essai (kgf) PHV = = 1,8544
aire de l'empreinte (mm ) d
En pratique, on mesure les deux diagonales et on fait la moyenne. En fonction de la valeur trouve et de la
charge utilise, des tables donnent directement la duret HV.
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Chapitre IV Caractristiques mcaniques des matriaux Cours science des matriaux
3.3.2 Charges dessaiDsignation Charges (en kgf)
Essai de duret Vickers 5-10-20-30-50-100
Essai de duret Vickers sous charges rduite 0,2-0,3-0,5-1-2-2,5-3
3.3.3 Conditions dexcution de lessai Lessai doit tre effectu temprature ambiante (23 10 C) et sur une surface lisse, plane et non crouie ;
La mise en charge doit tre faite en 5 8 s ;
La charge dessai est ensuite maintenue pendant 10 15 s ;
Lpaisseur de la pice tester ne doit pas tre infrieure 1,5 d ;
La distance entre les centres de 2 empreintes doit tre suprieure ou gale 3 d ;
La distance du bord de pice au centre de lempreinte doit tre suprieure ou gale 2,5 d.
3.3.4 Expression de la duret Vickers220 HV30 : Duret Vickers de 220 dtermine sous une charge de 30 kgf pendant 15 s.
Si le temps dapplication est diffrent de 15 s, il est prcis. Ex : 400 HV10/20 (charge 10 kgf, temps
dapplication 20 s).
3.3.5 chelle de duret
Son chelle stend de 0 1000 (et plus) et permet de mesurer pratiquement toutes les durets.
3.4 Essai de duret BRINELL (NF EN 10003-1 3)
3.4.1 Principe de lessai Brinell (HB)
Lessai consiste imprimer dans la pice, une bille de diamtre D, sous une charge P, et dterminer le
diamtre moyen d de lempreinte laisse sur la surface aprs enlvement de la charge.
charge de l'essai (kgf) 2.PHB = =
airedel'empreinte(mm) .D.(D- D -d)
En pratique, on mesure d et des tables donnent directement la duret HB. Selon la nature de la bille, les
symboles sont :
HBS pour lessai effectu avec une bille en acier trait ;
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Chapitre IV Caractristiques mcaniques des matriaux Cours science des matriaux
HBW pour lessai effectu avec une bille en carbure de tungstne.
3.4.2 Billes et charges utilisesP/D 1 2,5 5 10 Matriaux tests
P = 30D2P = 10D2P = 5D2
P = 2D2
30105
2
187,562,531,25
12,5
750250150
50
30001000500
200
Aciers Bronzes spciauxLaitonsCuivre Duralumin Zinc
Plomb Etain
3.4.3 Conditions dexcution de lessai
Lessai doit tre effectu temprature ambiante (23 10 C) et sur une surface lisse, plane et non crouie ;
La mise en charge doit tre faite en 5 8 s ;
La charge dessai est ensuite maintenue pendant 10 15 s ;
Lpaisseur de la pice tester ne doit pas tre infrieure 8 d ;
La distance entre les centres de 2 empreintes doit tre suprieure ou gale 4d ;
La distance du bord de pice au centre de lempreinte doit tre suprieure ou gale 2,5 d.
3.4.4 Expression de la duret Brinell
Ex : 255 HBS 2,5/187,5/15 : Duret Brinell de 255 obtenue avec une bille en acier de 2,5 de diamtre sous
une charge de 187,5 kgf pendant 15 s.
3.4.5 chelles de duret
Bille en acier trait : de 0 450 HBS ;
Bille en carbure de tungstne : de 0 650 HBS ;
3.5 Essai de duret ROCKWELL (NF EN 10109-1 3)
3.5.1 Principe de lessai Rockwell (HR)
Lessai consiste imprimer, en deux temps, dans la couche superficielle de lchantillon essayer, un
pntrateur de type normalis (cne diamant ou bille dacier) et mesurer laccroissement rmanent de la
profondeur de pntration de ce pntrateur.
