Définition et microstructure d’un acier au carbone

Figure 1.1 : structures des mailles cristallines [22]

Pour augmenter les performances mécaniques du fer (au voisinage de la température ambiante), il faut diminuer ses possibilités de déformation plastique [43] ; celles-ci dépendant de la mobilité des dislocations, il faudra alors installer des obstacles sur le parcours de ces dernières. Ces obstacles pourront être :

d’autres dislocations générées par écrouissage ou par trempe ; des atomes étrangers introduits en solution solide ;

des précipités ;

des joints de grain [ibid.].

1.5.2.3. Définition et microstructure d’un acier au carbone

On appelle acier un alliage de fer et de carbone dont la teneur en carbone est inférieure à 2% massique. Cette teneur limite vient de la limite de solubilité du carbone, à haute température, dans la phase cubique à faces centrées du fer, appelée austénite. D’autres éléments d’alliages sont généralement ajoutés à l’alliage fer-carbone (Fe-C) afin d’améliorer les caractéristiques mécaniques [22].

Page | 16 On entend par solubilité la quantité d’éléments d’alliage que l’on peut introduire en solution solide [20].

Dans la structure , le nombre d’atomes par maille est plus important : quatre atomes par maille contre deux pour la structure cubique centrée.

De plus, chacune de ces phases possède des sites interstitiels que seuls les atomes de faibles rayons peuvent occuper. Compte tenu du rayon des atomes métalliques, seul les atomes hydrogène (H), oxygène (O), azote (N), carbone (C) et bore (B) peuvent se placer en position interstitielle [22]. Les valeurs des rayons des sites octaédriques de chacune des phases, ainsi que les rayons atomiques de ces cinq éléments, sont présentés dans le tableau 1.1.

Tableau 1.1 : rayon des sites interstitiels octaédriques des deux phases du fer et des éléments pouvant occuper ces mêmes sites [22]

a) rayons des éléments atomiques b) rayons des sites

Dans les deux phases, l’occupation par un atome de carbone d’une position interstitielle crée une distorsion dissymétrique du réseau cristallin [30], le rayon atomique du carbone étant plus élevé que celui du site interstitiel qu’il occupe.

Néanmoins, dans le cas de la structure cubique centrée de la ferrite, les sites octaédriques sont de bien plus petites dimensions que dans la structure (0,019 ! contre 0,053 ! pour la structure (). Ainsi, le carbone ne

structure Rayon du site octaédrique (#$)

0.053

Page | 17 possède pas la même limite de solubilité dans les deux phases (tableau 1.2). Elle est plus élevée dans l’austénite [17].

Tableau 1.2 : Solubilité du carbone dans le fer [17]

_∝

Figure 1.2 : diagramme de phases de l’alliage binaire Fe-C [17].

Page | 18 A la lecture du diagramme de la figure 1.2, il apparaît que pour une concentration précise de carbone dans l’acier, à savoir 0,77 % massique, le passage de la phase ( + _* à la phase austénitique + se produit de manière isotherme. On parle d’une transformation eutectoïde. Les domaines de transformations traversés pour des teneurs inférieure et supérieure à 0,77% sont alors différents.

La convention suivante a été adoptée :

un acier de teneur en carbone égale à 0,77 % massique est appelé acier eutectoïde,

un acier de teneur inférieure à 0,77 %, est appelé acier hypoeutectoïde, un acier dont la teneur est supérieure à 0,77 % est qualifié d’acier hypereutectoïde [23].

Les transformations de phases à l’état solide peuvent principalement être gouvernées par deux modes différents, à savoir la diffusion ou un mouvement coordonné d’atomes, sans diffusion [14].

Dans le cas des aciers, au cours du refroidissement, la phase austénitique n’est plus stable. La vitesse de refroidissement modifie la nature des transformations de phase qui peuvent se produire :

− si la vitesse de refroidissement est faible, on se trouve dans un état proche de l’équilibre. La diffusion du carbone est alors possible. Le refroidissement de la phase austénitique va ainsi conduire à la formation d’un mélange ( + _*.

