Les transformations à l’état solide au cours d’un refroidissement en conditions industrielles

Au cours d’un refroidissement industriel, deux phénomènes sont intéressants : – la formation d’un précipité;

– un changement de structure cristalline du métal de base.

6 • Changements d’états des alliages métalliques

6.2 Les transformations à l’état solide en conditions industrielles

© Dunod – La photocopie non autorisée est un délit.

■ Formation d’un précipité

Dans des conditions industrielles, la formation d’un précipité intervient lorsque l’élément d’alliage qui va le constituer est soluble à haute tempé-rature et que, par ailleurs, sa solubilité diminue sensiblement avec la tem-pérature. La solution solide, formée d’une seule phase, doit alors se désaturer : l’élément d’alliage en sursaturation précipite donc sous forme d’une autre phase qui peut être :

– l’élément d’alliage à l’état pur;

– une solution solide du métal de base dans l’élément d’alliage;

– un composé défini formé par le métal de base et l’élément d’alliage.

Ce processus passe normalement par une étape de germination suivie d’une étape de croissance (voir § 4.2.4). Mais, suivant les conditions de refroidissement, les germes peuvent avoir des difficultés à atteindre la taille critique du fait qu’ils doivent le faire à des températures trop bas-ses. Ainsi plus le refroidissement est rapide, plus la précipitation est retardée et gênée; à l’extrême, le refroidissement peut s’achever sans que la précipitation ait pu se faire ce qui conduit à un état sursaturé hors équilibre.

Si, à haute température, les précipités n’étaient pas totalement dissous, l’élément en sursaturation peut précipiter sur les grains existants; le stade de germination est absent. Mais, de ce fait, la taille des grains est grande. La précipitation est alors pilotée par la diffusion qui doit appor-ter l’élément en sursaturation.

■ Changement de structure cristalline du métal de base

On a vu que, lorsqu’un métal M constitutif d’un alliage subit une trans-formation allotropique (voir § 5.3.2, « Changement de structure cristal-line d’un métal formant l’alliage ») lors des variations de température, le changement correspondant d’état cristallin se fait au sein de ceux des cristaux de l’alliage qui sont constitués par la solution solide de l’élément d’alliage A dans le métal M. Il apparaît une nouvelle phase qui est une solution solide de A dans le métal M′ cristallisé selon sa nouvelle struc-ture. Si la solubilité de A dans cette nouvelle phase est suffisante la trans-formation peut se poursuivre. Si elle est insuffisante, une phase riche en A

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6.2 Les transformations à l’état solide en conditions industrielles

doit précipiter (sous forme de solution solide de M dans A ou de com-posé défini A_xM_y).

Les modalités de la transformation dépendent, d’une part, du nombre de phases en présence (il apparaît une nouvelle phase), et, d’autre part de la solubilité de l’élément d’alliage. Partant d’un alliage constitué, à haute température et avant transformation, d’une seule phase nous décrirons deux cas pratiques dans lesquels la transformation :

– donne une phase unique lorsque la solubilité de A dans M et M′ est suffisante;

– commence par donner une phase unique mais s’achève par une trans-formation eutectoïde lorsque la solubilité de A dans M devient insuffi-sante avec l’abaissement de la température.

Nous ne considérerons pas le cas d’une transformation qui s’achève par une transformation péritectoïde (ce qui serait la tendance si la solubilité de A dans M′ était insuffisante) car lorsque l’alliage arrive à la tempéra-ture à laquelle commence cette transformation (températempéra-ture inférieure à la température d’équilibre) il est constitué de deux phases p₁ et p₂; la réaction péritectoïde qui s’écrit :

phase p₁ + phase p₂ →phase p₃

provoque le début de la formation de la phase p₃ à la périphérie des grains de phase p₁ et dépose donc autour de ces grains une couche de phase p₃; elle doit, ensuite, se dérouler par échanges à travers la phase p₃ ce qui, l’ensemble de ces phénomènes se passant à l’état solide à des températures de plus en plus basses (le refroidissement se poursuit), provoque un arrêt de la réaction (il subsistera donc systématiquement trois phases hors équilibre).

䊐 L’élément d’alliage est totalement soluble dans les deux états du métal de base

La transformation fait apparaître une nouvelle phase constituée par le métal (M′) dans son nouvel état cristallin. La transformation débute dans un domaine de température décrit par un fuseau qui, par rapport à l’équilibre, est déplacé et déformé en fonction des conditions de refroidissement; les modifications sont ici plus importantes que lors de

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la solidification car la diffusion n’est plus totale dans la phase p₁ qui se transforme (figure 6.5). Le début de transformation par germination de la nouvelle phase p₂ (M′) ne se produit plus à Td; il n’est manifeste qu’à une température inférieure T′_d car les germes n’atteignent leur taille cri-tique qu’après un certain temps c’est-à-dire après un certain refroidisse-ment au-dessous de T_d. L’homogénéisation de la nouvelle phase ne se fait pas totalement (et d’autant moins que le refroidissement est plus rapide). Cette nouvelle phase a donc une composition variable du cœur (C_cœur de la figure 6.5) à la surface (C_surf de la figure 6.5) des grains. De même la transformation s’achève à une température plus basse (T′_f de la figure 6.5) car la nouvelle phase n’est pas totalement homogénéisée par la diffusion et sa composition moyenne (C′_m de la figure 6.5) est, à une

Figure 6.5 – Transformation hors équilibre à l’état solide.

p₁ = phase stable à haute température p₂ = phase stable à la température ambiante.