h hHRC 100- ; HRB 130-0.002 0.002
= =
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Chapitre IV Caractristiques mcaniques des matriaux Cours science des matriaux
3.5.2 Symboles et dsignations
F0 : Charge initiale en kgf ;
F1 : Surcharge en kgf ;
F : Charge totale en kgf ;
a: Profondeur de pntration sous leffet de la charge initiale avant application de la surcharge ; c: Accroissement de la profondeur de pntration sous leffet de la dcharge ;
h : Accroissement rmanent de la profondeur de pntration sous la charge initiale aprs enlvement de la
surcharge ;
HR: duret ROCKWELL;
3.5.3 Pntrateur et charges utiliss au laboratoireEssai Pntrateur Charges
HRBHRC Bille 1,5875 en acier traitCne diamant dangle au sommet gal 120 Po = 10 kgf, P1 = 90 kgfPo = 10 kgf, P1 = 140 kgf
3.5.4 Conditions dexcution de lessai
Lessai doit tre effectu temprature ambiante (23 10C) et sur une surface lisse, plane et non crouie ;
La charge P0 sera applique sans choc ni vibration ;
La surcharge P1 sera applique sans choc ni vibration en 2 8 s, il ny a pas de temps de maintien ;
Lpaisseur de la pice tester ne doit pas tre infrieure 10 e ;
La distance entre les centres de 2 empreintes doit tre suprieure ou gale 2d ;
La distance du bord de pice au centre de lempreinte doit tre suprieure ou gale 1 mm.
3.5.5 Expression de la duret Rockwell
Chaque essai possde son symbole (ex. 35 HRC, 80 HRB).
3.5.6 Domaine dapplication des chelles usuelles
HRB : Duret comprise entre 30 et 100 HRB
HRC : Duret comprise entre 20 et 70 HRC
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CHP V. TRAITEMENTSTHERMIQUES DESACIERS
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Chapitre V traitements thermiques des aciers Cours science des matriaux
GnralitLes traitements thermiques ont pour objet de soumettre lacier laction de cycles thermiques appropris
afin de lui confrer des proprits particulires adaptes sa mise en uvre ou son utilisation.
Les principaux objectifs poursuivis peuvent tre dcrits comme suite :
Produire des modifications de la nature des constituants prsents, sans changement de la composition
chimique globale moyenne. Ces constituants peuvent tre en quilibre ou hors quilibre en fin dopration.
Les principaux traitements de ce type sont le traitement de, durcissement par trempe, le traitement par
prcipitation, le recuit, le traitement par le froid ;
Produire des modifications microstructurale de la dimension de la forme et de la rpartition des constituants
sans modifier leur nature. Les principaux traitements de ce type sont le recuit de globularisation, le traitement
daffinage structural, le recuit de grossissement du grain, le traitement de recristallisation, le traitement de
normalisation ; Provoquer la formation de microstructures favorables, par exemple lusinage ou la mise en forme par
dformation froid. Les principaux traitements de ce type sont le traitement dadoucissement, le patentage, le
revenu classique ;
liminer ou rduire les contraintes internes propres ou modifier leur rpartition, avec modification de la
microstructure. Le revenu de dtente ou de dtensionnement en est lexemple le plus courant ;
Provoquer le rtablissement au moins partiel des proprits physiques ou mcaniques dun acier croui sans
modification apparente de la structure par le traitement de restauration ; Attnuer les htrognits de composition chimiques par un recuit dhomognisation.
Le tableau qui suit rsume les principaux traitements thermiques.
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Chapitre V traitements thermiques des aciers Cours science des matriaux
1 Recuits et traitements connexes
1.1 Objectifs et principes
Au cours de son histoire, un acier peut se trouver dans des tats hors dquilibre provoqus par des
traitements thermiques ou mcaniques antrieurs.
Exemples : Sgrgations au cours du processus de solidification ;
crouissage par dformation froid ;
Contraintes de soudage, etc.
Un certain nombre de traitements thermiques sont adapts llimination ou la rduction des effets
nfastes de tels tats, en vue doprations ultrieures sur le mtal ou de lutilisation en service correcte de
lacier.
