HAL Id: jpa-00223377
https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00223377
Submitted on 1 Jan 1983
HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.
L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.
CORRÉLATION ENTRE LE FROTTEMENT
INTÉRIEUR ET LE COEFFICIENT DE DILATATION LORS DES TRANSFORMATIONS
MARTENSITIQUES ISOTHERMES
C. Prioul, C.A.V. de A. Rodrigues, J. Plusquellec
To cite this version:
C. Prioul, C.A.V. de A. Rodrigues, J. Plusquellec. CORRÉLATION ENTRE LE FROTTE-
MENT INTÉRIEUR ET LE COEFFICIENT DE DILATATION LORS DES TRANSFORMATIONS
MARTENSITIQUES ISOTHERMES. Journal de Physique Colloques, 1983, 44 (C9), pp.C9-229-C9-
234. �10.1051/jphyscol:1983930�. �jpa-00223377�
Colloque C9, supplément au n012, Tome 44, décembre 1983 page .C9-229
CORRÉLATION ENTRE LE FROTTEMENT 1 NTÉR 1 EUR E T LE C O E F F I C I E N T DE D I L A T A T I O N LORS DES TRANSFORMATIONS M A R ~ E N S I T ~ Q U E S 1 SOTHERMES
C . Prioul, C . A . V . de A. Rodrigues et J. Plusquellec
abo oratoire Matériaux, Ecole Centrale des Arts et Manufactures, 92290 Châtenay-MaZabry, France
Résumé.
-
Nous montrons que le frottement intérieur est proportionnel au coefficient de dilatation lors de la transformation martensitique isotherme d'alliages Fe-Ni-C. Ce résultat montre que le formalisme proposé par Delorme dans le cas des transformations.martensitiques athermiques peut être étendu aux transformations rnartensitiques de type isotherme.Abstract.
-
Interna1 friction is shown to be proportional to expansivity during the isothermal martensitic transformation of Fe-Ni-C alloys. This indicates that the formalism proposed by Delorme for athermal martensitic transformations can be extended to isothermal martensitic transformations.Introduction.
-
Une anomalie de frottement intérieur, observée entre 77 et 150 K dans les structures récemment trempées d'alliages Fe-Ni-C, a été attribuée précédemment jl]à la transformation d'une fraction de l'austénite résiduelle lors du réchauffage. Plus récemment, cette transformation a été discutée en termes de transformation martensitique de type isotherme pouvant se développer lors du refroidissement, lors d'un maintien isotherme, et au cours du réchauffage 12, 31. Ces études ont par ailleurs montré le rôle important joué par les contraintes internes, créées lors de la transformation martensitique athermique, sur la force motrice de cette transformation martensitique isotherme.
L'objet de cette étude est de montrer la corrélation qui existe entre les résultats de frottement intérieur et ceux obtenus par dilatométrie, dans le domaine de température 5
-
200 K. Pour différents alliages Fe-Ni-C, l'anomalie de frottement intérieur liée au développement de la transformation isotherme a pu être associée à une anomalie du coefficient de dilatation, dans le même domaine de température. Nous montrerons également la corrélation existant entre les variations relatives de module et de longueur. L'ensemble de ces résultats sera confronté au formalisme établi par Delorme [4] dans le cas des transformations martensitiques athermiques.Méthodes Expérimentales.
-
Nous avons présenté dans le tableau 1 la composition chimique, la température Ms (Mb), et la taille de grain des alliages étudiés.obtenue par dilotornétrie différenfielle
Tableau 1.
-
Composition chimique des alliages (% en poids).Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1983930
C9-230 JOURNAL DE PHYSIQUE
Les échantillons sont obtenus à partir de barreaux forgés à haute température ayant subi le traitement d'austénitisation suivant :
-
alliages A et C : 1323 K/2h/trempe à l'eau-
alliages B et D : 1323 K/2h/trempe à l'eau+
trempe 77 KI30 mn/1323 K/2h/trempe à l'eau.
Un tel traitement conduit à une structure entièrement austénitique à la température ambiante.
