Notions de Metallurgie

NOTIONS DE METALLURGIE

DESIGNATION CONVENTIONNELLE DES ACIERSAcier doux

ADxA E

CHIFFRES - VALEUR MINI DE LA CHARGE DE RUPTURE

DUSAGE COURANTAcier caractristiques mcaniques

------

CHIFFRES - VALEUR MINI DE LA LIMITE ELASTIQUE

ACIERSNon allis

Fourchette de C +/- 0.5% Fourchette de C serre Faiblement (lments5%)

CC XC

SPECIAUXAllis

---

---

Z

--

REPERE ------------------------

CHIFFRES LETTRE

-Teneur en C multiplie par 100 -Symboles des lments dalliage (par teneur dcroissante) -Teneur des lments dalliage ci dessus - Valeur multiplie par 4 pour C, K, M, N, S - Valeur multiplie par 10 pour les autres SYMBOLES CHIMIQUES DES ELEMENTS DALLIAGE

GROUPE DE CHIFFRES

SYMBOLES DES ELEMENTS DALLIAGE Aluminium Chrome Cobalt Manganse Molybdne

A C K M D

Nickel Silicium Titane Tungstne Vanadium

N S T W V

Aluminium Chrome Cobalt Manganse Molybdne

Al Cr Co Mn Mo

Nickel Silicium Titane Tungstne Vanadium

Ni Si Ti W V

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INFLUENCE DE LA COMPOSITION CHIMIQUE SUR LES CARACTERISTIQUES MECANIQUESToutes les caractristiques que nous venons de voir varient dun acier lautre. Chaque lment entrant dans la composition dun acier, joue, sur une ou plusieurs caractristiques : Y Le carbone : Son rle est prpondrant : cest lui qui donne la duret lacier; il rend possible le phnomne de trempe. La duret varie dans le mme sens que la teneur en C. Le carbone augmente la rsistance la traction et la limite lastiqu e, mais diminue lallongement et la rsilience. Y Le manganse : Il joue un rle important en acirie (dsoxydant et dsulfurant), mais en excs il diminue notablement la rsilience. Y Le molybdne et le tungstne : Ce sont des lments trs actifs pour durcir lacier. Y Le nickel : Il augmente la rsistance de lacier. Les aciers au nickel ont une bonne rsilience; cest pourquoi on associe souvent nickel et chrome pour obtenir des aciers duret leve et rsilience acceptable. Y Le silicium : Il augmente la limite lastique ce qui explique son emploi dans les aciers ressorts par exemple. Les lments dalliage ont une influence directe sur les caractristiques mcaniques, mais ils jouent aussi un rle prpondrant au moment des traitements thermiques que nous tudierons plus tard, dou lintrt de les connatre avec exactitude. Cest ce que fait le laboratoire chaque rception dacier, en procdant lanalyse chimique. La composition chimique obtenue est compare celle donne par laciriste et permet dviter le mlange des coules.

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II - CONSTITUANTS DES DIFFERENTS ETATS1) ETAT STABLE A HAUTE TEMPERATURE A temprature leve , il n'existe qu'un seul constituant : L'AUSTENITE C'est une solution solide de carbone dans le fer (fer gamma = forme du fer haute temprature). La solubilit du carbone dans l'austnite est grande (jusqu' 2%). La duret de l'austnite varie avec le pourcentage de carbone , mais reste modre. Puisque l'austnite n'est stable qu' haute temprature, on ne la rencontre pas temprature ambiante. Cependant , dans certaines conditions de refroidissement, il se peut qu'une partie de l'austnite n'ait pas le temps de se dcomposer : C'est l'austnite rsiduelle . Elle est visible au microscope et constitue un fond clair ou des lots au bord des pices. 2) ETAT STABLE A TEMPERATURE AMBIANTE On y trouve trois constituants : a) LA FERRITE C'est une solution solide de carbone dans le fer. Mais la solubilit est trs faible (0.02 %) , c'est donc pratiquement du fer pur (fer alpha). La ferrite apparat sous forme de grains blancs. Sa duret est trs faible.( environ 80 Hv ), b) LA CEMENTITE Fe C'est une combinaison chimique de fer (93,33 %) et de carbone (6,66 %), note 3C. C'est un carbure (de fer), trs dur . La cmentite a un aspect blanc brillant c) LA PERLITE C'est un agglomrat de ferrite (87 %) et de cmentit (13 %).Sa duret est moyenne. e La perlite se prsente sous forme de lamelles (perlite lamellaire) alternes sombres et claires. Elle peut galement apparatre sous forme de globules (perlite globulaire). La perlite provient de la dcomposition de l'austnite lors d'un refroidissement lent

