Nick Connor

Un alliage est un mélange de deux matériaux ou plus, dont au moins un est un métal. Les alliages peuvent avoir une microstructure consistant en des solutions solides, où des atomes secondaires sont introduits comme substituts ou interstitiels dans un réseau cristallin. Un alliage peut également être un mélange de phases métalliques (deux solutions ou plus, formant une microstructure de cristaux différents au sein du métal).

Mais tous les alliages peuvent exister dans différentes phases. Les phases sont des états physiquement homogènes d’un alliage. Une phase a une composition chimique précise – un certain arrangement et une liaison entre les atomes. Cette structure d’atomes confère des propriétés différentes aux différentes phases. Les diagrammes de phase sont des représentations graphiques des phases présentes dans un alliage à différentes conditions de température, de pression ou de composition chimique.

Diagramme de phase du système fer-carbone

Les alliages ferreux les plus simples sont connus sous le nom d’ aciers et ils sont constitués de fer (Fe) allié au carbone (C) (environ 0,1% à 1%, selon le type). L’ajout d’une petite quantité de carbone non métallique au fer échange sa grande ductilité contre une plus grande résistance. En raison de sa résistance très élevée, mais toujours substantielle , et de sa capacité à être fortement altérée par le traitement thermique, l’acier est l’un des alliages ferreux les plus utiles et les plus courants dans l’utilisation moderne. Sur la figure, il y a le carbure de fer-fer (Fe-Fe₃C) diagramme de phase. Le pourcentage de carbone présent et la température définissent la phase de l’alliage fer-carbone et donc ses caractéristiques physiques et ses propriétés mécaniques. Le pourcentage de carbone détermine le type d’alliage ferreux: fer, acier ou fonte.

Phases courantes dans les aciers et les fers

Le traitement thermique des aciers nécessite une compréhension à la fois des phases d’équilibre et des phases métastables qui se produisent lors du chauffage et/ou du refroidissement. Pour les aciers, les phases d’équilibre stable comprennent:

• Ferrite. La ferrite ou α-ferrite est une phase de structure cubique centrée du fer qui existe en dessous de températures de 912 °C pour de faibles concentrations de carbone dans le fer. L’α-ferrite ne peut dissoudre que jusqu’à 0,02 % de carbone à 727 °C. Cela est dû à la configuration du réseau de fer qui forme une structure cristalline BCC. La phase primaire de l’acier à faible teneur en carbone ou doux et de la plupart des fontes à température ambiante est ferromagnétique α-Fe.
• Austénite. L’austénite, également connue sous le nom de fer en phase gamma (γ-Fe), est une phase de fer à structure cubique à faces centrées non magnétique. L’austénite dans les alliages fer-carbone n’est généralement présente qu’au-dessus de la température eutectoïde critique (723 °C) et en dessous de 1500 °C, selon la teneur en carbone. Cependant, il peut être conservé à température ambiante par des ajouts d’alliages tels que le nickel ou le manganèse. Le carbone joue un rôle important dans le traitement thermique, car il élargit la plage de température de stabilité de l’austénite. Une teneur en carbone plus élevée abaisse la température nécessaire pour austénitiser l’acier, de sorte que les atomes de fer se réarrangent pour former une structure de réseau fcc. L’austénite est présente dans le type d’acier inoxydable le plus couramment utilisé, qui est très connu pour sa résistance à la corrosion.
• Graphite. L’ajout d’une petite quantité de carbone non métallique au fer échange sa grande  ductilité  contre une plus grande résistance.
• Cémentite. La cémentite (Fe₃C) est un composé métastable et, dans certaines circonstances, on peut la dissocier ou la décomposer pour former de l’α-ferrite et du graphite, selon la réaction: Fe₃C → 3Fe (α) + C (graphite). La cémentite dans sa forme pure est une céramique et elle est dure et cassante, ce qui la rend appropriée pour le renforcement des aciers. Ses propriétés mécaniques sont fonction de sa microstructure, qui dépend de la manière dont il est mélangé à la ferrite.

