TD MATERIAUX METALLIQUES ISET NABEUL

A. TLILI 1 A.U : 2014/2015

SERIE N°1

Exercice n° 1 :

La figure suivante représente le diagramme TTT d’un acier ordinaire au carbone, à grain grossier, de composition

eutectoïde. On austénitise des éprouvettes de cet acier à 850°C, puis on leur fait subir les trempes marquées sur le

diagramme. Décrivez la microstructure résultante de chaque traitement ?

Exercice n° 2 :

Soient (ci-dessous) deux diagrammes TTT de la nuance 38Cr4 et de la nuance C42 qui sont austénitisé à la

température Ta = 850°C pendant 30 minutes.

1°) Donner les paramètres nécessaires pour un traitement de trempe.

2°) Donner la signification détaillée des deux nuances données.

3°) Quels sont les facteurs qui influent sur la forme et la position du diagramme TTT.

4°) Spécifier la différence entre les deux diagrammes de la nuance 38Cr4 et de la nuance C42.

5°) On se prose d’étudier le diagramme de la nuance 38Cr4 :

a. Donner la structure finale de l’austénite transformée si elle subit un traitement isotherme aux

températures suivantes : 400°C et 700°C.

b. Spécifier les duretés en fin de chacune des transformations.

c. Tracer sur ce diagramme une trempe étagée martensitique et une trempe bainitique.

Figure 1

M

A+B

A+P

B

f

e

d

c b

a

99% 50% 1%

M50

103 102 10

Mf

Température (°C)

Temps (s)

200

400

800

Ac1

600

Ms

-100

0

A

M+Ar

P

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Exercice n° 3 :

L’acier 4140 est un acier allié souvent utilisé pour fabriquer diverses pièces devant supporter des contraintes car,

par traitements thermiques, on peut aisément moduler ses propriétés mécaniques. Ci-dessous, vous disposez du

diagramme TTT de cet acier.

Q1 : À quelle température minimale (en °C) doit être réalisée l’austénitisation de cet acier ?

Après austénitisation complète de l’acier, on désire obtenir une dureté finale (à la température ambiante) égale à 20

HRC.

Q2 : À quelle température doit-on tremper l’acier après son austénitisation ?

Q3 : Après 40 secondes de maintien à cette température, quels sont les constituants en présence dans l’acier ?

Q4 : Au bout de combien de temps (en secondes) l’acier est-il totalement transformé ?

Q5 : Quelles sont alors les constituants en présence ?

Q7 : Si l’on avait trempé à l’eau (20 °C) l’acier après 40 secondes de maintien à la température déterminée à la

question b) ci-dessus, quels auraient été les constituants obtenus à la température ambiante (20 °C)

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Exercice n° 4 :

Considérez un acier au carbone de type AISI 1050 (0,5 %C). Ci-dessous, vous disposez du diagramme TTT de cet

acier.

Cet acier 1050 est maintenu 100 secondes à 700°C puis il est trempé brusquement à la température de la pièce (20

°C).

Q1 : Quels sont les constituants formés ?

Q2 : Estimez la dureté de l’acier à la fin du traitement appliqué pour la question a) ci-dessus ? Justifiez votre réponse.

Q3 : Décrivez l’étape d’un traitement thermique qui permettrait d’obtenir une dureté de 42 HRC. Indiquez les

constituants en présence, la température à laquelle se fait cette étape ainsi que la durée de l’étape.

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Courbes TTT de l’acier 1050

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CORRECTION SERIE N°1

Exercice n°1 :

Traitements

thermiques

Microstructures

Martensite A. résiduelle Perlite Bainite

a 100%

b 75% 25%

c 37,5% 12,5% 50%

d 50% 50%

e 100%

f 37,5% 12,5% 50%

Exercice n°2 :

1) La température d’austénitisation, le temps de maintien, le milieu de refroidissement (vitesse de refroidissement (TRC) ou température de maintien en dessous de Ac1 (TTT)) ;

2) La nuance 38Cr4 est acier faiblement allié à 0.38% de carbone et 1% de chrome, la nuance C42 est un acier non allié (acier au carbone) à 0.42% de carbone ;

3) D’une façon générale la forme et la position du diagramme TTT est fortement dépendante de la teneur des éléments d’alliages et des conditions d’austénitisation ;

4) Pour la nuance C42 les domaines ferritique, perlitique et bainitique sont très proche de l’axe des ordonnées ce qui offre des temps d’incubations très très courts, le domaine bainitique et réduit. Pour la nuance 38Cr4 les différents domaines sont très décalés vers la droite ce qui facilite le passage au domaine martensitique, le domaine bainitique est large.

5)

a. à 400°C l’austénite se transforme en bainite avec une dureté 37HRC

b. à 700°C l’austénite se transforme en ferrite et perlite avec une dureté 83HRB

Exercice n°3 :

1) Ac3=790°C donc Ta=790°C + 50 = 840°C

2) T = 650°C

3) La ferrite

4) 550 secondes

5) Ferrite + perlite

6) Ferrite + martensite

Exercice n°4 :

1) Ferrite + perlite

2) ≈16 HRC (la transformation est terminée à 100 s donc un retour à la température 20°C ne change pas la microstructure)

3) T = 350°C, t ≥ 200 s, le constituant est la bainite

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SERIE N°2

Exercice n°1 :

Soit le diagramme TRC de l’acier 35NiCrMo5 donner ci-dessous.

35NiCrMo5

C% Mn% Si% S% P% Ni% Cr% Mo% Cu%

0,33 0,72 0,24 0,01 0,01 1,22 0,54 0,17 0,17

Austénitisé à 850°C 30mn Grosseur du grain : 10-11

Q1 : Que signifient les symboles repérés sur le diagramme TRC

Ac1, Ac3, Ms, M50, M90 ?