− Si la vitesse de refroidissement est rapide, le carbone ne peut pas diffuser et se retrouve piégé dans la maille. Cette transformation est hors d’équilibre et conduit à la formation d’une phase métastable : la martensite.

− Pour des vitesses de refroidissement intermédiaire, les structures bainitiques sont observées [23].

Page | 19 Il existe une forte corrélation entre la structure d’une phase, ses propriétés mécaniques et sa teneur en carbone (tableau 1.3).

Tableau 1.3 : Ampleur des variations des performances mécaniques dans le cas d’un acier du type 34CrMo4 [43].

Acier 34CrMo4

Figure 1.3 : Variations approximatives de la dureté et de la résistance à la traction des aciers en fonction de leur teneur en carbone et de leur état

structural [42]

La structure martensitique est donc celle qui présente plus d’intéressantes performances mécaniques. Les transformations de refroidissement rapide sont

Page | 20 donc un moyen de développer toute une classe d’aciers qui de par leur structure martensitique vont proposer des propriétés mécaniques intéressantes.

1.5.2.5. Les différentes nuances d’aciers 1.5.2.5.1. Définitions

Un alliage est le métal obtenu en ajoutant à un métal pur d’autres éléments appelés éléments d’alliage. On peut citer comme exemple le laiton (Cu + Zn) et le monel (Ni + Cu) [6].

Les constituants d’un alliage sont les éléments chimiques qui le constituent [4] : dans le laiton, ce sont le cuivre et le zinc. Dans le monel, ce sont le cuivre et le nickel.

Un système d’alliages est constitué de l’ensemble des alliages obtenus à partir de même groupe de constituants. Le système Cu-Zn est le système de tous les alliages contenant le cuivre et le zinc en différentes proportions [ibid.].

En dehors de la variation du pourcentage de carbone, on peut modifier les caractéristiques mécaniques et aptitudes technologiques des aciers par l’addition d’autres éléments [19]. Dans ce mémoire, nous nous intéresserons aux éléments d’addition suivants :

le Chrome (,), le Cobalt (-) le Nickel (.) le Manganèse (/!) le Molybdène (/-) le Tungstène (0) et le Vanadium (1)

Leur influence individuelle et/ou synergique sera étudiée plus loin.

Page | 21 1.5.2.5.2. Les diverses nuances d’aciers

1.5.2.5.2.1. Les aciers utilisés à l’état ferrito-perlitique Les aciers utilisés à l’état ferrito-perlitique sont des alliages fer/carbone hypoeutectoïdes ne contenant généralement pas d’éléments d’alliage (à l’exception des additions nécessaires à l’élaboration ; Mn ≤1,65%, Si ≤ 0.5%

éventuellement Al≤ 0,1%) [42]. Leur état structural ne confère pas à ces aciers une résistance mécanique élevée, mais il leur donne une grande plasticité assurant une bonne sécurité d’emploi et facilitant le soudage. Parmi ces aciers, on trouve :

les aciers de construction métallique : ces aciers contiennent souvent du manganèse (teneur inférieure à 1,7% environ) et parfois des micro-additions du niobium (0,05%) et/ou du vanadium (moins de 0,15%) [42].

Les aciers pour appareils à pression : ces aciers doivent satisfaire à des exigences particulières relatives à leur résistance à la rupture fragile (température de transition) et, lorsqu’ils sont employés à température supérieure à l’ambiante, à leur limite d’élasticité à chaud et à leur tenue au fluage [ibid.].

Les aciers pour emboutissage et pliage à froid : ce sont des aciers non alliés (et généralement à basse teneur en carbone) livrés en produits plats, auquel il est demandé de présenter des propriétés particulières de ductilité, d’emboutissage et d’état de surface.