Parmi ceux-ci, les recuits forment un ensemble de traitement visant lobtention dtats proches de lquilibrestable. Le cycle thermique du traitement comprend :
Un chauffage jusqu une temprature dite de traitement qui dpend du type de correction raliser et est lie
aux difficults nergtiques des processus microphysiques intervenant ;
Un maintien isotherme la temprature de traitement ou des oscillations autour de cette temprature ;
Un refroidissement laire ou au four selon une loi programme. La vitesse de refroidissement doit tre en
gnrale infrieure la vitesse de refroidissement critique du recuit V3.
1.2 Divers type de traitement
1.2.1 Recuit complet
Il comprend un maintien vers Ac3 + 50 C pour les aciers hypoeutectodes ou Ac1 + 50C pour les
hypereutectodes suivi dun refroidissement lent au four surtout la traverse de lintervalle critique de
transformation.
Dans le cas des hypoeutectodes, la ferrite et la perlite formes sont relativement grossires : rsistance et
duret faibles et ductilit leve. Dans le cas des hypereutectodes, la globularisation partielle de la cmentite
proeutectode permet dviter laugmentation de la fragilit dynamique lie la prsence de carbures en rseau
inter granulaire.
1.2.2 Recuit dhomognisation ou de diffusion
Lors de la premire solidification (acier brut de coule, acier moul), se manifeste des phnomnes de
sgrgation mineure : les lments allis et le carbone sont rpartis de manire htrogne lchelle du grain
austnitique. Cette htrognit chimique, qui se conserve plus ou moins lors des transformations ultrieures,
est nfaste pour les proprits du mtal (rponse aux traitements thermiques de trempe, formation de structures
en bande lors du laminage, difficult de travail chaud).
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36/72
Chapitre V traitements thermiques des aciers Cours science des matriauxPour liminer, ou au moins rduire, cette htrognit, on fait appel un recuit dhomognisation. Il
consiste maintenir le mtal dans le domaine austnitique. Lhomognisation donc lieu par diffusion en
phase une vitesse dautant plus grande que la temprature de maintien est leve, le coefficient de diffusion
tant une fonction fortement croissante de la temprature 0-H
D = D Exp( )
RT
. Cependant, les tempratures
pratiquement utilisables sont limites :
Par les risques de fusion partielle accompagne doxydation interne avec altration svre des joints de
grains : cest le phnomne de brlure. La rgnration du mtal devient impossible par traitement thermique
ou mcanique ;
Par les risques de surchauffe entranant un grossissent inacceptable du grain austnitique, sans altration
prononce des joints mais gnralement accompagne dune dgradation des proprits mcaniques. Un mtal
surchauff peut tre rgnr par un traitement thermique et/ou une dformation plastique approprie.La temprature du traitement dhomognisation par diffusion est gnralement comprise entre 1000 et 1200
C.
1.2.3 Traitement daffinage structural
Les pices ayant subi un traitement dhomognisation par diffusion, les moulages dacier, les zones
voisines des joints souds, les pices forges haute temprature, le cur des pice cmentes, etc., ont souvent
des structures surchauffes. Cependant, la prsence dlments carburignes ou favorisant la formation de
nitrures (aciers calms laluminium) peut limiter le grossissement du grain .Les aciers prsente la traverse de lintervalle critique une transformation conduisant une multiplication
des grains lors du chauffage ; ce phnomne permet la rgnration dune structure surchauffe.
Le recuit de rgnration comprend :
Un chauffage sans maintien prolong, une temprature lgrement suprieure Ac3 (Ac1 pour les
hypereutectodes), de manire obtenir une austnite grains fins ;
Un refroidissement vitesse convenable conduisant une structure ferrito-perlitique fine (cas des aciers
hypoeutectodes). Le refroidissement ne doit pas tre trop lent au alentours de Ar1 (750-600 C), le grainferritique ayant tendance crotre dans cette zone, surtout dans le cas des aciers doux.