Les phases métastables sont:

• Perlite. En métallurgie, la perlite est une structure métallique en couches de deux phases, qui se compose de couches alternées de ferrite (87,5 % en poids) et de cémentite (12,5 % en poids) que l’on trouve dans certains aciers et fontes. Il est nommé pour sa ressemblance avec la nacre.
• Martensite. La martensite est une structure métastable très dure avec une structure cristalline tétragonale centrée sur le corps (BCT). La martensite se forme dans les aciers lorsque la vitesse de refroidissement de l’austénite est si élevée que les atomes de carbone n’ont pas le temps de se diffuser hors de la structure cristalline en quantité suffisante pour former de la cémentite (Fe₃C).
• Baïnite. La bainite est une microstructure en forme de plaque qui se forme dans les aciers à partir d’austénite lorsque les vitesses de refroidissement ne sont pas
  assez rapides pour produire de la martensite mais sont encore assez rapides pour que le carbone n’ait pas assez de temps pour se diffuser pour former de la perlite. Les aciers bainitiques sont généralement plus résistants et plus durs que les aciers perlitiques; pourtant, ils présentent une combinaison souhaitable de résistance et de ductilité.

Température critique de l’acier

La température critique de l’acier définit la transition de phase entre deux phases de l’acier. Lorsque l’ acier est chauffé au-dessus de la température critique, environ 1335 °F (724 °C), il subit un changement de phase, se recristallisant en austénite. Il existe deux types de température critique:

• Température critique inférieure (Ac1). La température à laquelle l’austénite commence à se transformer à partir de la ferrite.
• Température critique supérieure (Ac3). La température à laquelle l’austénite est complètement transformée à partir de la ferrite.

Dans le système Fe-C, il y a un point eutectoïde à environ 0,8% en poids C, 723 °C. La phase juste au-dessus de la température eutectoïde pour les aciers au carbone simples est connue sous le nom d’austénite ou gamma.

Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993.
US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir ci-dessus:
Science des matériaux

La ferrite ou α-ferrite est une phase de structure cubique centrée du fer qui existe en dessous de températures de 912 ° C pour de faibles concentrations de carbone dans le fer. L’α-ferrite ne peut dissoudre que jusqu’à 0,02 % de carbone à 727 °C. Cela est dû à la configuration du réseau de fer qui forme une structure cristalline BCC. Dans un arrangement d’atomes bcc (BCC), la cellule unitaire se compose de huit atomes aux coins d’un cube et d’un atome au centre du corps du cube. Dans un arrangement bcc, une cellule unitaire contient (8 atomes de coin × ⅛) + (1 atome central × 1) = 2 atomes. Le garnissage est plus efficace (68%) que le simple cubique et la structure est courante pour les métaux alcalins et les métaux de transition précoce.

La phase primaire de l’ acier à faible teneur en carbone ou doux et de la plupart des fontes à température ambiante est ferromagnétique α-Fe. Il a une dureté d’environ 80 Brinell. L’acier doux (acier au carbone contenant jusqu’à environ 0,2 % en poids de C) se compose principalement d’α-Fe et de quantités croissantes de cémentite (Fe₃C, un carbure de fer). Le mélange adopte une structure laminaire appelée perlite. Étant donné que la bainite et la perlite contiennent chacune du α-Fe en tant que composant, tout alliage fer-carbone contiendra une certaine quantité de α-Fe s’il est autorisé à atteindre l’équilibre à température ambiante. La quantité de α-Fe dépend du processus de refroidissement.

δ-ferrite

La phase δ-ferrite a une structure similaire, une structure cristalline cubique centrée (BCC), à celle de l’α-ferrite mais n’existe qu’à des températures élevées. La phase peut être repérée dans le coin supérieur gauche du graphique. Il a un point de fusion de 1538 °C.

Acier à faible teneur en carbone

L’ acier à faible teneur en carbone, également connu sous le nom d’acier doux, est désormais la forme d’ acier la plus courante car son prix est relativement bas alors qu’il offre des propriétés matérielles acceptables pour de nombreuses applications. L’acier à faible teneur en carbone contient environ 0,05 à 0,25 % de carbone, ce qui le rend malléable et ductile. L’acier doux a une résistance à la traction relativement faible, mais il est bon marché et facile à former. la dureté de surface peut être augmentée par carburation.

Les applications typiques incluent les composants de carrosserie automobile, les formes structurelles (par exemple, les poutres en I, les profilés en U et les cornières) et les tôles utilisées dans les pipelines, les bâtiments. Par exemple, l’acier A36 est un acier de construction courant aux États-Unis. Les tôles d’acier à faible teneur en carbone utilisées pour les applications de carrosserie automobile, par exemple, sont soumises à une variété d’opérations de formage, y compris l’emboutissage profond. Les microstructures sont constituées de ferrite et de perlite. En conséquence, ces alliages sont relativement mous et faibles mais ont une ductilité et une ténacité exceptionnelles. De plus, ils sont usinables, soudables et, de tous les aciers, sont les moins chers à produire. La densité de ce métal est de 7861,093 kg/m³ (0,284 lb/in³) et la résistance à la traction est au maximum de 500 MPa (72500 psi).