1.5.2.5.2.2. Les aciers martensitique revenu

Les aciers utilisés à l’état martensitique et revenu sont des alliages fer/carbone qui peuvent :

− ne pas contenir d’éléments d’alliage ; ils sont alors dits non alliés. Leur désignation commence par la lettre C suivie de la teneur moyenne en

Page | 22 carbone multipliée par 100, suivie elle-même de symboles précisant des données ; ainsi, E indique que la teneur en soufre est limitée supérieurement, R indique que la teneur en soufre est bornée à la fois inférieurement et supérieurement ; par exemple, C35R signifie : acier non allié à teneur en carbone moyenne de 35/100 (0,35%) et à teneur en soufre comprise entre 0,020% et 0,040% [42] ;

− contenir des éléments d’alliage (pour améliorer leur trempabilité et provoquer la précipitation des carbures spéciaux) ils sont alors dits alliés.

Leur désignation précise leur composition chimique moyenne ; elle commence par la teneur moyenne en carbone multipliée par 100, suivi des symboles chimiques des éléments d’alliage, eux-mêmes suivis d’indications chiffrées concernant les teneurs moyennes en ces éléments ; par exemple, 34CrMoS4 signifie : acier allié à teneur en carbone moyenne de 34/100 (0,34%) et à teneur moyenne en chrome de 4/4 (1%), la teneur en soufre étant comprise entre 0,02 et 0,04% [ibid.].

L’état structural d’emploi, qui est différent de l’état de livraison, est généralement obtenu, après mise en forme, par un traitement thermique de trempe et de revenu (nous y reviendrons). Cet état confère à ces aciers une résistance mécanique élevée tout en conservant une plasticité suffisante pour assurer une bonne sécurité d’emploi. Parmi ces aciers, on trouve :

les aciers de construction mécanique : ces aciers sont destinés à subir des traitements thermiques et doivent, de ce fait, répondre à des exigences relatives à leur trempabilité. Des éléments d’alliage (chrome, nickel, molybdène, vanadium notamment et parfois silicium) apportent surtout la trempabilité et, éventuellement, des aptitudes particulières au durcissement secondaire. Les plus alliés peuvent atteindre des niveaux élevés de résistance et sont susceptibles d’être utilisés à des températures extrêmes [42].

Page | 23 Les aciers à outils : parmi ces aciers spéciaux on distingue :

• les aciers non alliés pour travail à froid, qui sont des alliages fer/carbone hypereutectoïdes aptes aux traitements thermiques avec, pour certains, de très faibles teneurs en éléments résiduels et, pour d’autres, de petites additions de chrome (≤ 0,50%) ou de vanadium (≤ 0,15%) [ibid.].

• Les aciers alliés pour travail à froid, catégorie comportant des aciers résistant à l’usure à hautes teneurs en carbone, des aciers résistant aux chocs avec des teneurs en carbone modérées (0,3 à 0,6%), et des aciers résistant à certaines corrosions (hautes teneurs en chrome).

• Les aciers alliés pour travail à chaud, dont le traitement thermique met en œuvre le durcissement secondaire (ils contiennent de fortes teneurs en éléments carburigènes). Le revenu, après trempe, est dont les éléments d’alliage de base sont le tungstène, le molybdène, le vanadium et le chrome avec des teneurs en carbone de l’ordre de 0,7 à 1% (aciers de base) ou supérieures à 1% (aciers surcarburés), et éventuellement des additions de cobalt (5 à 10% pour améliorer la tenue à chaud). Leur traitement thermique particulier comporte, après trempe martensitique deux revenus réalisés vers 575°C (le premier décompose la martensite et déstabilise l’austénite résiduelle

Page | 24 qui se transforme en martensite au cours du refroidissement qui suit, le second décompose cette martensite vierge) [42].