1.2.4 Traitement de normalisation
Ce traitement comme le recuit complet, conduit des structures ferrite-perlite. Cependant, la temprature de
maintien est plus leve dans le cas des aciers hypoeutectodes et audessus de Ac cm pour les hypereutectodes.
En outre, le refroidissement lair calme utilis est plus rapide que le cas de recuit complet. Les structures
ferrito-perlitiques obtenues correspondent donc des grains de ferrite fins et des faibles espacements
lamellaires dans la perlite. Ces microstructures trs homognes peuvent tre recherches dans certainesapplications mcaniques et constituent un tat initial optimal pour les traitements daustnitisation avant
trempe.
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Chapitre V traitements thermiques des aciers Cours science des matriaux
1.2.5 Traitement dadoucissement
Il est effectu quelques dizaines de degrs au-dessous de Ac1 avec un refroidissement conscutif lent pour
obtenir un tat suffisamment adouci et aussi exempt de contraintes que possible.
Ce traitement a pour but damliorer lusinabilit ou laptitude la dformation froid.
1.2.6 Recuit de sphrodisation ou de globularisationSi, dans laptitude la dformation froid, il faut tenir compte de la capacit de dformation (par exemple
pour le filage), on cherche en gnral obtenir une structure globularise de la cmentite.
Ce recuit comprend successivement :
Un chauffage juste au-dessous de Ac1 ;
Un maintien prolong cette temprature, ou ventuellement une srie de refroidissements et de rchauffages
entre deux tempratures voisines situes de part et dautre de Ac1 (recuit oscillant) ;
Un refroidissement conscutif lent de manire obtenir une coalescence pousse de la cmentite.La globularisation peut tre obtenue beaucoup plus facilement par un revenu prolong en dessous de Ac1
dune structure martensitique.
1.2.7 Traitement de restauration et de recristallisation
Le travail froid dun mtal par dformation plastique conduit un crouissage du mtal. Une structure
crouie est caractrise par une forte dformation oriente des grains, voire une disparition des joints de grains.
Une structure crouie contient de trs fortes densit de dfauts : lacunes et dislocations en particulier.
Au point de vue macroscopique, lcrouissage dun mtal conduit une augmentation de Rm, de Re et H et
une diminution de A % et de K
1.2.7.1 Traitement de restauration
Effectu en dessous de la temprature de recristallisation, il permet de restaurer, en partie tout au moins, les
proprits mcaniques et physiques sans modification apparente de la structure. Il ny a pas formation de
nouveaux grains et le processus se droule rgulirement.
Des processus microphysiques affectent les dfauts :
Annihilation partielle des lacunes et des dislocations ;
Rarrangement en parois de certaines dislocations limitant des blocs cristallins faiblement dsorients et quasi
parfaits : phnomne de polygonisation.
Ces modifications ne sont dtectables quen microscopie lectronique transmission.
1.2.7.2 Traitement de recristallisation
Il est effectu dans la zone de recristallisation situe au dessus dune temprature qui dpend de la nuance de
lacier et de son degr dcrouissage. La structure distordue et crouie par le travail mcanique froid estremplace par une nouvelle structure grains reforms. Cette transformation est accompagne dun diminution
de Rm, Re et H et dune augmentation de A % et KPage 37 sur 72
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Chapitre V traitements thermiques des aciers Cours science des matriauxLorsquon porte un mtal croui sa temprature de recristallisation primaire, il y a germination de
nouveaux grains puis croissance jusquau contact mutuelle :
La temprature de recristallisation sabaisse quand le taux dcrouissage crot ;
La grosseur du grain diminue, pour une mme temprature de recuit si le taux dcrouissage crot.
La recristallisation ne dbute pour une mme temprature qu partir dun taux critique de dformation.
1.2.8 Traitement de relaxation ou de dtensionnement
Le refroidissement rapide de fortes sections aprs austnitisation, la trempe des aciers, les oprations de
soudage, dusinage, de travail froid sont susceptibles dengendrer un tat de contraintes rsiduelles souvent
dommageable pour les pices ou pour les structures mtalliques.
