Détermination du début de la transformation bainitique

Comme nous l’avons constaté dans le cas du 50CrMo4 le début de transformation bainitique apparait avant que l’acier ne soit à la température isotherme du bain de sels. Afin de garantir une reproductibilité de cette transformation, il serait souhaitable de rechercher les éléments chimiques constitutifs de l’acier qui permettront de décaler les courbes de transformation (ferrito-perlitique et bainitique) suffisamment à droite

Le refroidissement en bain de sels pour réaliser la transformation bainitique isotherme ne peut être envisagé que si la trempabilité de l’acier est suffisante. Sur la Figure 91, la vitesse de trempe martensitique représente la trempabilité de l’acier c’est-à-dire la vitesse de refroidissement minimum pour obtenir une structure contenant 100 % de martensite, plus la vitesse critique de trempe est faible, meilleure est la trempabilité de l’acier. Il apparaît de façon schématique que si la vitesse critique de trempe intercepte la loi de refroidissement du bain de sels lorsque celle-ci a atteint la température isotherme, alors le début de transformation de l’austénite se fera à la température du BDS.

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Figure 91 : Représentation schématique du lien entre la loi de refroidissement définissant la trempabilité de l’acier et celle caractéristique du bain de sels.

Si le temps disponible pour faire une transformation 100 % martensitique est équivalent au temps d’incubation nécessaire pour débuter la transformation de l’austénite en bainite à la température du bain de sels, alors la transformation bainitique se fera en condition isotherme.

IV.3.4.1. La trempabilité de l’acier : la courbe Jominy

Différentes approches TRC, Jominy, Diamètre idéal de trempe… issues des études sur la trempabilité de l’acier [30], [94] ont été proposées afin de qualifier l’influence des éléments d’alliages sur la trempabilité de l’acier.

La trempabilité de l’acier est caractérisée selon deux critères :

- La capacité de durcissement martensitique, qui dépend essentiellement de la teneur en carbone en solution solide dans l’austénite. Dans le cadre de notre étude, le niveau de carbone sera considéré pour son action prépondérante sur la température MS,

- La trempabilité, qui dépend essentiellement de la teneur en éléments d’alliage contenus dans l’acier et de la grosseur du grain austénitique.

109 Dans le cadre de notre étude, nous cherchons à définir les éléments d’alliage permettant d’augmenter le temps disponible pour réaliser la structure martensitique. Comme nous pouvons le constater sur la courbe TRC (Figure 91) cette approche équivaut à diminuer la vitesse critique de trempe.

L’essai Jominy défini dans la norme NF EN ISO 642 [98] permet l’obtention en une seule opération sur une éprouvette normalisée (Figure 92) d’indications globales sur la trempabilité d’un acier lors d’un refroidissement continu.

Figure 92 : Schéma de l'essai Jominy [99] _{Figure 93 : Influence des éléments d'alliage} sur la courbe Jominy [30].

La Figure 93 présente les courbes Jominy caractéristiques de l’acier à 0,35 % de carbone auquel il a été ajouté des éléments d’alliage. Nous pouvons constater dans le cas de l’acier III, l’influence marquée du nickel qui augmente la distance du palier de dureté correspondant à la structure martensitique.

Comme l’a précisé Murry [30], « la définition précise des conditions opératoires de l’essai Jominy permet, si l’on admet que la conductibilité thermique varie peu d’une nuance à une autre (si Cr < 8 %), de considérer que chaque point des génératrices de l’éprouvette est soumis à des conditions de refroidissement qui restent identiques d’un essai à l’autre ». La Figure 94 (a) représente les courbes réalisées avec SimCo qui sont en bon accord avec les courbes définies par Murry sur la Figure 94 (b).

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(a) ^(b)

Figure 94 : Courbes de refroidissement de différents points d’une éprouvette Jominy après austénitisation à 850°C, (a) obtenue par simulation et (b) Murry [30].

IV.3.4.2. Simulation des courbes Jominy

Définie par la norme ASTM A 255 [78], la trempabilité Jominy peut être déterminée comme la distance à l’extrémité trempée pour laquelle la valeur de dureté ne change pas. Cette valeur de dureté est en relation directe avec la teneur en carbone mise en solution dans l’austénite au cours de l’austénitisation. Au-delà de cette distance, qui est influencée par l’ajout d’éléments d’alliage, les structures sont mixtes en fonction des vitesses de refroidissement (martensite, bainite, ferrite, perlite).

Un modèle de calcul de la courbe Jominy en fonction des éléments chimiques est proposé dans la norme ASTM A 255 pour les aciers faiblement alliés contenant ou non du bore.

Nous avons comparé les résultats de mesures effectués sur des coulées industrielles au Centre de Recherche ArcelorMittal aux résultats calculés selon la norme ASTM A 255 qui permet le calcul des courbes Jominy en fonction de la composition chimique des aciers contenant ou non du bore. Possédant une grande base de données d’essai Jominy à partir de coulées industrielles, nous avons vérifié la validité du modèle de calcul proposé.

La

Figure 95 représente la moyenne des résultats mesurés et calculés sur treize coulées industrielles pour deux nuances représentatives de notre étude : 42CrMo4 et 37MnB5.

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Figure 95 : Comparaison entre la dureté HRC en fonction de la distance Jominy entre les valeurs mesurées et calculées selon l’ASTM A 255 pour l’acier 42CrMo4 et l’acier 37MnB5.

Les résultats sont similaires pour la détermination de la distance du palier martensitique. Pour les distances Jominy supérieures, il apparait des différences significatives qui ne sont pas préjudiciable dans le cadre de notre étude. Nous utiliserons par la suite les courbes de régression proposées par l’ASTM A 255.

Le calcul de la longueur Jominy du palier martensitique en fonction de la nature et de la teneur en éléments d’alliage peut être réalisé à partir des équations proposées dans l’ASTM A 255.