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3) ETAT METASTABLE Cet tat se rencontre temprature ambiante , en gnral aprs un refroidissement rapide partir de l'tat stable chaud. On y trouve deux constituants :

a) LA MARTENSITE C'est une solution solide de carbone dans le fer alpha (ou ferrite), obtenue par refroidissement rapide de la solution solide de fer gamma (ou austnite). Elle apparat l'chelle micrographique sous forme de plaquettes ou d'aiguilles enchevtres ("en lattes" pour des teneurs en C H= 700 Hv environ). La formation de martensite se fait avec une augmentation de volume. b) LA BAINITE Elle apparat comme la martensite lors d'un refroidissement rapide de l'austnite (mais moins rapide que pour la martensite) , et en mme temps elle a les caractres de la transformation de l'austnite en perlite ; en effet , la bainite est un agrgat trs fin de ferrite et de cmentite. La bainite apparat sous forme de petits btonnets enchevtrs.

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III - DIAGRAMME D'EQUILIBRE FER-CARBONENous avons vu prcdemment que nous pouvions passer de l'tat stable haute Tc, l'tat stable temprature ambiante, grce un refroidissement lent. Cette transformation commence une certaine temprature et se termine une autre, et ces tempratures dpendent de la teneur en carbone de l'acier. Toutes ces tempratures de dbut et de fin de transformation ont t traces sur un graphique , en fonction de la teneur en carbone de l'acier. C'est le diagramme fer-carbone. Il faut noter que ce diagramme n'est valable que pour des volutions de tempratures trs lentes.C 950 900 850 800 750 700 650 600 550 500 0 0.1 0.2P lamellaire A1 P lamellaire + en reseau + FE 3C ( 100 % de Perlite ) A1 Fe 3C

Acm

A3

Fe 3C

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

%C

LEXIQUE A0 : Au del de 210c , la cmentite nest plus ferromagntique. AC1 : Temprature (721c) laquelle laustnite commence se former au chauffage (A1) AC2 : Le fer perd ses proprits magntiques: cest le point de curie (728c). AC3 : Temprature laquelle la transformation ferrite austnite est complte au chauffage ACcm : Temprature laquelle la mise en solution de la cmentite est complte au chauffage ( pour des aciers hypereutectodes ) AR1 : Temprature laquelle la transformation de laustnite en ferrite ou en ferrite + cmentite est complte la vitesse de refroidissement utilise. AR3 : Temprature laquelle laustnite commence se transformer en ferrite la vitesse de refroidissement utilise. Arcm : ( pour des aciers hypereutectodes ), temprature laquelle commence la prcipitation de cmentite la vitesse de refroidissement utilise.

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1) DIFFERENTS DOMAINES DU DIAGRAMME FER - CARBONE Les tempratures de transformation variant avec la teneur en carbone de l'acier ,on voit apparatre sur le diagramme des lignes qui dlimitent des zones ou domaines. a) Au dessus des lignes A3 et Acm C'est le domaine de l'austnite.( Le chauffage dun acier depuis la Tc ambiante jusqu une temprature ou il est austnitique, avec un maintien suffisant pour que tout le carbone soit mis en solution, sappelle austnitisation ) .Pour chaque acier , une temprature comprise dans ce domaine , la structure est entirement AUSTENITIQUE. b) Entre A3 et A1 Quand on franchit , vers le bas , la ligne A3 , des grains de ferrite apparaissent. Cest donc un domaine de mlange frrite-austnite. C'est un intervalle de transformation. c) Entre Acm et A1 Quand on franchit , vers le bas , la ligne Acm , des grains de cmentite apparaissent. Cest donc un domaine de mlange cmentite-austnite. C'est galement , un intervalle de transformation. d) En dessous de A1 Quand on franchit , vers le bas , la ligne A1 , l'austnite se transforme en perlite. A noter l'extrme gauche du diagramme une zone de ferrite pure , peu intressante e) Les lignes A3 , Acm , A1 sont les lignes de transformation - A3 et Acm = Lignes de dbut de transformation de l'austnite au refroidissement. - A1 = Lignes de fin de transformation de l'austnite au refroidissement.