Les contraintes rsiduelles sont limines ou rduites par traitements thermiques subcritiques dans des zones
de temprature infrieure ou recouvrant celles utilises pour la recristallisation. Les vitesses de chauffage et de
refroidissement doivent tre suffisamment faibles pour ne pas introduire de nouvelles contraintes ou mmeprovoqu des fissurations au cours du traitement.
Essentiellement d la restauration et au fluage, le phnomne de relaxation ne modifie pratiquement pas les
proprits mcaniques du matriau, contrairement la recristallisation. En particulier, on peut dtensionner en
surface une pice dforme froid tout en conservant le bnfice de laugmentation de duret due au
phnomne dcrouissage. La figure qui suit illustre les diverses zones de temprature utilises pour les
principaux traitements dcrits ci-dessus.
1.3 La trempe
La possibilit de faire subir un acier un durcissement par trempe est soumise deux conditions
indispensables : mtallurgique et thermique.
1.3.1 Condition mtallurgique
Existence dun domaine austnitique () sur le diagramme dquilibre, de manire pouvoir austnitiser
lacier en le portant un e temprature convenable ;
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Chapitre V traitements thermiques des aciers Cours science des matriaux
Existence dune transformation ( ) sur le diagramme dquilibre. La ferrite (CC) et la phase stable
temprature ambiante.
Les aciers correspondant ont, la temprature ambiante, ltat recuit, une constitution ferrite+perlite ou
perlite + carbures ou plus gnralement ferrite+carbures. En contrepartie, les aciers constamment ferritiques ou
constamment austnitiques ne peuvent pas subir de durcissement par trempe : les premiers parce quils ne sontpas austnitisables, les seconds parce que la phase () est stable temprature ambiante.
1.3.2 Condition thermique
Possibilit de refroidir lacier une vitesse suffisante partir de ltat initial austnitique de manire
provoquer la formation de constituants hors quilibre recherchs. On appelle trempe lopration qui consiste
refroidir un alliage plus rapidement qu lair calme. Lexpression trempe lair est incorrecte et le mot
trempe nest absolument pas synonyme de durcissement.
Austnitisation avant trempeLaustnitisation est lopration au cours de laquelle le produit ferreux est port une temprature telle que
la constitution devienne austnitique
Paramtres daustnitisation
Les paramtres sont :
La temprature daustnitisation Ta. Pour les aciers hypoeutectodes, on choisit en gnrale Ta = Ac3 + (25
50 C) ;
La dure daustnitisation : ta. Cette dure est fonction de la massivit de la pice.Le temps de maintien doit tre contrl pour viter le phnomne de grossissement des grains austnitiques
pour des maintiens prolongs.
1.4 Transformations isothermes de laustnite
Lemploi de cycles de refroidissement comportant des paliers isothermes permet de sparer linfluence du
temps et de la temprature sur les transformations de laustnite. Un chantillon de faibles dimensions est
austnitis puis rapidement trs rapidement jusqu une temprature Ti < Ac1, puis maintenu cettetemprature. Lors du passage rapide de Ta Ti, laustnite ne subit aucune volution.
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Chapitre V traitements thermiques des aciers Cours science des matriauxAu cours du maintien isotherme Ti laustnite se transforme dans des conditions hors dquilibre. Des
techniques micrographiques et dilatomtriques permettent de suivre ces transformations en fonction du temps
pour une srie de tempratures de maintien Ti, et de dterminer la nature des constituants forms.
Le document exprimental rassemblant les rsultats de ltude constitue le diagramme de transformation
de laustnite en conditions isothermes , ou diagramme TTT isotherme. Il dpend de lacier tudi et des
conditions daustnitisation imposes.
Les notations suivantes sont utilises pour dsigner les divers constituants prsents :A : austnite hors dquilibre ; F : ferrite ; M : martensite ; C : carbures forms lors des transformations de
laustnite ; c : carbures non dissous au cours de laustnitisation ; P : perlite ; B : bainite.
1.4.1 Type de transformation de laustnite en conditions isothermes
Il existe deux classes de transformations : avec ou sans diffusion.
