Amélioration des propriétés mécaniques des métaux. Introduction

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1 Amélioration des propriétés mécaniques des métaux Traitement thermique des aciers Chapitre Chapitre 10 9/10-1 Introduction Que peut-on faire pour améliorer les propriétés mécaniques d un métal? Quelles sont les quatre méthodes que nous avons vu la semaine dernière? Aujourd hui voyons ce que l on peut faire pour les métaux ferreux : Aciers et fontes : 90 % de la production mondiale de matériaux métalliques; Ils existent en grande quantité sur la croute terrestre; Sont si importants que l on parle de l age du fer; Fabrication peu couteuse Grande souplesse de mise en forme On peut modifier leur propriétés en additionnant des éléments d alliage et aussi en faisant des traitements thermiques; Malheureusement ils sont très succeptible à la corrosion Sont Lourds : Aciers : 7.86 g/cm 3 ; Inox : 7.6 à 8 g/cm 3» Fontes : 7.1 à 7.3 g/cm 3 9/10-2

2 Introduction Contenu Transformation de phases Introduction Transformation isothermes : Formation de la perlite; Formation de la bainite; Formation de la martensite et de la martensite de revenu; Formation de sphéroidite Traitement thermique des aciers (sera vu dans le cours 11) Traitement thermique dans la masse : trempabilité Traitements de surface Les récuits Transformation en refroidissement continu 9/10-3 Objectifs des traitements thermiques des alliages ferreux But : Contrôler les propriétés de mise en forme, mécaniques, autres. Moyen : Modifier la microstructure. Provoquer la formation des microstructures favorables pour la mise en forme et pour améliorer les propriétés mécaniques. Comment : Traitement thermique Modifier la nature des constituants présents. Modifier la forme et la répartition des constituants. Atténuer les hétérogénéités de composition chimique. Conséquences : Élimination des contraintes internes et modification de leur répartition avec modification de la microstructure. Rétablit les propriétés d un acier écrouit 9/10-4

3 Traitements thermiques des alliages ferreux Modifier la nature des constituants présents : durcissement par trempe, recuit et traitement par froid. Chauffage Palier à température constante Vitesses de refroidissement Refroidissement V1 V2 V3 Temps Facteurs qui influencent le traitement thermique température de traitement; temps de maintien à la température de traitement; nuance (type d alliage) du matériau; travaux antérieurs effectués sur le matériau; nombre de cycles (nombre de traitements); mode de vieillissement : Vitesse de refroidissement, Type et température du milieu de trempe, Agitation du milieu de trempe. 9/10-5 Introduction Contenu Transformation de phases Introduction Cinétique des réactions : vitesse de transformation Transformation isothermes : Formation de la perlite; Formation de la bainite; Formation de la martensite et de la martensite de revenu; Formation de sphéroidite 9/10-6

4 Diagramme d équilibre Fe-C Aciers Fontes 9/10-7 Diagramme Fe-C 8 γ α + Fe 3 C Source: Science et Génie des Matériaux W.D. Callister 9/10-8

5 Austenite! Diagramme Fe-C 9 TRANSFORMATION EUTECTÓIDE : 325x! Ferrite! Microestruture PERLITE 90x! 500x! Source: Science et Génie des Matériaux W.D. Callister 9/10-9 Tout prends du temps!!! 9/10-10

6 Germination et croissance Source: Introduction to Materials Science for Engineers, 7th Edition, J.F. Shackelford 9/10-11 Cinétique de transformation Temperature constante Fraction transformée Germination Croissance Log temps Source: Science et Génie des Matériaux W.D. Callister 9/10-12

7 Cinétique de transformation eutectoide Pourcentage de perlite Pourcentage d austénite Temps Courbes en S de cinétique de transformation isotherme d un acier de composition eutectoide (0.8 %). Décomposition de la phase austenite et formation de ferrite + cementite, soit de la perlite. 13 Source: Science et Génie des Matériaux W.D. Callister Germination et croissance de la perlite aux contours de grains d austénite 9/10-13 Cinétique de transformation Importance du temps et de la température sur les propriétés finales. Pour chaque température => tracer l i n t e r v a l l e d e t e m p s d e l a transformation => diagramme TTT (Temps température - transformation). Source: Science et Génie des Matériaux W.D. Callister 9/10-14

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9 Perlite A 600ºC (droite isotherme) A t = 2s => début de la transformation A t = 6s => 50% de γ et 50% de perlite A t = 12 s => 100% de perlite Au final Échantillon => 100% de perlite fine (α + Fe3C) ayant une dureté de 40 HRC Remarque Plus Tº est élevée et plus la perlite sera grossière 100 % perlite 9/ /10-18

10 Bainite A 360ºC (droite isotherme) A t = 10s => début de la transformation A t = 300 s => 100 % de bainite Au final Échantillon => 100 % de bainite (α + Fe3C) ayant une dureté de 50 HRC Remarque Quand T < 500ºC => Fe3C ne peut plus croitre sous forme de lamelles => fins précipités. 100 % bainite 9/ /10-20