Structure Austnitique

Apparition de la FERRITE

Croissance de la FERRITE

Apparition de la PERLITE

- Transformation de l'austnite pendant un refroidissement trs lent -

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f) L'eutectode C'est un point particulier du diagramme. C'est le point d'intersection des lignes A3 et Acm sur A1. L'acier correspondant ce point une teneur de 0,85 % de carbone. Cest un cas particulier ou l'austnite se transforme simultanment en perlite uniquement.

2) APPLICATION DU DIAGRAMME A TROIS ACIERS TYPES Nous allons examiner l'volution de la structure de trois aciers au carbone lorsque l'on les refroidit trs lentement, de 950c temprature ambiante. a) Cas d'un acier 0,4 % de carbone Entre 950c et 790c , aucune transformation n'a lieu : nous sommes dans le domaine austnitique, l'acier n'est constitu que d'austnite contenant 0,4 % de carbone. A 790c , nous passons la ligne de transformation - il y a apparition du premier grain de ferrite. Puis au fur et mesure que la temprature dcrot, la quantit de ferrite augmente au dtriment de l'austnite ( on dit quil y a germination et croissance de la frrite): A 775 c 20 % de FERRITE 80 % d'AUSTENITE A 750 c A 730 c A 721 c 33 % de FERRITE 46 % de FERRITE 50 % de FERRITE 66 % d'AUSTENITE 54 % d'AUSTENITE 50 % d'AUSTENITEREGLE DES SEGMENTS INVERSES

((0,77-0,4):(0,77-0,02))=0,5 x 100 = 50 % de Ferrite ((Masse de ferrite):(Masse totale)) x 100 = % de Ferrite ((0,4-0,02):(0,77-0,02))=0,5 x 100 = 50 % de PERLITE ((Masse de perlite):(Masse totale)) x 100 = % de PERLITE

Comme le carbone est trs peu soluble dans la ferrite , quand la quantit de ferrite augmente , l'austnite restante s'enrichit en carbone pour atteindre 0,85 % A 721 c , l'austnite restante se transforme en perlite. En dessous de 721 c , il ne se passe plus rien si bien qu' l'ambiante notre acier est compos de 50 % de FERRITE + 50 % de PERLITE.

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* Pour des vitesses de refroidissement faibles et des grains austnitiques petits, les cristaux frritiques pourront prendre une forme polygonale normale et conduire une rpartition cellulaire de la frrite (voir fig. 1) * * Pour des vitesses de refroidissement leves et des grains austnitiques grossiers, les cristaux frritiques apparaissent sous forme de plaquettes, donnant naissance une rpartition aciculaire. Ce type de structure est caractristique de zones surchauffes, ou au voisinage des joints souds, ou encore dans les aciers brut de moulage (voir fig. 2).

- Fig.1 En rsum :

- Fig.2 -

Laugmentation de la vitesse de refroidissement conduit des structures de plus en plus fines, aussi bien des grains frritiques que perlitiques. Le contrle de la vitesse de refroidissement est donc un moyen de contrler la microstructure de lacier. b) Cas d'un acier 1,1 % de carbone Entre 950c et 850c , aucune transformation n'a lieu : nous sommes dans le domaine austnitique, l'acier n'est constitu que d'austnite contenant 1,1 % de carbone A 850c , on atteint la ligne de transformation - il y a apparition du premier grain de cmentite. Puis au fur et mesure que la temprature dcrot, la quantit de cmentite augmente au dtriment de l'austnite : A 800 c 2 % de CEMENTITE 98 % d'AUSTENITE A 750 c A 721 c 4 % de CEMENTITE 5 % de CEMENTITE 96 % d'AUSTENITE 95 % d'AUSTENITE

Comme la cmentite contient 6,7 % de carbone et que la teneur en carbone de l'austnite tait de 1,1 %, au fur et mesure que la cmentite va se former, elle va " pomper" le carbone de l'austnite restante, et ainsi la teneur en carbone de l'austnite va dcrotre jusqu' 0,85 %. A 721 c , comme dans le cas prcdent ,l'austnite va se transformer en perlite. En dessous de 721 c , il ne se passe plus rien si bien qu' l'ambiante notre acier est compos de 95 % de PERLITE + 5 % de CEMENTITE.

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c) Cas d'un acier 0,85 % de carbone Entre 950c et 721c , aucune transformation ne se produit A 721c , tous les grains d'austnite se transforment simultanment en perlite. En dessous de cette temprature plus rien ne se passe si bien qu' lambiante, lacier est entirement perlitique, sans ferrite et cmentite.