1.4.1.1 Transformation avec diffusion
Lorsque la temprature de maintien Ti est comprise entre celle du point Ae1 et celle de point Ms, les
transformations isothermes de laustnite conduisent des agrgats ferrite-carbure : AF+C mettant en uvre
des diffusions qui rgissent la cintique de ce type de transformations.
une temprature de maintien isotherme Ti dtermine, la transformation de A dbute aprs un certain
temps dincubation t0 et est terminer au bout du temps t1. Entre t0 et t1 laustnite se transforme progressivement
en (F+C) et les moyens exprimentaux permettent dvaluer le temps ty au bout duquel la fraction massique y
daustnite sest transforme.
En faisant varier Ti on dtermine :
t0 (Ti) : dbut de transformation de A (y 0) ;
t1 (Ti) : fin de transformation de A (y 1) ;
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ty (Ti) : fraction massique de y de A transforme.
On peut ainsi tracer un faisceau de courbes isoaustnitiques dfinissant pour chaque valeur de Ti la cintique
de la transformation de laustnite.
Tant que Ti est suprieure au point Ms, cette cintique est gouverne par :
La tendance (CFC)
(CC), dautant plus quon sloigne de A1 ; La tendance la formation corrlative de carbure, dautant plus difficile que Ti est plus basse (diminution des
vitesses de diffusion du carbone et des lments allis).
Cette cintique est plus ou moins complexe et, dans les cas les plus simples (domaine perlitique) peut tre
dcrit par une loi du type Johnson-Mehl-Avrami : ))(Exp(1 nkty =
O y est la fraction massique de A transforme et k et n des coefficient exprimentaux. Mais, dans la plupart
des cas, les courbes exprimentales ne sont pas interprtables simplement, en particulier dans le domaine de
recouvrement des zones perlitique et bainitique.En fait, dans cette classe de transformations avec diffusion [AF+C], on a mis en vidence deux types
distincts, correspondant deux mcanismes diffrents de formation de lagrgat ferrite+carbure (F+C).
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1.4.1.1.1 Transformation perlitique.
Elle intervient pour les tempratures leves du domaine des transformations isothermes de laustnite.
Lagrgat (F+C) form est du type perlitique lamellaire. La phase nuclante est le carbure. La croissance
cooprative des lamelles se fait sans relation cristallographique avec la phase mre (A). Lespacement inter
lamellaire diminue avec la temprature, conduisant des microstructures trs fines pour des valeurs de Tisitues dans la zone infrieure du domaine perlitique. Il sensuit que le constituant form une duret dautant
plus leve que sa temprature de formation est plus basse.
La transformation perlitique fait intervenir dimportants phnomnes de diffusion du carbone et des lments
allis en substitution dans A. Les carbures forms sont soit des cmentites allies, soit des carbures allis pour
les lments les plus carburignes.
1.4.1.1.2 Transformations bainitiques
Au fur et mesure de Ti sabaisse, la diffusion des lments allis en substitution devient plus difficile et la
transformation perlitique et progressivement remplace par une nouvelle transformation dite bainitique.
Dans la transformation bainitique, la phase nuclante est la ferrite. Elle se forme par cisaillement du rseau
de laustnite par germination selon les plans octadriques de A. les carbures (C) forms sont essentiellement
des carbures de fer, le carbone tant le seul lment ayant un coefficient de diffusion suffisamment lev.
On distingue deux types de bainite :
Bainite suprieure : dans la zone suprieure du domaine bainitique, la ferrite se forme en lattes les
plaquettes de carbure de fer prcipitant entre ces lattes peu prs paralllement elles. La prsence interlattesde la phase carbure fragile confre la bainite suprieure de mauvaises caractristiques de rsilience ;
Bainite infrieure : dans la zone infrieure du domaine bainitique, la ferrite forme est de plus en plus
aciculaire. La temprature Ti tant relativement basse, la diffusion du carbone devient son tour difficile. De ce
fait, les aiguilles de ferrites sont sursatures en carbone au moment de leur formation. Les carbures de fer
prcipitent lintrieur des aiguilles de ferrites sous forme de plaquettes trs fines, semi cohrentes avec la
matrice ferritique ((001)//(011)) et formant un angle de 55 65 avec laxe de laiguille de ferrite. La prsence
de ces fins prcipits de carbures conduit un durcissement par prcipitation de la matrice ferritique, confrant la bainite infrieure un excellent compromis entre la limite lastique et la rsilience.
