La transformation de l'acier pendant le refroidissement
Le refroidissement est une étape indispensable du processus de traitement thermique.
Après qu'une pièce en acier a été chauffée et maintenue à une certaine température pour obtenir de l'austénite avec des grains fins et uniformes, le refroidissement est ensuite effectué.
I. Produits de transformation et processus de transformation de l'austénite surfusionnée
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Austénite surfusionnée: Austénite qui reste non transformée (en termes de structure) en dessous du point critique A₁.
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À ce stade, l'austénite surfusionnée ne se transforme pas immédiatement ; au lieu de cela, elle se trouve dans un état thermodynamiquement instable (en tant que structure instable) et subira finalement une transformation.
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Selon le degré de surfusion (c'est-à-dire les différentes températures de transformation), l'austénite surfusionnée subit trois types de transformation :
- Transformation perlitique
- Transformation bainitique
- Transformation martensitique
1. Transformation perlitique
- Condition de transformation: L'austénite surfusionnée se transforme en une structure de type perlite dans la plage de température de A₁ → 550°C.
- Produit de transformation: Une structure de mélange mécanique constituée de lamelles alternées de ferrite et de cémentite.
- La perlite est l'une des cinq structures les plus fondamentales des alliages fer-carbone. Elle est désignée par la lettre "P" (de "Perlite"). Le nom provient de son éclat perlé.
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Classification : Basée sur l'épaisseur des lamelles
Perlite (P)
Température de formation : A₁ ~ 650°C ; c'est un type de perlite avec des lamelles relativement épaisses. Au microscope optique, la structure lamellaire de la ferrite et de la cémentite peut être clairement distinguée, avec un espacement lamellaire d'environ 150 ~ 450 nm.
Sorbite (S)
Température de formation : 650 ~ 600°C ; elle a des lamelles relativement fines, avec une épaisseur d'environ 80 ~ 150 nm. Les lamelles sont difficiles à distinguer au microscope optique et ne peuvent être identifiées que comme la structure lamellaire de la ferrite et de la cémentite au microscope optique à fort grossissement (à un grossissement de 800 ~ 1500×).
Troostite (T)
Température de formation : 600 ~ 550°C ; elle a des lamelles extrêmement fines, avec une épaisseur d'environ 30 ~ 80 nm. Les caractéristiques lamellaires ne peuvent pas être distinguées du tout au microscope optique et ne peuvent être identifiées qu'au microscope électronique.
La température d'austénitisation et la taille des grains d'austénite avant la transformation n'affectent que la taille des colonies de perlite, mais n'ont aucun impact sur l'espacement lamellaire.
De la perlite (P) à la sorbite (S) puis à la troostite (T), plus la température est basse, plus l'espacement lamellaire est petit, et plus la résistance et la dureté sont élevées. Elles ne diffèrent que par la finesse et les propriétés des lamelles, sans distinction essentielle.
Comme pour le processus d'austénitisation pendant le chauffage, le processus de transformation perlitique pendant le refroidissement est également un processus de nucléation et de croissance à l'état solide.
De même, en raison de l'arrangement atomique irrégulier aux joints de grains, ainsi que de davantage de défauts tels que les lacunes et les dislocations, le réarrangement atomique se produit facilement, de sorte que la cémentite se nucléée en premier aux joints de grains d'austénite.
Après la nucléation de la cémentite, elle commence à croître. Pendant le processus de croissance, la teneur en carbone de l'austénite des deux côtés de la cémentite diminue, ce qui favorise la nucléation de la ferrite. Les deux se nucléent et croissent alternativement, formant de multiples structures lamellaires composées de ferrite et de Fe₃C.
En même temps, la nucléation et la croissance commencent également simultanément dans d'autres parties des joints de grains, formant de multiples colonies de perlite avec des orientations différentes.
Ces colonies de perlite croissent et fusionnent en une masse continue, et finalement, toute la structure est transformée en perlite ; ainsi, la transformation de l'austénite surfusionnée en perlite est terminée.
Étant donné que les atomes de fer et de carbone diffusent suffisamment en raison de la température élevée pendant la transformation de l'austénite en perlite, ce processus est appelé une transformation de type diffusion.
2. Transformation bainitique (B)
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Condition de transformation: L'austénite surfusionnée se transforme dans la plage de température de 550°C ~ Ms. Pour l'acier eutectoïde, la température Ms est de 230°C.