IV - INFLUENCE DES ELEMENTS D'ALLIAGE1) ELEMENTS CARBURIGENES La prsence de carbone dans les aciers peut conduire la formation de carbures avec les lments dalliage. Ce sont des carbures spciaux ou une cmentite allie (autre carbure). Les carbures apparaissent sous forme de petits globules brillants. Ces lments diminuent la teneur en carbone de l'eutectode : sur le diagramme, le point est dplac vers la gauche. Ce sont le manganse , le chrome , le tungstne , le molybdne , le vanadium, et le titane. 2) ELEMENTS ALPHAGENES Ce sont les lments qui, sur le diagramme ,agrandissent le domaine alpha, c'est dire qu'ils relvent les lignes A1 et A3 et, par consquent, la temprature du point eutectode. On peut citer le chrome , le tungstne , le molybdne , le vanadium, titane et le silicium. 3) ELEMENTS GAMMAGENES Comme leur nom l'indique, ce sont les lments qui agrandissent le domaine gamma ,ils abaissent la ligne A3, et la temprature de l'eutectode. On peut citer le nickel, le manganse, et le cobalt. 4) GROSSEUR DU GRAIN Le phnomne de grossissement du grain est favoris par une augmentation de la temprature daustnitisation et/ou par une augmentation de la dure du maintien temprature austnitique (le facteur temprature tant plus efficace que le facteur dure). En gnral, les aciers allis ont une structure plus fine que les aciers au carbone , les lments d'alliage s'opposant au grossissement du grain. Le phosphore , lui ,favorise le grossissement du grain.

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2) LA TREMPE 1) DEFINITION La trempe peut tre considre comme le traitement thermique le plus important. Elle a pour but d'accrotre, dans de larges mesures, la duret, la rsistance et l'lasticit de l'acier (en revanche elle diminue la rsilience :donc augmente la fragilit C'est la trempe qui donne la ). pice mcanique ses caractristiques d'emploi. On appelle TREMPE l'opration qui consiste REFROIDIR un produit ferreux plus rapidement qu' l'air calme. Le traitement, qui modifie la struct re mais pas la composition chimique de l'alliage, u consiste soumettre le mtal un cycle thermique appropri, qui permettra d'obtenir, partir de l'tat austnitique, une structure hors d'quilibre temprature ambiante MARTENSITE ou/et : BAINITE. Le cycle thermique se dcompose en : - Un chauffage (austnitisation)au dessus de Ac3(aciers hypoeutectodes =>Ac3+50c) - Un maintien suffisant afin que la temprature et la structure soient homognes (mise en solution de carbures notamment V, Ti, Cr..) - Un refroidissement assez rapide pour viter l'apparition de ferrite et perlite(voir , diagrammes T.R.C page 46). Bien que le chauffage joue un rle important (vitesse, Tc, temps de maintien adapter la forme et la massivet de la pice, et la nuance de l'acier) , le refroidissement reste donc le facteur essentiel de l'opration. 2) L'AUSTENITISATION Les paramtres d'austnitisation sont : - La temprature d'austnitisation - La dure d'austnitisation (Ta) L'tat austnitis ( la fin de Ta) est caractris par : - La composition chimique moyenne de l'austnite qui peut tre diffrente de celle de l'acier si l'austnitisation est partielle (ex : carbures non dissous) , et plus prcisment par l'homognit chimique des grains d'austnite. - La grosseur du grain austnitique. Le maintien la temprature daustnitisation, ainsi que la temprature d'austnitisation ont pour effet de provoquer un grossissement plus ou moins important du grain de l'austnite. Ce phnomne et son intenit ont une s importance considrable sur les rsultats ultrieurs de la trempe. En effet, les structures martensitiques ou bainitiques que l'on obtiendra seront videmment conditionnes par les dimensions des grains de la solution solide dont ils sont issus. Tous les aciers ne prsentent pas la mme tendance au grossissement du grain, si bien que certaines coules sont difficiles tremper , car le grain est trop fin. Plus le grain aprs austnitisation est gros, plus la trempe sera facilite. Plusieurs mthodes sont employes pour caractriser cette tendance au grossissement du grain (Norme NF A04-102). (essai Mac Quaid Ehn , images types .....etc.).