En rsum il existe trois types de transformations en conditions isothermes donnant trois types dagrgats
(F+C) de microstructures diffrentes, chacune de ces transformations correspond un faisceau en C
disoaustnitiques. Selon la nuance dacier, ces divers domaines se recouvrent plus ou moins et dans certains
cas ne sont pas spars. Pour les aciers hypoeutectodes, on peut dlimiter ainsi trs approximativement les trois
domaines suivants :
AP : 750 600C ;
AB suprieure : 600 (Bs)* 400 (Bf)* ;
A B infrieure : 550 en dessous de Ms.
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Chapitre V traitements thermiques des aciers Cours science des matriaux
1.4.1.2 Transformation sans diffusion ou martensitique
Lorsque la temprature Ti est infrieure Ms (martensite start) caractristique de la nuance et des conditions
daustnitisation, la transformation de laustnite prend un caractre trs diffrents en donnant naissance un
constituant particulier, la martensite (M).
1.4.1.2.1 Caractristiques de la transformation martensitique AMEn dessous de Ms, la diffusion du carbone devient trs difficile et la transformation martensitique est une
transformation sans diffusion. Elle est quasi instantane et, chaque temprature Ti, une fraction dtermine
daustnite se transforme en martensite ; un maintien isotherme ne modifie pas le taux davancement de la
raction. Les courbes isoaustnitiques sont des parallles laxe des temps.
Pour un refroidissement trs rapide de Ta Ti < Ms, lvolution de la transformation AM est dcrite par la
relation empirique propose par Koistinen et Marburger :
])(Exp[1
n
TiMsky=
O y est la fraction de A transforme en M, et k et n sont des coefficients exprimentaux. Pour les aciers
hypoeutectodes non allis et faiblement allis k = 0.011 (valeur statistique moyenne) et n = 1. On peut dfinir
les points M50, M90, M95, etc., pour lesquels les fractions massiques de M correspondent 0.5 ; 0.9 ; 0.95.
Selon la relation de Koistinen le point Mf (martensite finish) temprature laquelle la transformation AM
est termine, ne peut pas tre strictement dtermin et il est li la sensibilit des mthodes de dosage desphases A ou M ; cependant, on peut par souci de simplification y faire rfrence.
Si la temprature Ti est telle que Ms > Ti > Mf, la transformation martensitique est incomplte. Laustnite
non transform Ti est dite rsiduelle A rs cette temprature. Pour un refroidissement trs rapide partir de Ta
et jusqu Ti < Ms, la fraction massique Ars et daprs Koistinen : RsA Exp[ 0.011 ( )]y Ms Ti= dans les
conditions de la figure prcdente.
Nota : si le maintien isotherme ne fait pas voluer la transformation AM, il peut :
Stabiliser A vis--vis dune transformation en martensite lors dun refroidissement ultrieure ;
Transformer Ars en un autre constituant, par exemple en bainite infrieure ;
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Chapitre V traitements thermiques des aciers Cours science des matriauxConduire un autorevenu de M, si Ti et suffisamment leve.
La transformation martensitique devient fortement dpendante du temps si Ti est infrieure -100C -150C
selon les nuances.
1.4.1.2.2 Caractristiques de la martensite
La martensite est obtenue par cisaillement complexe du rseau de laustnite, ne mettant donc en jeu que desdplacements des ions infrieurs aux distances inter-ioniques de la structure cristalline. Elle apparat lchelle
micrographique sous forme de plaquettes finement macles ou encore de lattes forte densit de
dislocations pour les teneurs en carbone infrieure 0.6 %. La figure qui suit reprsente la formation
schmatique dune plaquette de martensite. Les germes de cisaillement sont induits par des concentrations
locales de contrainte. La formation dune plaquette est associe celle dun microrelief sur une surface
pralablement polie.