Le frottement intérieur (courbes 1, 2,
...)
et la variation relative de fréquence (courbes l', 2'... avec Fo = F (Tt) ; Tt : température de trempe) sont mesurés sur des échantillons de longueur utile 50 mm et de diamètre 3 mm, à l'aide d'un pendule de torsion automatisé [ 5 ] . Ces mesures sont effectuées en décroissance libre, la fréquence étant voisine de 1 Hz. La déformation maximale de cisaillement imposée lors de la mesure reste inférieure à 5 x 10-~.Les résultats de dilatométrie ont été obtenus à l'aide d'un dilatomètre différentiel basse température [ 6 ] , sur des échantillons de longueur 20 mm et de diamètre 4 mm. Les évolutions du coefficient de dilatation (c(, : coefficient de dilatation vrai) ont été obtenues après lissage, par les fonctions splines, des évolutions de AlIl.
Pour les deux techniques, les échantillons sont montés sur l'appareillage à l'état austénitique à température ambiante et sont refroidis "in situ" à une vitesse de 1,5 K/mn. Après un palier à la température Tt (température de trempe), les échantillons sont réchauffés à une vitesse de 1,5 K/mn jusqu'à la température ambiante. Après un tel cycle thermique, pour Tt = 77 K, on obtient une structure mixte ( % + o C 7 ) contenant environ 85% de martensite aciculaire et 15% d'austénite résiduelle.
Résultats Expérimentaux.
-
La figure la présente les évolutions du frottement intérieur, et de la fréquence relative (courbes 1, 2... et l', Zr... respectivement), mesurées au cours du premier chauffage limité à 170 K (courbes 1, 1') et du second chauffage (courbes 2, 2'), après trempe à 5 K, pour l'alliage D. Pour mémoire, nous avons également reporté sur cette figure les évolutions correspondant à un premier et deuxième chauffage continu entre 5 et 300 K (courbes 3, 3' et 4, 4' respectivement).Compte tenu des variations de géométrie de l'échantillon dans le domaine de température étudié, l'évolution brute de fréquence d'essai (courbe 1') a été corrigée (courbe 1") à partir des résultats de dilatométrie. La comparaison des courbes 1" et 1' montre que la courbe 1' peut sans ambiguïté être considérée comme représentative de la variation du module de l'échantillon. Les courbes 1 et 2 montrent que l'anomalie de frottement intérieur notée
@ ,
associée à une anomalie correspondante de module (courbes l', 2'), est irréversible dans le domaine de température 5-
170 K. La montée de frottement intérieur, irréversible pour les températures supérieures à 200 K, qui constitue le fond continu (courbe 2) a été associée précédemment à une augmentation de la mobilité des dislocations [7] et ne sera pas discutée. La courbe O a été obtenue en retranchant à la courbe 1 le fond continu (courbe 2). Nous avons procédé de même pour tracer les courbes présentées sur les figures 2a et 3a.Pour le même alliage (D), nous avons représenté sur la figure lb, les évolutions du coefficient de dilatation (gv) et de la longueur relative ( A1/1) correspondant au cycle thermique présenté sur la figure la. La courbe O a été obtenue en retranchant à la courbe 3 l'évolution correspondant au deuxième chauffage (courbe 4 ) .
La comparaison des ffgures la et lb met en évidence que les évolutions de Q-1 et Af/f sont respectivement similaires aux évolutions de 4,et Al/l. Il faut noter que les 'évolvtions 2 et 4 (2' et 4') de la figure lb sont confondues, contrairement aux mêmes évolutions de la figure la. Ce résultat est conforme à l'interprétation mentionnée ci-dessus pour la montée de frottement intérieur.