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3) LE REFROIDISSEME NT C'est partir des refroidissements que l'on peut distinguer plusieurs types de trempe. En effet, celles-ci ayant pour but d'obtenir, partir de la transformation de la solution solide de laustnite, un niveau de proprits mcaniques dtermines par une structure micrographique dfinie, les lois de refroidissement imposes une pice provoquent des transformations des niveaux dtermins, d'ou des structures et des proprits diffrentes. En fonction des structures obtenues et des types de transformation mis en jeu, on peut classer les trempes en trois catgories: C C C Les trempes martensitiques . Les trempes bainitiques . Les trempes mixtes .

3.1) La trempe en refroidissement continu ou trempe martensitique. C'est la trempe classique, la plus frquemment employe. Elle consiste essentiellement , aprs austnitisation, en un refroidissement rapide pour obtenir les proprits mcaniques de rsistance, limite lastique, et durets les plus leves possible. Thoriquement, ce type de trempe est destin donner l'acier une structure entirement martensitique, c'est dire que le refroidissement entre la temprature d'austnitisation et la temprature de dbut de transformation de l'austnite en martensite (nomme Ms comme Martensite Starting) doit tre tel que l'acier ne passe ni dans le domaine perlitique, ni dans le domaine bainitique de la courbe T.R.C. A partir du moment ou la temprature Ms est dpasse, la vitesse de refroidissement est sans importance ( voir pages 46, 47, 48, 49). Pour les nuances ayant des teneurs en carbone et en lments allis suffisamment leves, le point Mf (Martensite Finishing) se trouve nettement en dessous de la Tc ambiante. Aprs trempe il peut alors subsister une quantit d'austnite rsiduelle plus ou moins importante. Le problme de l'austnite rsiduelle concerne surtout les nuances allies riches en C. Un cas typique est celui des couches cmentes. La teneur en austnite rsiduelle aprs trempe dpend fortement des conditions d'austnitisation (Ta,ta).Celles ci influent sur la mise en solution des carbures, et vont modifier plus ou moins fortement la composition chimique de l'austnite initiale, donc en fait la position de Ms et du point Mf. La prsence d'austnite rsiduelle peut avoir une influence sur : - Les caractristiques mcaniques : diminution de la rsistance, limite lastique, duret... - La tenue en fatigue , la stabilit dimensionnelle (Gamma rs --> M par crouissage ) On peut diminuer voire liminer la teneur en austnite rsiduelle par traitement cryognique (120/-180c ==> azote liquide) ou par revenu aprs trempe (voir $ revenu par le froid ). A) TREMPABILITE Il existe plusieurs moyens pour dfinir une expression "quantitative" de la trempabilit : - Utilisation des diagrammes T.R.C. - Utilisation de essai jominy. - Dtermination du diamtre critique idal (peu utilise).

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CC UTILISATION DES DIAGRAMMES T.R.C CC C C Sur un graphique comportant la temprature de refroidissement sur l'axe vertical et un temps sur l'axe horizontal, on peut tracer les courbes de refroidissement. (voir figure 1). Quand la Tc baisse, la courbe descend vers l'axe horizontal et comme le temps s'coule elle sloigne de l'axe vertical. On peut tracer plusieurs courbes de refroidissement des vitesses diffrentes sur un mme graphique (voir figure n2) : plus la vitesse est grande, moins on met de temps pour atteindre la temprature ambiante et plus la courbe reprsentative est proche de l'axe vertical. Les mtallurgistes ont tudi les phnomnes de transformation au refroidissement (apparition ou non des constituants de trempe) pour chacun des aciers. Ces transformations ont t schmatises sur des diagrammes ou figure la temprature en fonction du temps (appels diagrammes T.R.C ou transformation en refroidissement continu). (voir figure N3). Comme ces diagrammes reprsentent des transformations ,ils sont composs de domaines reprsentatifs des divers constituants. Comme les transformations sont tudies au refroidissement, la ligne suprieure marque le dbut de formation du constituant considr, la ligne infrieure la fin de formation de ce constituant.Tc Tc