Q2 : On suit l’une des allures des courbes de refroidissement, dans le diagramme TRC correspondant à une certaine

vitesse de refroidissement de l’acier 35NiCrMo5 et provoquant la dureté 32 HRC de la structure finale.

2- a- Quels sont les constituants structuraux qui forment cette structure ?

2- b- Que signifient les chiffres « 2 », « 80 » repérés sur la courbe ?

Q3 : Tracer sur le diagramme TRC les courbes de vitesses critiques de refroidissements suivantes :

- V1 : Vitesse critique de trempe martensitique.

- V2 : Vitesse critique de trempe bainitique.

- V3 : Vitesse critique de recuit.

Q4 : Déterminer ces vitesses critiques ?

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Exercice n° 2 :

Soit une pièce en acier 16NiCr6, on donne le diagramme TRC.

Q1 : Donner la composition chimique et les conditions d’austénitisation de cet acier ?

Q2 : Déterminer la vitesse critique de trempe martensitique VCT?

Q3 : Déterminer les vitesses de refroidissement V1, V2, V3 et V4 pour les courbes repérées 1, 2, 3 et 4 sur le

diagramme ?

Q4 : Donner la constitution et la dureté de l’acier pour chacune des vitesses de refroidissement V1, V2, V3 et V4

Q5 : D’après le diagramme TRC, définir un procédé qui permet d’avoir une structure composée uniquement de la

ferrite et de la perlite, donner la vitesse de refroidissement et la dureté.

16 Ni Cr 6

C% Mn% Si% S% P% Ni% Cr% Mo% Cu%

0,15 0,55 0,3

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Exercice n° 4 :

Soient (ci-dessous) deux diagrammes TRC de la nuance 16MnCr5et de la nuance 21CrMoV5-7

Acier : X8Ni9

Acier : C35E

Acier : 50CrMo4

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Exercice n°4 :

Q1 : Donner la signification de la désignation normalisée de chaque type de nuance ?

Q2 : Donner les conditions d’austénitisation pour chaque nuance ?

Q3 : Analyser la courbe qui obéit à la loi de refroidissement conduisant à une dureté égale à 20 HRC pour la nuance

21CrMoV5-7 et une de 30 HRC pour la nuance 16MnCr5

Q4 : Calculer la vitesse de refroidissement correspondant à cette valeur de dureté pour chaque type de nuance

donnée dans la question 3°).

Q5 : Calculer la vitesse critique de trempe martensitique pour chaque nuance.

Q6 : En se basant sur la question précédente, quelle est la nuance qui donne la bonne trempabilité ; Justifier votre

réponse ?

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CORRECTION SERIE N°2 Exercice n°1 :

1) a. Ac1 : la limite minimale d’existence de l’austénite ; b. Ac3 : la limite maximale d’existence de la ferrite ; c. Ms : le début de la transformation martensitique ; d. M50 : 50% d’austénite se sont transformée en martensite ; e. M90 : 90% d’austénite se sont transformée en martensite ;

2) a. 2% ferrite + 80% bainite +18% martensite ; b. Pourcentage massique d’austénite transformée respectivement en ferrite et en bainite ;

Exercice n°2 :

1) La composition chimique est :

NB. : Ces informations figurent sur le diagramme TRC.

C% Mn% Si% S% P% Ni% Cr% Mo% Cu%

0,15 0,55 0,3

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La très bonne trempabilité du X8Ni9 est manifestement due à la présence du 9% de nickel aussi la

présence du chrome et du molybdène dans le 50CrMo4 on favorisées sa trempabilité. La mauvaise

trempabilité du C30E est nécessairement due à l’absence des éléments d’alliage et la teneur faible

en carbone.

2)

a. VCT (X8Ni9) = 2.22 °C/s

b. VCT (50CrMo4) = 19.05 °C/s

c. Le diagramme TRC du C30E ne nous permet pas de calculer la VCT puisque elle tend vers

l’infini

En se basant sur les vitesses critiques de trempe des trois nuances on peut faire le classement

suivant en termes de trempabilité décroissance

X8Ni9 > 50CrMo4 > C30E

Ce résultat vient consolider notre constatation faite à la question précédente.

Exercice n°4 :

1) Selon la désignation normalisée

a. 21CrMoV5-7 est un acier faiblement allié à 0.21% de carbone, 1.25% de chrome, 0.8% de

molybdène et quelque trace de vanadium ;

b. 16MnCr5 est un acier faiblement allié à 0.16% de carbone, 1.25% de manganèse et

quelque trace de chrome ;

2)

a. 21CrMoV5-7 : Ta= 975 °C, tm = 30 min

b. 16MnCr5 : Ta= 850 °C, tm = 30 min

3)

a. La courbe conduisant à une dureté de 30 HRC pour le 16MnCr5 donne une structure finale

composée de :

35% ferrite + 47% bainite + 18% martensite

b. La courbe conduisant à une dureté de 20 HRC pour le 21CrMoV5-7 donne une structure

finale composée de :

60% ferrite + 40% bainite

4)

a. 21CrMoV5-7 : 300

700V = 0.08 °C/s

b. 16MnCr5 : 300

700V = 5.26 °C/s

5)

a. 21CrMoV5-7 : VCT = 266.66 °C/s

b. 16MnCr5 : VCT = 133.33 °C/s

6) La nuance 16MnCr5 à une trempabilité meilleure que celle de la nuance 21CrMoV5-7 parceque la

première à une vitesse critique de trempe plus lente