1.5.2.6. Influence des éléments d’alliages 1.5.2.6.1. Le Carbone

Elément essentiel pour durcir l'acier. Au-delà de 0.6% de carbone, on atteint la zone des aciers à outils caractérisée par de hauts niveaux de dureté et qui correspond au domaine des aciers de travail à froid des aciers à coupes rapides [11]. L'augmentation progressive de la teneur en carbone conduit à une réduction des domaines de température correspondant à la transformation à chaud et au traitement thermique [48].

1.5.2.6.2. Le Chrome

Cet élément est utilisé dans la plupart des aciers à outils, en quantité allant de 0.5 à 17%. Le chrome joue un rôle essentiel dans l'augmentation de la trempabilité. Il forme des carbures qui participent à la résistance à l'abrasion et s'opposent au grossissement de grains lors de l'austénitisation [20]. Il provoque, par ailleurs, un certain retard à l'adoucissement lors du revenu, ce qui améliore la résistance à chaud. Il entraîne également une très forte réduction de l'oxydation à haute température [48-55].

1.5.2.6.3. Le Cobalt

II est communément ajouté en quantités variables entre 3 et 15 %, notamment dans les aciers rapides qui travaillent dans des conditions sévères. II permet d'effectuer la trempe à des températures plus élevées. II accroît la dureté à chaud dans toute l'échelle de température allant de l'ambiante à 600 °C et retarde le

Page | 25 vieillissement de l'acier au-delà du durcissement secondaire [30]. II améliore également la résistance à l'oxydation catastrophique de l'acier lors du chauffage entre 1 000 et 1 100°, surtout pour des teneurs supérieures à 5 %. Par contre, il diminue la ductilité de l'acier pour des teneurs supérieures à 3 % et a une action néfaste sur la trempabilité, si bien que les nuances à forte teneur en cobalt posent des problèmes d'obtention de dureté pour des outillages de dimensions importantes [16].

1.5.2.6.4. Nickel

Le nickel, à l'exception de certains aciers d'outillages à chaud, se trouve simplement comme élément résiduel dans les aciers à outil, à des teneurs inférieures à 0,3 % [36]. En raison de son influence directe sur le taux d'austénite résiduelle après trempe, cet élément entraîne des difficultés de traitement thermique au revenu dans les aciers à outil chargés en carbone et éléments carburigènes. Il a une influence favorable sur la trempabilité, la résistance aux chocs et la ténacité, mais défavorable sur la résistance au revenu [48].

1.5.2.6.5. Manganèse

Le Manganèse a, sur le comportement des aciers à outil, une influence analogue à celle du nickel. II se trouve, en général, présent comme élément résiduel à des teneurs comprises entre 0,3 et 0,5 %. Certains aciers à outil contiennent jusqu'à 2 % de manganèse pour des problèmes de trempabilité [26].

1.5.2.6.6. Tungstène

Le tungstène ne se met que très peu en solution dans la cémentite, mais donne naissance à des carbures de haute dureté conférant aux aciers une grande

Page | 26 résistance à l'usure. De plus il offre, il offre la possibilité de durcissement secondaire. Par la présence de carbures primaires, le tungstène diminue la tendance des aciers au grossissement du grain par surchauffe. Sa forte masse atomique en fait un élément très ségrégé, d'où une augmentation sensible de l'hétérogénéité de l'acier.

Les aciers à outils au tungstène sont peu sensibles à la décarburation, mais ont une résistance thermique assez faible [48].

1.5.2.6.7. Molybdène :

Ils se comportent comme le tungstène. Les aciers au molybdène présentent par rapport aux aciers au tungstène, un certain nombre d’avantages et d’inconvénients :

Avantages : meilleure ductilité et densité plus faible.

Inconvénients : plus grande sensibilité á la décarburation et au phénomène d'oxydation catastrophique pour des maintiens entre 1 000 et 1 100 °, plus grande sensibilité au phénomène de surchauffe, d'où réduction de la fourchette de température de trempe [ibid.].