Log t FIGURE 1 FIGURE 1 2

Log t

Tc Ac3 Ac1

Ferrite Perlite

Bainite Ms Martensite Log t FIGURE 1 3

DIAGRAMME TRANSFORMATION - REFROIDISSEMENT - CONTINU

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B) INFLUENCE DE LA COMPOSITION DE LACIER Nous avons dj vu au chapitre prcdent linfluence des lments entrant dans la composition de lalliage sur la ligne A3. Ces lments ont galement une influence sur les diagrammes T.R.C : - Un taux de carbone croissant repousse les domaines de transformation vers la droite. - Les lments dalliage agissent dans le mme sens. On peut les classer par ordre dinfluence dcroissante : Molybdne, chrome, nickel, manganse, silicium. Seul le cobalt agit en sens inverse Cest ce qui explique que les aciers haut carbone ou allis trempent plus facilement que les autres. - Le carbone et les lments dalliage ont galement une influence sur la temprature de formation de la martensite : le domaine de transformation est abaiss quand le % de C crot, ou en prsence dlment dalliage. Cest le carbone qui est, de loin, le plus influent sur labaissement du point Ms ; viennent ensuite, le manganse, le chrome, le nickel, le silicium, et le molybdne dans lordre dinfluence dcroissante. Lorsque le point Mf est abaiss par la prsence de carbone ou lments dalliage, il peut se situer en dessous de la temprature ambiante. Dans ce cas, toute laustnite nest pas transforme en martensite austnite rsiduelle La mise en solution dlments allis dans laustnite (sauf Co), en retardant la germination des carbures permet daugmenter la trempabilit. Ceci explique le recours aux nuances allies pour rsoudre des problmes de trempe (non traitables laide daciers ordinaires). Par contre la prsence dinclusions (silicates, sulfures, alumine, oxydes) peut diminuer la trempabilit. Il est donc apparent quun gain de trempabilit est obtenu en ayant recours des nuances plus allies et dune propret plus grande. Les conditions daustnitisation, en fixant la grosseur du grain austnitique (Ga), et lhomognit chimique de laustnite, ont une influence importante sur la trempabilit. Une augmentation de Ga amliore la trempabilit mais dgrade la plupart des proprits mcaniques. On nemploie donc jamais ce moyen pour augmenter la trempabilit.

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C) VITESSE CRITIQUE DE TREMPE L'exploitation du faisceau des lois de refroidissement permet de dterminer, soit directement, soit le plus souvent par interpolation entre deux courbes voisines, la vitesse minimale de refroidissement raliser pour viter la formation d'agrgats ferrite-carbures (F + C). Cette vitesse appele Vitesse critique de trempe martensitique est mesure 700c : Vr 700c ou delta T 700/300 .En fait il faut distinguer : - La vitesse de trempe martensitique :( vitesse la plus basse sans qu'il y ait formation d'autres constituants que la martensite). - la vitesse critique de trempe bainitique : ( Vitesse de trempe la plus basse sans qu'il y ait formation de perlite ). Cette notion de vitesse critique est intressante car elle est directement lie la nuance de l'acier.Tc V3 F P V1 = Vitesse critique de trempe MARTENSITIQUE V2 = Vitesse critique de trempe BAINITIQUE V3 = Vitesse critique de RECUIT

V1

V2

B Ms M VITESSES CRITIQUES VITESSES CRITIQUES Log t

Afin de pouvoir obtenir une constitution martensitique, il faut que la vitesse de refroidissement soit suprieure la vitesse critique de trempe martensitique. Dans la pratique ,la vitesse de refroidissement n'est pas rgulire ,le refroidissement pouvant s'acclrer ou se ralentir .La loi de refroidissement est donc l'volution de la temprature en fonction du temps tout au long du refroidissement. Par ailleurs ,il serait inexact de choisir des vitesses de refroidissement trs leves pour se garantir la formation de martensite (donc une duret trs leve). En effet, de tels refroidissements entranent de trs fortes contraintes qui peuvent provoquer des TAPURES et des DEFORMATIONS .(voir $ contraintes et dformations de trempe ). ( DURETE ELEVEE FRAGILITE ACCENTUEE ) On a au contraire intrt se rapprocher de la vitesse critique. De toute faon ,dans bien des cas industriels, il est difficile de s'en loigner (masse tremper, gomtrie, conception des douches, conductivit thermique du matriau, drasticit du liquide..etc) Enfin il convient d'tre prudent dans l'emploi des diagrammes T.R.C. En effet ceux ci ont t tablis l'aide de petits chantillons, de nuance d'acier connue, de grain connu. Il faut dans la pratique tenir compte de la grosseur de la pice, des variations de composition chimique possibles, de la grosseur du grain (un gros grain repousse les courbes vers la droite). Des essais prliminaires sont souhaitables avant de fixer une loi.