Acier inoxydable ferritique

Dans les aciers inoxydables ferritiques, le carbone est maintenu à des niveaux faibles (C<0,08 %) et la teneur en chrome peut varier de 10,50 à 30,00 %. Ils sont appelés alliages ferritiques car ils contiennent principalement des microstructures ferritiques à toutes les températures et ne peuvent pas être durcis par traitement thermique et trempe. Ils sont classés avec les désignations de la série AISI 400. Alors que certaines nuances ferritiques contiennent du molybdène (jusqu’à 4,00%), seul le chrome est présent comme principal élément d’alliage métallique. Leur utilisation est généralement limitée à des sections relativement minces en raison du manque de ténacité des soudures. De plus, ils ont une résistance à haute température relativement faible. Les aciers ferritiques sont choisis pour leur résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte, ce qui en fait une alternative attrayante aux aciers inoxydables austénitiques dans les applications où le SCC induit par les chlorures est répandu.

Autres phases courantes dans les aciers et les fers

Le traitement thermique des aciers nécessite une compréhension à la fois des phases d’équilibre et des phases métastables qui se produisent lors du chauffage et/ou du refroidissement. Pour les aciers, les phases d’équilibre stable comprennent:

• Ferrite. La ferrite ou α-ferrite est une phase de structure cubique centrée du fer qui existe en dessous de températures de 912 °C pour de faibles concentrations de carbone dans le fer. L’α-ferrite ne peut dissoudre que jusqu’à 0,02 % de carbone à 727 °C. Cela est dû à la configuration du réseau de fer qui forme une structure cristalline BCC. La phase primaire de l’acier à faible teneur en carbone ou doux et de la plupart des fontes à température ambiante est ferromagnétique α-Fe.
• Austénite. L’austénite, également connue sous le nom de fer en phase gamma (γ-Fe), est une phase de fer à structure cubique à faces centrées non magnétique. L’austénite dans les alliages fer-carbone n’est généralement présente qu’au-dessus de la température eutectoïde critique (723 °C) et en dessous de 1500 °C, selon la teneur en carbone. Cependant, il peut être conservé à température ambiante par des ajouts d’alliages tels que le nickel ou le manganèse. Le carbone joue un rôle important dans le traitement thermique, car il élargit la plage de température de stabilité de l’austénite. Une teneur en carbone plus élevée abaisse la température nécessaire pour austénitiser l’acier, de sorte que les atomes de fer se réarrangent pour former une structure de réseau fcc. L’austénite est présente dans le type d’acier inoxydable le plus couramment utilisé, qui est très connu pour sa résistance à la corrosion.
• Graphite. L’ajout d’une petite quantité de carbone non métallique au fer échange sa grande ductilité contre une plus grande résistance.
• Cémentite. La cémentite (Fe₃C) est un composé métastable et, dans certaines circonstances, on peut la dissocier ou la décomposer pour former de l’α-ferrite et du graphite, selon la réaction: Fe₃C → 3Fe (α) + C (graphite). La cémentite dans sa forme pure est une céramique et elle est dure et cassante, ce qui la rend appropriée pour le renforcement des aciers. Ses propriétés mécaniques sont fonction de sa microstructure, qui dépend de la manière dont il est mélangé à la ferrite.

Les phases métastables sont:

• Perlite. En métallurgie, la perlite est une structure métallique en couches de deux phases, qui se compose de couches alternées de ferrite (87,5 % en poids) et de cémentite (12,5 % en poids) que l’on trouve dans certains aciers et fontes. Il est nommé pour sa ressemblance avec la nacre.
• Martensite. La martensite est une structure métastable très dure avec une structure cristalline tétragonale centrée sur le corps (BCT). La martensite se forme dans les aciers lorsque la vitesse de refroidissement de l’austénite est si élevée que les atomes de carbone n’ont pas le temps de se diffuser hors de la structure cristalline en quantité suffisante pour former de la cémentite (Fe₃C).
• Baïnite. La bainite est une microstructure en forme de plaque qui se forme dans les aciers à partir d’austénite lorsque les vitesses de refroidissement ne sont pas
  assez rapides pour produire de la martensite mais sont encore assez rapides pour que le carbone n’ait pas assez de temps pour se diffuser pour former de la perlite. Les aciers bainitiques sont généralement plus résistants et plus durs que les aciers perlitiques; pourtant, ils présentent une combinaison souhaitable de résistance et de ductilité.

Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993.
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JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir ci-dessus:
Diagramme de phase [/lgc_column ]

Diagramme de phase du système fer-carbone

Les alliages ferreux les plus simples sont connus sous le nom d’ aciers et ils sont constitués de fer (Fe) allié au carbone (C) (environ 0,1% à 1%, selon le type). L’ajout d’une petite quantité de carbone non métallique au fer échange sa grande ductilité contre une plus grande résistance. En raison de sa résistance très élevée, mais toujours substantielle, et de sa capacité à être fortement altérée par le traitement thermique, l’acier est l’un des alliages ferreux les plus utiles et les plus courants dans l’utilisation moderne. Sur la figure, il y a le carbure de fer-fer (Fe-Fe₃C) diagramme de phase. Le pourcentage de carbone présent et la température définissent la phase de l’alliage fer-carbone et donc ses caractéristiques physiques et ses propriétés mécaniques. Le pourcentage de carbone détermine le type d’alliage ferreux : fer, acier ou fonte.

Phases courantes dans les aciers et les fers

Le traitement thermique des aciers nécessite une compréhension à la fois des phases d’équilibre et des phases métastables qui se produisent lors du chauffage et/ou du refroidissement. Pour les aciers, les phases d’équilibre stable comprennent :

• Ferrite. La ferrite ou α-ferrite est une phase de structure cubique centrée du fer qui existe en dessous de températures de 912 °C pour de faibles concentrations de carbone dans le fer. L’α-ferrite ne peut dissoudre que jusqu’à 0,02 % de carbone à 727 °C. Cela est dû à la configuration du réseau de fer qui forme une structure cristalline BCC. La phase primaire de l’acier à faible teneur en carbone ou doux et de la plupart des fontes à température ambiante est ferromagnétique α-Fe.
• Austénite. L’austénite, également connue sous le nom de fer en phase gamma (γ-Fe), est une phase de fer à structure cubique à faces centrées non magnétique. L’austénite dans les alliages fer-carbone n’est généralement présente qu’au-dessus de la température eutectoïde critique (723 °C) et en dessous de 1500 °C, selon la teneur en carbone. Cependant, il peut être conservé à température ambiante par des ajouts d’alliages tels que le nickel ou le manganèse. Le carbone joue un rôle important dans le traitement thermique, car il élargit la plage de température de stabilité de l’austénite. Une teneur en carbone plus élevée abaisse la température nécessaire pour austénitiser l’acier, de sorte que les atomes de fer se réarrangent pour former une structure de réseau fcc. L’austénite est présente dans le type d’acier inoxydable le plus couramment utilisé, qui est très connu pour sa résistance à la corrosion.
• Graphite. L’ajout d’une petite quantité de carbone non métallique au fer échange sa grande  ductilité  contre une plus grande  résistance.
• Cémentite. La cémentite (Fe₃C) est un composé métastable et, dans certaines circonstances, on peut la dissocier ou la décomposer pour former de l’α-ferrite et du graphite, selon la réaction: Fe₃C → 3Fe (α) + C (graphite). La cémentite dans sa forme pure est une céramique et elle est dure et cassante, ce qui la rend appropriée pour le renforcement des aciers. Ses propriétés mécaniques sont fonction de sa microstructure, qui dépend de la manière dont il est mélangé à la ferrite.

Les phases métastables sont:

• Perlite. En métallurgie, la perlite est une structure métallique en couches de deux phases, qui se compose de couches alternées de ferrite (87,5 % en poids) et de cémentite (12,5 % en poids) que l’on trouve dans certains aciers et fontes. Il est nommé pour sa ressemblance avec la nacre.
• Martensite. La martensite est une structure métastable très dure avec une structure cristalline tétragonale centrée sur le corps (BCT). La martensite se forme dans les aciers lorsque la vitesse de refroidissement de l’austénite est si élevée que les atomes de carbone n’ont pas le temps de se diffuser hors de la structure cristalline en quantité suffisante pour former de la cémentite (Fe₃C).
• Baïnite. La bainite est une microstructure en forme de plaque qui se forme dans les aciers à partir d’austénite lorsque les vitesses de refroidissement ne sont pas
  assez rapides pour produire de la martensite mais sont encore assez rapides pour que le carbone n’ait pas assez de temps pour se diffuser pour former de la perlite. Les aciers bainitiques sont généralement plus résistants et plus durs que les aciers perlitiques; pourtant, ils présentent une combinaison souhaitable de résistance et de ductilité.

Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993.
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William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
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JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

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L’austénite, également connue sous le nom de fer en phase gamma (γ-Fe), est une phase de fer à structure cubique à faces centrées non magnétique. L’austénite dans les alliages fer-carbone n’est généralement présente qu’au-dessus de la température eutectoïde critique (723 °C) et en dessous de 1500 °C, selon la teneur en carbone. Cependant, il peut être conservé à température ambiante par des ajouts d’alliages tels que le nickel ou le manganèse.

Le carbone joue un rôle important dans le traitement thermique, car il élargit la plage de température de stabilité de l’austénite. Une teneur en carbone plus élevée abaisse la température nécessaire pour austénitiser l’acier, de sorte que les atomes de fer se réarrangent pour former une structure de réseau fcc. L’austénite est présente dans le type d’acier inoxydable le plus couramment utilisé, qui est très connu pour sa résistance à la corrosion.

Acier inoxydable austénitique

Les aciers inoxydables austénitiques contiennent entre 16 et 25 % de chrome et peuvent également contenir de l’azote en solution, ce qui contribue à leur résistance relativement élevée à la corrosion. Les aciers inoxydables austénitiques sont classés avec les désignations des séries AISI 200 ou 300; les nuances de la série 300 sont des alliages chrome-nickel, et la série 200 représente un ensemble de compositions dans lesquelles le manganèse et/ou l’azote remplacent une partie du nickel.

Les aciers inoxydables austénitiques ont la meilleure résistance à la corrosion de tous les aciers inoxydables et ils ont d’excellentes propriétés cryogéniques et une bonne résistance à haute température. Ils possèdent une microstructure cubique à faces centrées (fcc) non magnétique et peuvent être facilement soudés. Cette structure cristalline austénitique est obtenue par des ajouts suffisants d’ éléments stabilisateurs d’austénite nickel, manganèse et azote. L’acier inoxydable austénitique est la plus grande famille d’aciers inoxydables, représentant environ les deux tiers de toute la production d’acier inoxydable. Leur limite d’élasticité est faible (200 à 300 MPa), ce qui limite leur utilisation pour les composants structurels et autres éléments porteurs. Ils ne peuvent pas être durcis par traitement thermique mais ont la propriété utile de pouvoir être écrouis à des niveaux de résistance élevés tout en conservant un niveau utile de ductilité et de ténacité. Les aciers inoxydables duplex ont tendance à être préférés dans de telles situations en raison de leur résistance élevée et de leur résistance à la corrosion. La nuance la plus connue est l’acier inoxydable AISI 304, qui contient à la fois du chrome (entre 15 % et 20 %) et du nickel (entre 2 % et 10,5 %) comme principaux constituants non ferreux. L’acier inoxydable 304 a une excellente résistance à une large gamme d’environnements atmosphériques et à de nombreux milieux corrosifs. Ces alliages sont généralement caractérisés comme ductiles, soudables et durcissables par formage à froid.

Autres phases courantes dans les aciers et les fers

Le traitement thermique des aciers nécessite une compréhension à la fois des phases d’équilibre et des phases métastables qui se produisent lors du chauffage et/ou du refroidissement. Pour les aciers, les phases d’équilibre stable comprennent:

• Ferrite. La ferrite ou α-ferrite est une phase de structure cubique centrée du fer qui existe en dessous de températures de 912 °C pour de faibles concentrations de carbone dans le fer. L’α-ferrite ne peut dissoudre que jusqu’à 0,02 % de carbone à 727 °C. Cela est dû à la configuration du réseau de fer qui forme une structure cristalline BCC. La phase primaire de l’acier à faible teneur en carbone ou doux et de la plupart des fontes à température ambiante est ferromagnétique α-Fe.
• Austénite. L’austénite, également connue sous le nom de fer en phase gamma (γ-Fe), est une phase de fer à structure cubique à faces centrées non magnétique. L’austénite dans les alliages fer-carbone n’est généralement présente qu’au-dessus de la température eutectoïde critique (723 °C) et en dessous de 1500 °C, selon la teneur en carbone. Cependant, il peut être conservé à température ambiante par des ajouts d’alliages tels que le nickel ou le manganèse. Le carbone joue un rôle important dans le traitement thermique, car il élargit la plage de température de stabilité de l’austénite. Une teneur en carbone plus élevée abaisse la température nécessaire pour austénitiser l’acier, de sorte que les atomes de fer se réarrangent pour former une structure de réseau fcc. L’austénite est présente dans le type d’acier inoxydable le plus couramment utilisé, qui est très connu pour sa résistance à la corrosion.
• Graphite. L’ajout d’une petite quantité de carbone non métallique au fer échange sa grande ductilité contre une plus grande résistance.
• Cémentite. La cémentite (Fe₃C) est un composé métastable et, dans certaines circonstances, on peut la dissocier ou la décomposer pour former de l’α-ferrite et du graphite, selon la réaction: Fe₃C → 3Fe (α) + C (graphite). La cémentite dans sa forme pure est une céramique et elle est dure et cassante, ce qui la rend appropriée pour le renforcement des aciers. Ses propriétés mécaniques sont fonction de sa microstructure, qui dépend de la manière dont il est mélangé à la ferrite.

Les phases métastables sont:

• Perlite. En métallurgie, la perlite est une structure métallique en couches de deux phases, qui se compose de couches alternées de ferrite (87,5 % en poids) et de cémentite (12,5 % en poids) que l’on trouve dans certains aciers et fontes. Il est nommé pour sa ressemblance avec la nacre.
• Martensite. La martensite est une structure métastable très dure avec une structure cristalline tétragonale centrée sur le corps (BCT). La martensite se forme dans les aciers lorsque la vitesse de refroidissement de l’austénite est si élevée que les atomes de carbone n’ont pas le temps de se diffuser hors de la structure cristalline en quantité suffisante pour former de la cémentite (Fe₃C).
• Baïnite. La bainite est une microstructure en forme de plaque qui se forme dans les aciers à partir d’austénite lorsque les vitesses de refroidissement ne sont pas
  assez rapides pour produire de la martensite mais sont encore assez rapides pour que le carbone n’ait pas assez de temps pour se diffuser pour former de la perlite. Les aciers bainitiques sont généralement plus résistants et plus durs que les aciers perlitiques; pourtant, ils présentent une combinaison souhaitable de résistance et de ductilité.

Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993.
US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir ci-dessus:
Diagramme de phase [/lgc_column ]

L’austénite, également connue sous le nom de fer en phase gamma (γ-Fe), est une phase de fer à structure cubique à faces centrées non magnétique. L’austénite dans les alliages fer-carbone n’est généralement présente qu’au-dessus de la température eutectoïde critique (723 °C) et en dessous de 1500 °C, selon la teneur en carbone. Cependant, il peut être conservé à température ambiante par des ajouts d’alliages tels que le nickel ou le manganèse.

Le carbone joue un rôle important dans le traitement thermique, car il élargit la plage de température de stabilité de l’austénite. Une teneur en carbone plus élevée abaisse la température nécessaire pour austénitiser l’acier, de sorte que les atomes de fer se réarrangent pour former une structure de réseau fcc. L’austénite est présente dans le type d’acier inoxydable le plus couramment utilisé, qui est très connu pour sa résistance à la corrosion.

Acier inoxydable austénitique

Les aciers inoxydables austénitiques contiennent entre 16 et 25 % de chrome et peuvent également contenir de l’azote en solution, ce qui contribue à leur résistance relativement élevée à la corrosion. Les aciers inoxydables austénitiques sont classés avec les désignations des séries AISI 200 ou 300; les nuances de la série 300 sont des alliages chrome-nickel, et la série 200 représente un ensemble de compositions dans lesquelles le manganèse et/ou l’azote remplacent une partie du nickel.

Les aciers inoxydables austénitiques ont la meilleure résistance à la corrosion de tous les aciers inoxydables et ils ont d’excellentes propriétés cryogéniques et une bonne résistance à haute température. Ils possèdent une microstructure cubique à faces centrées (fcc) non magnétique et peuvent être facilement soudés. Cette structure cristalline austénitique est obtenue par des ajouts suffisants d’ éléments stabilisateurs d’austénite nickel, manganèse et azote. L’acier inoxydable austénitique est la plus grande famille d’aciers inoxydables, représentant environ les deux tiers de toute la production d’acier inoxydable. Leur limite d’élasticité est faible (200 à 300 MPa), ce qui limite leur utilisation pour les composants structurels et autres éléments porteurs. Ils ne peuvent pas être durcis par traitement thermique mais ont la propriété utile de pouvoir être écrouis à des niveaux de résistance élevés tout en conservant un niveau utile de ductilité et de ténacité. Les aciers inoxydables duplex ont tendance à être préférés dans de telles situations en raison de leur résistance élevée et de leur résistance à la corrosion. La nuance la plus connue est l’acier inoxydable AISI 304, qui contient à la fois du chrome (entre 15 % et 20 %) et du nickel (entre 2 % et 10,5 %) comme principaux constituants non ferreux. L’acier inoxydable 304 a une excellente résistance à une large gamme d’environnements atmosphériques et à de nombreux milieux corrosifs. Ces alliages sont généralement caractérisés comme ductiles, soudables et durcissables par formage à froid.