Teneur en élément A

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température donnée, inférieure à sa composition d’équilibre. Le déca-lage du fuseau se fait, pratiquement, avec un seul point fixe qui est la température de transformation du métal M à l’état pur (voir figure 6.5) et il est d’autant plus important que le refroidissement est plus rapide.

On constate, pratiquement, que le décalage peut être tel que la transfor-mation soit reportée vers des domaines de température où elle n’est plus possible et dès lors il subsiste en état hors équilibre, à la température ambiante, une phase qui n’est stable qu’à plus haute température.

䊐 L’élément d’alliage n’est pas suffisamment soluble dans l’état initial du métal de base

Ici aussi la transformation débute avec l’apparition de la nouvelle phase p₂ constituée par le métal (M′) dans son nouvel état cristallin. La transfor-mation débute dans un domaine de température décrit par un fuseau qui, par rapport à l’équilibre, est déformé en fonction des conditions de refroidissement (voir le paragraphe précédent). La nouvelle phase a encore une composition variable du cœur (C_cœur de la figure 6.6) à la sur-face (C_surf de la figure 6.6) des grains. Pendant cette formation de la phase p₂ la phase initiale p₁ s’est enrichie en A selon l’évolution décrite par Cp₁; cet enrichissement s’arrête quand la limite de solubilité de A dans M est atteinte (solubilité décrite par l’extrapolation de la limite de solubilité C_sol de A dans M vers les basses températures) à une température T_e′ inférieure à la température T_e d’équilibre et pour une teneur C_e′ infé-rieure à la teneur d’équilibre. C’est à cette température T_e′ que débute une transformation qui se décrit comme la réaction eutectoïde :

phase p₁ (M saturé en A) → phase p₂ (M′ saturée en A) + phase p₃ (la phase p₃ peut être une solution solide ou un composé défini), mais qui ne se déroule pas à température constante (on ne lui laisse pas le temps) et s’étale donc sur un certain intervalle de température d’autant plus large que le refroidissement est plus rapide.

Ces modifications ont les conséquences suivantes :

– la proportion de phase p₂ (M′ avec A en solution solide) présente avant que la transformation pseudo-eutectoïde commence à T_e′ est générale-ment inférieure à la proportion à l’équilibre, la constitution de l’alliage

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après transformation étant alors différente de celle correspondant à l’état d’équilibre;

– les conditions de germination et de croissance des grains de l’agrégat pseudo-eutectoïde ne sont pas celles de l’équilibre et elles ne sont pas stables puisque la température varie; elles correspondent à des tempé-ratures plus basses et engendrent donc des grains plus petits;

– les décalages vers de plus basses températures peuvent conduire à des situations dans lesquelles la réaction pseudo-eutectoïde ne peut plus se dérouler et fait place à une transformation différente qui conduit à un état hors équilibre.

Figure 6.6 – Transformation hors équilibre à l’état solide.

p₁ = phase stable à haute température p₂ et p₃ = phases stables à la température ambiante.

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6.2 Les transformations à l’état solide en conditions industrielles

䊐 Description des conditions de transformation en conditions industrielles de refroidissement

Pour décrire les évolutions des transformations en conditions industriel-les de refroidissement (et donc hors équilibre) on établit des diagram-mes de transformation en refroidissement continu (dits diagramdiagram-mes TRC ou, pour les Anglo-Saxons, CCT). Chacun d’eux (voir schéma en figure 6.7) est constitué par un ensemble de courbes tracées dans le système de coordonnées : logarithme du temps/température et qui, pour chacune des lois de refroidissement au cours desquelles ont été étudiées les transfor-mations, joignent les points qui correspondent aux températures auxquelles : – la transformation débute et s’achève;

– éventuellement la formation d’un constituant cesse ou le type de cons-tituant formé change.

Figure 6.7 – Schéma d’un diagramme de transformation en refroidissement continu.

Logarithme du temps

Température

Domaine de transformation en refroidissement continu

Intervalle de transformation

en conditions d’équilibre

États hors équilibre Température ambiante

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Des indications complémentaires sont éventuellement reportées sur ces diagrammes :

– composition chimique de l’alliage concerné;

– conditions de chauffage (température, durée);

– températures des points de transformation à l’équilibre;

– constituants formés;

– proportions de ces constituants;

– dureté mesurée après transformation totale.

Nous en verrons des exemples lors de l’étude particulière de certains alliages industriels.

䊐 Description particulière des conditions de transformation à température constante

Pour offrir une description complémentaire des transformations on pro-cède à l’analyse de celles-ci en conditions isothermes (c’est-à-dire à tem-pérature constante). On trace alors des diagrammes de transformation en conditions isothermes (dits diagrammes TTT). Ils correspondent à un « cycle » de traitement comprenant :

– chauffage pour atteindre l’état d’équilibre à haute température;

– refroidissement instantané (ou quasiment instantané) à la température à laquelle la transformation doit se dérouler;

– maintien à la température à laquelle se déroule la transformation jusqu’à ce que celle-ci s’achève;

– retour final à la température ambiante.

Un tel diagramme est constitué par un ensemble de courbes tracées dans le système de coordonnées : logarithme du temps/température et qui, pour chacune des températures auxquelles ont été étudiées les transforma-tions, joignent les points qui correspondent aux durées des maintiens : – pour que débute la transformation (cette durée est appelée parfois temps

d’incubation);

– pour, qu’éventuellement, la formation d’un constituant s’achève et que celle d’un autre débute;

– pour que s’achève la transformation.

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6.2 Les transformations à l’état solide en conditions industrielles

Nous en verrons des exemples lors de l’étude particulière de certains alliages industriels.

6.2.2 Les transformations à l’état solide au cours