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CCC UTILISATION DE LESSAI JOMINY CCC La trempabilit est laptitude qua un acier prendre la trempe ; cest une caractristique de lacier et non de la pice trempe. Elle est dfinie par la vitesse critique de trempe et la profondeur de trempe. Mais dans la pratique, llaboration des courbes de transformation est trs laborieuse. Or, la connaissance de la trempabilit est un test de rception de lacier. Pour la mesurer, on prfre utiliser des essais pratiques dont le plus important est lessai JOMINY , normalis (NF A 04-303), et relativement facile mettre en oeuvre. 1) PRINCIPE DE LESSAI Cet essai pour but lobtention, en une seule opration sur une prouvette normalise ( fig. 1 ) , dinformations globales sur la trempabilit dun acier : Courbe Jominy. Il est men en trois tapes :

25

100 Jx

12,5 12,5

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Bainite + Perlite + Frrite

Jx (mm)

Martensite + Bainite Frrite +Perlite Martensite Bainite

Jx

DURETE a) Austnitisation - Chauffage dune prouvette usine dans lacier tester Ac3 + 75 c / 30 min. b) Refroidissement Lprouvette ainsi chauffe est rapidement fixe sur un dispositif de trempe leau. La trempe lieu par arrosage de lextrmit de lprouvette (buse calibre + distance dfinie). c) Mesure des durets Aprs trempe on ralise un mplat le long dune gnratrice de lprouvette ( en vitant tout chauffement qui provoquerait un revenu). Ensuite les points de mesure de la duret (Hrc ou Hv30) sont situs : 1.5, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80mm de lextrmit arrose, et sont dsigns par J 1.5,, J3, J5........Jx d) Exploitation des rsultats Les rsultats dun essai unique sont prsents graphiquement par l a courbe HRc=f(Jx), dite courbe Jominy de lacier tudi (voir fig. 2). Le point J 1.5, est en gnral celui de duret maximale (structure martensitique) ; au fur et mesure que x augmente, les vitesses de refroidissement diminuent, ainsi que les durets (formation de B, puis F+P)

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HRc

mauvaise trempabilit trs bonne trempabilit

80 70 60 50 40 30 20

35NCD16

XC42

42 C4

10 20 30 40 50

Jx (mm)

Une bonne trempabilit sera traduite par une courbe peu inflchie (cas du 35 NCD 16); pour une faible trempabilit, la courbe descendra trs rapidement vers laxe horizontal (cas de la XC42). La trempabilit dune nuance est en gnral reprsente par une bande -Jominy qui tient compte de la dispersion des compositions chimiques selon le prlvement dans le lingot et dune coule lautre (limite suprieure et limite infrieure). La figure 3 donne lexemple dune telle bande pour la nuance 35 CD4. Hrc Jx (mm) Hrc min Hrc max 1.5 51 59.5 bande suprieure 5 49 58 9 45 56.5 70 bande infrieure 11 43 55.5 60 15 39 53.5 50 20 35 51 40 25 32 48 30 30 30 46 20 Jx 40 28 43 50 26 41 10 20 30 40 50

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les tapures de trempe a) Dfinition Les tapures sont des fissures apparaissant sur des pices lors des traitements thermiques et qui sont provoques par des contraintes. Ds prsent, on peut aisment comprendre que, si la somme des contraintes prsentes dans une pice dpassent la rsistance la rupture de celle ci, il y aura tapure. Il existe cependant un stade intermdiaire ou les contraintes dpassent la limite lastique sans atteindre la limite de la rupture : on constate alors une dformation plastique permanente. b) Origine des tapures Afin de bien comprendre les mcanismes rgissant lapparition des tapures, il y a lieu de cerner lorigine des contraintes. Il est vident que le traitement thermique introduit des contraintes mais, dans la plupart des cas, fort heureusement, on ne constate pas de tapures au final. Il est de coutume, tort, de considrer que le traitement thermique est exclusivement le responsable de ce phnomne. En effet, il faut avoir lesprit que lopration de traitement thermique se trouve au bout dun scnario ou chaque opration amont a introduit une certaine quantit de contraintes. Lexprience montre que les tapures sinitient partir , bien souvent, dangles vifs, lieux de vritables concentrations locales de contraintes, ou lendroit dun changement important de section. Donc la conception des pices joue un rle primordial. Un mauvais choix de matire est galement un facteur aggravant; une nuance faible trempabilit, adopte pour une pice de section massive au profil tourment, est fortement prjudiciable. Le processus dlaboration mme de lacier est source de contraintes (dfauts prsents dans lacier tels que : inclusions, pailles, lignes de barre, criques....etc.). Lors de la mise en forme on peut sattendre, galement, laddition de nouvelles contraintes. Quel usineur qui, aprs avoir dbrid la plaque dont il venait dusiner la face, na pu constater une dformation synonyme de tensions internes ? Un croutage insuffisant est aussi nfaste; la prsence dune couche dcarbure ou surcarbure est prjudiciable, tout comme les marques dune rugosit trop importante. La responsabilit du traiteur intervient lors derreurs de conduite du traitement ( surchauffe excessive, vitesse de monte en temprature trop rapide, quipement non adapt au traitement...). En rsum, les contraintes et tapures sont lies au manque de plasticit du mtal.