11 9/10-21 Martensite A A3 R e f ro i d i s s e m e n t r a p i d e = > transformation de l austénite en martensite (transformation martensitique). Au final Échantillon => 100 % de martensite ayant une dureté de 64HRC. Remarque Formation d aiguilles de martensite (ferrite sursaturé en carbone), se forme si % C > 0.6 %. 100 % martensite 9/10-22

12 Transformation martensitique Pourquoi l apparition de martensite? Les atomes de carbone n ont plus le temps de diffuser pour former 2 phases α et Fe 3 C. Conséquences Apparition de contraintes internes Martensite = ferrite sursaturé en C La présence des atomes de C en sites octa Distorsion du réseau Fig (a) Cellule unitaire de martensite (QC) et d austénite (CFC) (b) Plus il y a de carbone dans la martensite, la structure tetragonale de la Martensite devient marquée Caractéristiques Phase très dure mais également très fragile (faible ductilité) => intérêt d obtention de martensite revenue. 9/10-23 Influence de la température de transformation sur les propriétes Limite de Résistance (Psi) Effet de la température de transformation sur les propriétés d un acier eutectoide % Allongement Source: Essentials of Materials Science and Engineering, D.R. Askeland, P.P. Fulay 9/10-24

13 50 % perlite 50 % bainite 9/10-25 Revenu après une trempe Améliorer la ténacité et la formabilité du matériau trempé. Baisser Rm, Re et la dureté. Relaxer les contraintes résiduelles. A3 A1 500 T ( C) Revenu classique haute température Tr Traitement cryogénique en dessous de 200 C Revenu basse température 200 Temps : tr Temps : tr temps 9/10-26

14 Martensite revenue Principe : La martensite étant une phase métastable => tendance à se décomposer pour reformer α et Fe 3 C. Cette décomposition est accentuée par la température (plus T est grande et plus elle sera rapide) => revenu. Conséquences : Diminution de la dureté, R m et R e, Augmentation de la ductilité, Relaxe les contraintes résiduelles. 9/10-27 Résumé de la transformations de phase des aciers de composition eutectoide Austénite Refroidissement lent Refroidissement mi-rapide Refroidissement rapide Perlite (α + Fe 3 C) + phase pro-eutectoïde Bainite (phases α + Fe 3 C) Martensite (Phase quadratique centrée) chauffage Martensite revenue (phases α + Fe 3 C) 9/10-28

15 Paramètres contrôlant la transformation eutectoide La perlite se forme pour les aciers hypoeutectoide et pour les aciers hypereutectoide. Evolution de la microstructure des aciers hypo et hypereutectoide Source: Essentials of Materials Science and Engineering, D.R. Askeland, P.P. Fulay 9/10-29 Recuit des alliages à base de fer A 1 limite inf. de la transformation eutectoïde 9/10-30

16 Paramètres contrôlant la transformation eutectoide Diagramme TTT pour un acier 1050 (a) et Source: Essentials of Materials Science and Engineering, D.R. Askeland, P.P. Fulay 9/10-31 Exercice EXERCICE 6-7 En considérant le diagramme TTT de laacier 3140, répondez à ces questions, où T = température de trempe (en C) et t = temps de transformation à cette température. a) Quelle est la température minimale daausténitisation? b) T = 700 / t = 3s. Quelles sont les phases en présence? c) T = 700 / t = 20 s. Quelles sont les phases en présence? d) T = 650 / t = 100s. Quels sont les constituants en présence? Quelle est la dureté? e) T = 450 / t = 20s puis trempe à laeau à 20 C. Quels sont les constituants en présence? f) Trempe à laeau à 20 C. Quels sont les constituants en présence? Quelle est la dureté? Des Matériaux, J.P. Baillon, J.M. Dorlot 9/10-32

17 Exercice Des Matériaux, J.P. Baillon, J.M. Dorlot 9/10-33 Exercice 1. De très bonnes conditions de dureté, résistance et tenacité sont obtenues avec de la bainite. Un acier de composition eutectoide a été austenitisé à 100 % à 750 o C. Ensuite, il a été trempé à 250 o C pour 15 minutes et refroidi jusqu à la température ambiante. Quelle fut la structure obtenue? Source: Essentials of Materials Science and Engineering, D.R. Askeland, P.P. Fulay 9/10-34

18 Exercice 1. Un acier qui possède une microstructure contenant 50 % de ferrite et 50 % de martensite, possède une bonne combination de propriétés. La martensite lui confère une certaine résistance alors que la ferrite lui confère ductilité et ténacité. Concevoir un traitement thermique qui produise cette microstructure dans laquelle la phase martensitique contient 0.60 % de Carbone. Source: Essentials of Materials Science and Engineering, D.R. Askeland, P.P. Fulay 9/10-35