Les courbes O des ffgures la et lb ont été représentées sous forme normalisée sur la figure lc qui montre l'existence d'une relation de proportionnalité entre Q-l et ocv. Pour l'alliage D, trempé à 5 K, nous avons trouvé : Q-l = 1,5.102
a) frottement intérieur b) dilatométrie
TEMPERATURE
(K)
c) pics normalisés
Fig. 1
-
Transformation martensitique isotherme au cours du réchauffage (alliage D).C9-232 JOURNAL DE PHYSIQUE
Les figures 2a et 2b montrent qu'une augmentation de la teneur en carbone (alliage A
-
courbes 1,. ..) entraîne un décalage des maxima vers les basses températures ainsi qu'une augmentation de leur intensité.1 - A L L I A G E A 2 - A L L I A G E 8 3 - A L L I A G E C 4 - A L L I A G E O
a) frottement intérieur b) dilatométrie
20
1 5 -
B ,. g ' 0 '
L -
5-
Fig. 2
-
Influence du carbone sur la transformation martensitique isotherme.,
1 - A L L I A G E A 2 - A L L I A G E B 3 - A L L I A G E C 4 - A L L I A G E 0
L'influence de la température de trempe (Tt) sur les évolutions de frottement intérieur et du coefficient de dilatation est reportée respectivement sur les figures 3a et 3b (alliage D). Ces évolutions montrent qu'un abaissement de la température de trempe (Tt) entraîne un déplacement des maxima vers les basses températures.
Cependant, le décalage observé s'atténue pour les températures de trempe inférieures à 58 K .
a) frottement intérieur b) dilatométrie
Fig. 3
-
Influence de la température de trempe (Tt) sur la transformation martensitique isotherme (alliage D).dilatométrie, ces températures ont été déterminées à partir de courbes de type O (Fig.
lb) non reportées sur les figures 2b et 3b. Les figures 4 et 5 montrent que les résultats obtenus par les deux techniques sont en très bon accord.
O - FROTTEMENT INTERIEUR
+ - OILATOMETRIE
W a
w
50 0 .1 .2 .3 .4 .5 .6 TENEUR EN CARBONE (% POIDS)
+ - DILATOMETRIE
W k-
0 50 100 150
TEMPERATURE DE TREMPE (K)
Fig. 4
-
Influence de la teneur en Fig. 5-
Influence de la tempéra- carbone sur la température ture de trempe (Tt) surdes maxima. la température des maxima.
Discussion.
-
Les résultats obtenus par frottement interne et dilatométrie (Fig. 1) font apparaître que la transformation martensitique de type isotherme est caractérisée par :-
des évolutions anormales du module d'élasticité et de la dilatation thermique, - des maxima de frottement intérieur et de coefficient de dilatation.Par ailleurs, le frottement intérieur est proportionnel au coefficient de dilatation (Fig. lc). Une proportionnalité entre la dérivée de la résistivité et le frottement intérieur avait été montrée en condition isotherme (-196'C) par Delorme [ a ] , au cours de la transformation martensitique d'un alliage Fe-Cr-Ni 18-8. En accord avec des résultats antérieurs [3], les figures 2 et 3 montrent que le développement de la transformation martensitique isotherme est très sensible à une variation des conditions expérimentales, notamment celles qui conduisent à une modification de l'état des contraintes internes au sein de la structure récemment trempée. Yeo [ 9 ] et Nichol et al. [IO] ont montré que tout durcissement de la matrice austénitique entraîne un effet mécanique qui s'oppose au cisaillement ayant lieu lors de la transformation martensitique athermique. Ce durcissement provoque lors du
refroidissement une augmentation des contraintes internes avec la teneur en carbone.
Cet effet, en accord avec des résultats antérieurs [1,3], entraîne un développement à plus basse température de la transformation martensitique isotherme conduisant ainsi à un décalage des maxima de frottement intérieur et de coefficient de dilatation vers les basses temp6ratures (Figs. 2, 4). L'influence de la température de trempe peut être interprêtée de manière analogue (Figs. 3, 5). En effet, un abaissement de la température de trempe entraîne, lors du refroidissement, une augmentation des contraintes internes, en liaison avec un développement plus complet de la
transformation martensitique. Cependant, à très basse température (T
<
58 K), le taux de transformation diminuant, cet effet d'augmentation des contraintes internes s'atténue et par conséquent le décalage des maxima n'est plus observé (Figs. 3, 5).L'ensemble de ces résultats confirme l'influence prépondérante des contraintes internes sur la force motrice de la transformation martensitique isotherme.