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Produit de transformation: Un mélange mécanique à deux phases de Fe₃C (cémentite) et de ferrite sursaturée en carbone, désigné par la lettre "B".
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En 1930, E.S. Davenport et E.C. Bain ont d'abord observé la structure métallographique du produit de transformation dans l'acier après une transformation isotherme à température moyenne. Plus tard, pour honorer les contributions de Bain, cette structure a été nommée "Bainite".
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Basée sur les différences de leurs morphologies microstructurales, la bainite peut être classée en :
- Bainite supérieure (B_u)
- Bainite inférieure (B_l)
Bainite supérieure (B₍upper₎ / Bᵤ)
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Morphologie: En forme de plume.
La cémentite discontinue en forme de baguette (Fe₃C) est distribuée entre des lattes de ferrite parallèles qui croissent des joints de grains d'austénite vers l'intérieur du grain.
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Bainite inférieure (B₍lower₎ / Bₗ)
Morphologie: En forme de feuille de bambou. Des carbures fins et en forme d'écailles (Fe₃C) sont distribués sur les aiguilles de ferrite.
Caractéristiques de performance de la bainite inférieure:
Les carbures dans la bainite inférieure sont fins et uniformément répartis. En plus d'une résistance et d'une dureté élevées, elle possède également une bonne plasticité et ténacité, ce qui en fait une structure couramment utilisée dans la production industrielle. L'obtention de la structure de bainite inférieure est l'une des méthodes pour renforcer les matériaux en acier.
Dans les mêmes conditions de dureté, la résistance à l'usure de la structure de bainite inférieure est significativement meilleure que celle de la martensite, pouvant atteindre 1 à 3 fois celle de la martensite. Par conséquent, l'obtention de la bainite inférieure comme structure matricielle dans les matériaux en fer et en acier est un objectif poursuivi par les chercheurs et les ingénieurs.
1) Processus de formation de la bainite supérieure
Lorsque la température de transformation est relativement élevée (550 ~ 350°C), les noyaux de ferrite se forment préférentiellement dans les régions à faible teneur en carbone de l'austénite. Ces noyaux croissent ensuite parallèlement des joints de grains d'austénite vers l'intérieur du grain. Pendant ce temps, à mesure que la ferrite croît, les atomes de carbone en excès diffusent dans l'austénite environnante. Finalement, des Fe₃C (cémentite) en forme de baguettes courtes ou de petites écailles précipitent entre les lattes de ferrite, distribuées de manière discontinue parmi les lattes de ferrite parallèles et denses, formant ainsi une bainite supérieure en forme de plume.
2) Processus de formation de la bainite inférieure
Les noyaux de ferrite se forment d'abord aux joints de grains d'austénite, puis croissent en forme d'aiguille le long de plans cristallins spécifiques. En raison de la température de transformation relativement basse de la bainite inférieure, les atomes de carbone en excès ne peuvent pas diffuser sur de longues distances ; au lieu de cela, ils ne peuvent précipiter que sous forme de carbures extrêmement fins (Fe₃C) le long de plans cristallins spécifiques à l'intérieur de la ferrite. Ce processus entraîne la formation d'une bainite inférieure en forme de feuille de bambou.
3. Transformation martensitique (M)
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Condition de transformation: La plage de température est inférieure au point Ms.
L'austénite surfusionnée ne peut pas se transformer à une température constante dans cette plage de température ; au lieu de cela, elle subit une transformation pendant un refroidissement continu avec un très grand degré de surfusion.
Produit de transformation: Une solution solide interstitielle sursaturée de carbone dans α-Fe (ferrite), désignée par le symbole "M".
Dans les années 1890, la martensite a été découverte pour la première fois dans un minéral dur par le métallurgiste allemand Adolf Martens (1850-1914). En 1895, le Français F. Osmond a nommé cette structure "Martensite" en l'honneur du métallurgiste allemand A. Martens.
Classification de la martensite
Les types de martensite les plus courants sont au nombre de deux :
martensite en lattes et
martensite aciculaire.
Le type de martensite formé dépend de la teneur en carbone dans l'austénite:
Lorsque la teneur en carbone est supérieure à 1,0 %, on obtient de la martensite aciculaire ; Lorsque la teneur en carbone est inférieure à 0,2 %, on obtient de la martensite en lattes ; Lorsque la teneur en carbone est entre 0,2 % et 1,0 % (0,2 % < C% < 1,0 %), on obtient une structure mixte des deux types.
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