1.5.2.6.8. Vanadium :

Utilisé essentiellement comme élément générateur de carbures. C'est un élément d'alliage important dans les aciers rapides pour l'obtention d'une bonne dureté à chaud et une bonne résistance à l'usure. De petites additions voisines de 0.2%

en masse sont très efficaces pour éviter le grossissement du grain lors du traitement thermique. Le Vanadium est rarement utilisé seul dans les aciers à outil, mais la plupart du temps en association avec le chrome, molybdène et le tungstène.

La teneur en vanadium est étroitement associée à la teneur en carbone. Pour

Page | 27 chaque 1% de vanadium ajouté, il faut augmenter la teneur massive en carbone de 0.25%. Des additions de vanadium trop importantes entraînent des problèmes de trempabilité, et des additions de carbone trop importantes entraînent des difficultés de forgeage [ibid.].

1.5.2.7. Les traitements thermiques 1.5.2.7.1. Définitions et généralités

Le traitement thermique est un ensemble d’opérations ayant pour but des transformations structurales effectuées sur les matériaux à l’état solide, sous l’influence de cycles de température convenablement choisis afin de leur conférer des propriétés particulières (NF A 02-010) [17].

La plupart des matériaux sont susceptibles de subir des traitements thermiques.

C’est ainsi que l’on peut modifier les structures des matières plastiques, des verres, des céramiques, mais ce sont les matériaux métalliques (métaux et alliages), qui offrent les plus grandes possibilités de traitements thermiques : on peut même dire que c’est grâce à eux que l’on peut en tirer le plus grand profit [ibid.]. Malheureusement par exemple, une plus grande résistance mécanique d’un alliage s’accompagne presque toujours d’une plus grande fragilité ou d’un allongement à la rupture plus faible. Il en résulte une résistance aux chocs ou une résilience très basse, ou une possibilité de fissuration sous l’effet de concentrations de contraintes locales, ce qui apporte un certain risque à l’utilisation. Dans les rares cas où l’augmentation de résistance mécanique ou de dureté n’est pas assortie d’une baisse de résilience, on possède alors des alliages particulièrement séduisants.

1.5.2.7.2. Les traitements de durcissement dans la masse Ils consistent à provoquer la formation :

Page | 28

− de la plus forte proportion de martensite grâce à un refroidissement réalisé dans un milieu judicieusement choisi après austénitisation ; c’est le durcissement par trempe martensitique au cours duquel on pourra tolérer l’apparition d’une certaine proportion de bainite ;

− de bainite par une procédure particulière de refroidissement permettant le développement de la transformation de l’austénite en conditions quasi isothermes (trempe interrompue bainitique) [43].

Le procédé de traitement thermique se compose de :

Figure 1.4 : procédé d’un traitement thermique dans la masse [11]

AB : l'échauffement à des températures supérieures aux températures de transformation (par exemple : 4* ).

BC : maintient à une température définie.

CD : refroidissement avec une vitesse donnée : - lente (dans le four, à l'air).

- Assez rapide (dans l'huile).

- Très rapide (dans l'eau) [11].

Par rapport à l’échauffement des pièces

Il existe deux possibilités pour le chauffage des pièces : Par transmission de la chaleur

Page | 29 On distingue trois possibilités :

− par conductibilité : La pièce est chauffée dans un four ordinaire où elle n’est en contact qu'avec le sol du four, elle ne reçoit par conductibilité qu'une petite quantité de la chaleur dépensée.

− par convection : Dans ce cas, la pièce est chauffée par contact avec un fluide chaud (gaz ou liquide) qui se déplace et lèche la pièce en lui cédant une grande partie de la chaleur dépensée.

− par rayonnement : La chaleur absorbée par les parois et la voûte du four est rayonnée vers la pièce qui l'absorbe. C'est le cas où l'apport de chaleur est le plus important.

Dans la plupart des cas, le chauffage des pièces, est effectué simultanément par convection et rayonnement.