C9-234 JOURNAL DE PHYSIQUE
Actuellement, il est difficile de préciser l'origine de l'amortissement intérieur relevé lors des transformations de phase, peu de travaux théoriques ayant été
consacrés à ce sujet [11,12]. Koshimizu et Benoit [13] ont récemment développé, sur les bases de la théorie de Landau, une approche physique des phénomènes anélastiques associés aux transformations martensitiques athermiques. Dans ce cas, le frottement intérieur peut s'écrire sous la forme [13] :
C : constante ; T : vitesse de refroidissement ; f : fréquence d'essai ; : amplitude de déformation.
Le premier terme, qui n'est significatif que dans les études à basse fréquence, a été étudié par Belko [14] et Delorme [4] dans le cas des transformations martensitiques athermiques. Le deuxième terme, mis en évidence par Dejonghe [15], exprime la dépendance vis-à-vis de la contrainte appliquée. Des expériences antérieures [2] ont mis en évidence que l'anomalie de frottement intérieur
@,
liée à la transformation martensitique isotherme, disparaît complètement lors d'essais à plus haute fréquence (100 Hz). Ceci montre que dans le cas de notre étude le terme de Dejonghe est nul. Par ailleurs, comme le frottement intérieur est proportionnel au taux de phase transformée (Fig. Tc), le formalisme de Delorme peut être étendu au cas des transformations martensitiques isothermes. Cependant, dans ce cas, il faut écrire :où n, quantité de phase transformée, dépend de la température et du temps.
De plus, l'influence des contraintes internes mentionnée ci-dessus ne peut pas être décrite par le terme de Dejonghe qui est indépendant de la fréquence. Cette influence devra alors être prise en compte dans un terme de Delorme modifié.
Bibliographie.
[l] PRIOUL C., CARRARD M., HYSPECKA L., PLUSQUELLEC J., AZOU P., Scripta Met.
(1979) 523.
[2] PRIOUL C., CARRARD M., Interna1 Friction and Ultrasonic Attenuation in Solids (ECIFUAS-3), édité par C.C. Smith, Pergamon Press, (1980) 287.
[3] RODRIGUES C.A.V. de A., PRIOUL C., PLUSQUELLEC J., AZOU P. Y., Proc. Int. Conf.
Solid-Solid Phase Transf., 10-14 Août 1981, Pittsburgh, édité par H.I. Aaronson, The Metallurgical Society of AIME (sous presse).
[4] DELORME J.F.; SCHMID R.,-ROBIN M. ànd GOBIN P., Journal de Physique
2
(1971)C2-101.
[5] PRIOUL C., PASQUET M., CARRARD M., PLUSQUELLEC J., AZOU P., Mém. Sci. Rev. Mét.
79 (1982) 203.
[6]
ZDRIGUES
C.A.V. de A., PLUSQUELLEC J., AZOU P., Mém. Sci. Rev. Mét.2
(1982) 149-
[7] PRIOUL C., CARRARD M., Journal de Physique (1981) (3-1067.
[8] DELORME J.F., GOBIN P.F., Métaux Corr. Ind.
573
(1973) 185.[g] YEO R.B.G., Trans. TMS-AIME
227
(1963) 884.[Io] NICHOL T.J., JUDD G., ANSELL G.S., Met. Trans.
L
(1977) 1877.[Il] NOWICK A.S., BERRY B.S., Anelastic Relaxation in Crystalline Solids, Academic Press, (1972) 463.
1121 ELBAUM C., Journal de Physique 42 (1981) CS-855.
[13] KOSHIMIZU S., BENOIT W., ~ o u r n a l d e Physique (1982) C4-679.
[14] BELKO V.N., DARINSKIY B.M., POSTNIKOV V.S. and SHARSHAKOV I.M., Physics of Metals and Metallurgy (1969) 140.
[15] DEJONGHE W., DE BATIST R. and DELAEY L., Scripta Met. (1976) 1125.