La diffusion nintervient pas lors de la transformation martensitique, la martensite la mme compositionque laustnite initiale, qui peut tre diffrente de celle de lacier si laustnitisation est partielle. En particulier,
la martensite est sursature en carbone par rapport une ferrite dquilibre.
La martensite une structure cristalline quadratique ou ttragonale centre dans laquelle les atomes de
carbone en insertion occupent prfrentiellement les sites z
Le rapport de quadricit c/a dpend essentiellement de la teneur en carbone. Roberts a donn la relation
empirique suivante :c
=1+0.045(%C)
aLa formation de la martensite correspond au passage dune structure CFC une structure voisine du CC,
moins compacte, se fait avec augmentation du volume.
La martensite est un constituant de duret leve pour les aciers ordinairement utiliss en traitements
thermiques. Cette duret est due une forte densit de dislocations associe un cas extrme de durcissement
par mise en solution solide dinsertion du carbone. Cette duret dpend surtout de la teneur en carbone de M ;
une martensite 0.4 % C une duret de lordre HRC 60 (700 HV). ces durets leves sont associes de trs
faibles rsiliences.1.4.2 Traitements thermiques isothermes industriels des aciers
1.4.2.1 Trempe tage martensitique (martempering)
Aprs austnitisation, la pice est porte et maintenue une temprature lgrement suprieure Ms. Le
refroidissement doit tre suffisamment rapide pour viter toute transformation de laustnite avant Ms, ce qui
limite se traitement des pices de faibles dimensions et des nuances dont les temps de dincubation
minimaux ( nez ) sont suffisamment levs.
Le but est dhomogniser la temprature de la pices avant la transformation martensitique : le sjours audessus de Ms doit tre suffisant mais rester infrieure t0 pour viter un dbut de transformation bainitique. La
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Chapitre V traitements thermiques des aciers Cours science des matriaux
transformation AM se fera ensuite peu prs simultanment dans toute la pice et les gradients thermiques
seront faibles, do une diminution des contraintes et risques de dformation et tapures. En plus de la limitation
des massivits des pices traitables, les caractristiques mcaniques aprs revenu sont lgrement infrieures
celles obtenues par trempe classique et revenu.
1.4.2.2 Trempe tage bainitique (austempering)
Aprs austnitisation, la pice est porte et maintenue une temprature lgrement suprieure Ms.
Contrairement au cas du martempering, le maintien est suffisant pour que la transformation bainitique ait lieu
totalement ou partiellement si t1 est trop lev. Dans ce dernier on obtiendra une structure B+M aprs retour la
temprature ambiante. Le traitement parfaitement isotherme rduit au minimum les dformations de trempe. En
outre la bainite infrieure a des caractristiques Re, K au moins aussi bonnes que celle dune martensite
revenue. La suppression du revenu est galement intressante pour les nuances prsentant une haute fragilit de
revenu et pour les pices de faibles dimensions et de formes compliques.
1.4.2.3 Recuit isotherme.
Aprs austnitisation, lacier est port Ac1-25 C et maintenu cette temprature : on obtient une structure
F+P pour les aciers hypoeutectodes.
Dans le cas des aciers de trempabilit leve, le recuit classique exige de refroidissements trs lents. On
procde dans ce cas un recuit isotherme au niveau du nez perlitique. Si la duret est trop leve, on fait
suivre ce traitement par un traitement dadoucissement.
Il est noter que le choix dune temprature daustnitisation proche de Ac3 favorise la formation de perlite
globulaire, tandis quune temprature daustnitisation plus leve favorise lobtention de perlite lamellaire.
1.4.2.4 Austniformage (ausforming)
Cest un traitement thermomcanique qui consiste en une dformation intense (forgeage, laminage) en phase
austnitique avant transformation martensitique. Cela exige dutiliser des nuances dont le digramme prsente
des domaines : perlitique et bainitique spars par une zone de dformation austnitisation. Cet important
crouissage augmente considrablement la den