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CONTRAINTES ET DEFORMATIONS A LA Trempe a) Origine des dformations On distingue : Les variations de volume :elles rsultent des variations de densit des constituants forms dont la masse dpend de la trempabilit de lacier pour une pice donne. Les distorsions : elles rsultent des variations locales de refroidissement et dpendent donc de la svrit du fluide de trempe. (on distingue galement les dformations de revenu : elles correspondent une contraction quand la martensite volue et une dilatation quand laustnite rsiduelle se transforme). b) Origine des contraintes Les variations de Tc exercent deux actions principales: la dilatation banale du mtal; les dilatations dues aux changements de phases. Si la temprature est homogne dans toute la pice, celle ci va changer de volume mais pas de forme. Les parties proches de la surface vont avoir tendance schauffer plus vite que le coeur de la pice, et on va donc crer des contraintes entre la surface et le coeur. Pour une pice donne les gradients de temprature dpendent de la svrit du fluide de trempe. tout accroissement de la temprature saccompagne dune dilatation. toute modification de structure saccompagne dune variation dimensionnelle(frrite austnite = contraction; austnite frrite = dilatation ; la dilatation est maxi lorsquil se forme de la Martensite). tous les points dune pice ne sont pas la mme temprature et ne subissent donc pas les transformations structurales (et les dilatations) en mme temps. la limite lastique des matriaux sabaisse lorsque la temprature augmente Lors du chauffage (ou du refroidissement ), la temprature de la pice est htrogne et dautant plus que la section est massive, que les changements de section sont importants et que la monte en temprature (ou refroidissement) est rapide. En effet, la surface sera en temprature avant le coeur et les sections minces le seront avant les sections massives. Ds lors, les dilatations (et transformations structurales) ne sont pas simultanes, dou lapparition de contraintes qui, sadditionnant aux contraintes dues aux oprations antrieures, engendrent dformations permanentes (au dessus de la limite lastique) ou tapures (au dessus de la limite la rupture). Pour des aciers fortement allis (aciers outil notamment), la conductivit thermique tant plus faible, on peut sattendre des contraintes plus importantes. Cependant lemploi de nuances plus forte trempabilit permet dutiliser un milieu de trempe moins svre (drastique) et de limiter ainsi les contraintes au refroidissement. On peut enfin citer le cas des tapures diffres aprs trempe, dues une attente trop longue entre trempe et revenu.

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Quelles solutions ? Si lon veut minimiser ou viter lapparition de tels dfauts, des actions doivent tre menes tous les stades du processus : 1. A la conception : * viter les angles vifs (prvoir des congs de raccordement), les changements de sec tions importants; en cas dimpratifs techniques, privilgier des solutions avec pices rapportes. * privilgier galement des profils de pices symtriques si possible. * choisir une nuance dacier compatible avec la fonction finale de la pice, mais aussi avec sa mise en oeuvre et le traitement thermique dtermin. 2. Dfauts du mtal : Le choix du fournisseur dacier est primordial. Les techniques dlaboration sidrurgique ont considrablement volu, mais des produits composition chimique identique ont, suivant leur origine, des niveaux de qualit diffrents. 3. Lors de la mise en forme : * Assurer un croutage suffisant, limiter la rugosit, viter les marques doutil. * Prvoir des recuits intermdiaires afin de dtensionner au maximum les con traintes. * Limiter les contraintes en optimisant les paramtres de mise en forme. 4. Lors du traitement thermique : * Choisir les paramtres de traitement thermique les plus appropris la pice compte tenu de la matire, de la gomtrie......etc.

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