Par production de la chaleur dans la pièce

C'est une possibilité de chauffer la pièce en créant dans cette dernière un flux de courant, soit par l'utilisation de la pièce comme conducteur dans un circuit électrique (chauffage par résistance) ou l'emplacement de la pièce dans un champ variable (chauffage par induction) comme le montre la figure 1.5 Cette méthode est utilisée surtout pour les pièces à sections petites et uniformes.

On peut obtenir des vitesses de chauffage très élevées. Par exemple pour une pièce de section Ø150 , la durée de chauffage pour atteindre 6 = 1 200°

est de :

− 20 ! pour le chauffage par induction.

− 8 ! pour le chauffage par résistance.

− 2 à 3 ℎ:,; pour le chauffage dans un four [ibid.].

Page | 30 Cette méthode est rentable seulement pour des sections inférieures à 150 mm.

Les difficultés qui peuvent se présenter lors d'un chauffage rapide sont les fissures et étirages des pièces à la suite de la différence de dilatation de la couche extérieure et du cœur de la pièce où se créent des contraintes pouvant provoquer des fissures pour des températures basses et des déformations plastiques pour des températures élevées [11].

Figure 1.5 : techniques de chauffage dans la pièce [11]

Le durcissement par trempe se déroule en trois étapes : l'austénitisation, la trempe et le revenu.

1.5.2.7.2.1. L’austénitisation

L'austénitisation consiste d'abord à chauffer l'acier puis de le maintenir pendant un temps donné dans son domaine austénitique, à au moins quelques degrés (30 < 50°)⁴ au-dessus de son point de transformation (figure 1.6) [ibid.]. Durant l'austénitisation, la structure de l'acier s'homogénéise en transformant les éléments microstructuraux ferritique ((, ) en austénite (+, ) et en dissolvant la cémentite et les carbures dans l'austénite.

4 Cela concerne le plus souvent les aciers hypoeutectoïdes.

Page | 31 Figure 1.6 : température d’austénitisation [11]

Durant l’austénitisation, l’espace entre les atomes augmente, ce qui permet d'accueillir plus d'atomes en solution d'insertion, et des atomes plus gros ;

par conséquent, on peut avoir une dissolution des précipités : les atomes de ces cristaux passent en solution solide ;

les atomes s'agitant, ils deviennent mobiles et peuvent se déplacer dans le cristal, phénomène appelé diffusion ;

dans certains cas, les atomes du cristal se réorganisent en une autre phase cristallographique, on parle d'allotropie.

1.5.2.7.2.2. La trempe

La trempe consiste en un refroidissement rapide d'un acier austénitisé et a pour but de donner à l'acier la plus grande dureté possible par formation de la martensite. La température d'austénitisation, aussi appelée « température de trempe » dépend de la teneur en carbone de l'acier ; elle doit être située dans le domaine austénitique du diagramme Fe-C [8].

Page | 32 La trempe s'effectue en général soit à l'eau, à l'huile ou à l'air. Le milieu de trempe est choisi surtout en fonction de la trempabilité de l'acier. Pour les aciers au carbone, la trempe se fait dans l'eau de 20-40°C. En ajoutant environ 10 % de chlorure de sodium à l'eau, on obtient une trempe plus efficace qu'avec de l'eau pure. Il est évident que les couches d'oxyde adhérant à la pièce et les bulles de vapeur qui se sont formées à la surface diminuent le transfert de

Page | 32 La trempe s'effectue en général soit à l'eau, à l'huile ou à l'air. Le milieu de trempe est choisi surtout en fonction de la trempabilité de l'acier. Pour les aciers au carbone, la trempe se fait dans l'eau de 20-40°C. En ajoutant environ 10 % de chlorure de sodium à l'eau, on obtient une trempe plus efficace qu'avec de l'eau pure. Il est évident que les couches d'oxyde adhérant à la pièce et les bulles de vapeur qui se sont formées à la surface diminuent le transfert de

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