Autres phases courantes dans les aciers et les fers

Le traitement thermique des aciers nécessite une compréhension à la fois des phases d’équilibre et des phases métastables qui se produisent lors du chauffage et/ou du refroidissement. Pour les aciers, les phases d’équilibre stable comprennent:

• Ferrite . La ferrite ou α-ferrite est une phase de structure cubique centrée du fer qui existe en dessous de températures de 912 °C pour de faibles concentrations de carbone dans le fer. L’α-ferrite ne peut dissoudre que jusqu’à 0,02 % de carbone à 727 °C. Cela est dû à la configuration du réseau de fer qui forme une structure cristalline BCC. La phase primaire de l’acier à faible teneur en carbone ou doux et de la plupart des fontes à température ambiante est ferromagnétique α-Fe.
• Austénite. L’austénite, également connue sous le nom de fer en phase gamma (γ-Fe), est une phase de fer à structure cubique à faces centrées non magnétique. L’austénite dans les alliages fer-carbone n’est généralement présente qu’au-dessus de la température eutectoïde critique (723 °C) et en dessous de 1500 °C, selon la teneur en carbone. Cependant, il peut être conservé à température ambiante par des ajouts d’alliages tels que le nickel ou le manganèse. Le carbone joue un rôle important dans le traitement thermique, car il élargit la plage de température de stabilité de l’austénite. Une teneur en carbone plus élevée abaisse la température nécessaire pour austénitiser l’acier, de sorte que les atomes de fer se réarrangent pour former une structure de réseau fcc. L’austénite est présente dans le type d’acier inoxydable le plus couramment utilisé, qui est très connu pour sa résistance à la corrosion.
• Graphite. L’ajout d’une petite quantité de carbone non métallique au fer échange sa grande  ductilité  contre une plus grande résistance.
• Cémentite. La cémentite (Fe₃C) est un composé métastable et, dans certaines circonstances, on peut la dissocier ou la décomposer pour former de l’α-ferrite et du graphite, selon la réaction: Fe₃C → 3Fe (α) + C (graphite). La cémentite dans sa forme pure est une céramique et elle est dure et cassante, ce qui la rend appropriée pour le renforcement des aciers. Ses propriétés mécaniques sont fonction de sa microstructure, qui dépend de la manière dont il est mélangé à la ferrite.

Les phases métastables sont:

• Perlite. En métallurgie, la perlite est une structure métallique en couches de deux phases, qui se compose de couches alternées de ferrite (87,5 % en poids) et de cémentite (12,5 % en poids) que l’on trouve dans certains aciers et fontes. Il est nommé pour sa ressemblance avec la nacre.
• Martensite. La martensite est une structure métastable très dure avec une structure cristalline tétragonale centrée sur le corps (BCT). La martensite se forme dans les aciers lorsque la vitesse de refroidissement de l’austénite est si élevée que les atomes de carbone n’ont pas le temps de se diffuser hors de la structure cristalline en quantité suffisante pour former de la cémentite (Fe₃C).
• Baïnite. La bainite est une microstructure en forme de plaque qui se forme dans les aciers à partir d’austénite lorsque les vitesses de refroidissement ne sont pas
  assez rapides pour produire de la martensite mais sont encore assez rapides pour que le carbone n’ait pas assez de temps pour se diffuser pour former de la perlite. Les aciers bainitiques sont généralement plus résistants et plus durs que les aciers perlitiques; pourtant, ils présentent une combinaison souhaitable de résistance et de ductilité.

Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993.
US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir ci-dessus:
Diagramme de phase [/lgc_column ]

La martensite est une structure métastable très dure avec une structure cristalline tétragonale centrée sur le corps (BCT). La martensite se forme dans les aciers lorsque la vitesse de refroidissement de l’austénite est si élevée que les atomes de carbone n’ont pas le temps de se diffuser hors de la structure cristalline en quantité suffisante pour former de la cémentite (Fe₃C). C’est donc un produit de transformation sans diffusion. Toute diffusion, quelle qu’elle soit, entraîne la formation de phases de ferrite et de cémentite. Il porte le nom du métallurgiste allemand Adolf Martens (1850-1914).

Contrairement à la décomposition isotherme des constituants de la phase par diffusion, la martensite n’est pas une phase associée à l’équilibre thermique. Ainsi, il n’apparaît pas sur le diagramme de phase d’équilibre fer-carbone. Elle peut être considérée comme un produit de transformation concurrent de la perlite et de la bainite.

La microstructure de la martensite dans les aciers a différentes morphologies et peut apparaître sous forme de martensite à lattes ou de martensite à plaques. Pour l’acier à 0–0,6% de carbone, la martensite a l’apparence d’une latte et est appelée martensite à lattes. Pour l’acier à plus de 1% de carbone, il formera une structure en forme de plaque appelée martensite en plaque. La martensite en plaques, comme son nom l’indique, se présente sous la forme de cristaux lenticulaires (en forme de lentille) avec un motif en zigzag de plaques plus petites. Entre ces deux pourcentages, l’apparence physique des grains est un mélange des deux. La résistance de la martensite est réduite à mesure que la quantité d’austénite retenue augmente.

Transformation martensitique

Le durcissement par transformation, également connu sous le nom de durcissement par transformation martensitique, est l’une des méthodes de durcissement les plus courantes, qui est principalement utilisée pour les aciers (c’est-à-dire les aciers au carbone ainsi que les aciers inoxydables). La transformation martensitique n’est cependant pas propre aux alliages fer-carbone. On le retrouve dans d’autres systèmes et se caractérise, en partie, par la transformation sans diffusion.

Les aciers martensitiques utilisent principalement des niveaux plus élevés de C et de Mn ainsi qu’un traitement thermique pour augmenter la résistance. Le produit fini aura une microstructure duplex de ferrite avec différents niveaux de martensite dégénérée. Cela permet de varier les niveaux de force. En métallurgie, la trempe est le plus souvent utilisée pour durcir l’acier en introduisant de la martensite. Il existe un équilibre entre la dureté et la ténacité dans n’importe quel acier; plus l’acier est dur, moins il est dur ou résistant aux chocs, et plus il est résistant aux chocs, moins il est dur.

La martensite est produite à partir d’austénite à la suite de la trempe ou d’une autre forme de refroidissement rapide. L’austénite dans les alliages fer-carbone n’est généralement présente qu’au-dessus de la température eutectoïde critique (723 °C) et en dessous de 1500 °C, selon la teneur en carbone. En cas de taux de refroidissement normaux, à mesure que l’austénite refroidit, le carbone se diffuse hors de l’austénite et forme du carbure de fer riche en carbone (cémentite) et laisse derrière lui une ferrite pauvre en carbone. Selon la composition de l’alliage, une couche de ferrite et de cémentite, appelée perlite, peut se former. Mais en cas de refroidissement rapide, le carbone n’a pas assez de temps pour se diffuser et se transforme en une forme tétragonale centrée sur le corps très sollicitée appelée martensite qui est sursaturée en carbone. Tous les atomes de carbone restent sous forme d’impuretés interstitielles dans la martensite.

Martensite trempée

La capacité relative d’un alliage ferreux à former de la martensite est appelée trempabilité. La trempabilité est couramment mesurée comme la distance sous une surface trempée à laquelle le métal présente une dureté spécifique de 50 HRC, par exemple, ou un pourcentage spécifique de martensite dans la microstructure. La dureté la plus élevée d’un acier perlitique est de 43 HRC alors que la martensite peut atteindre 72 HRC. Martensite fraîche est très fragile si la teneur en carbone est supérieure à environ 0,2 à 0,3 %. Il est si fragile qu’il ne peut pas être utilisé pour la plupart des applications. Cette fragilité peut être supprimée (avec une certaine perte de dureté) si l’acier trempé est légèrement chauffé dans un processus connu sous le nom de revenu. La trempe est réalisée en chauffant un acier martensitique à une température inférieure à l’eutectoïde pendant une période de temps spécifiée (par exemple entre 250 °C et 650 °C).

Ce traitement thermique de revenu permet, par des procédés diffusionnels, la formation de martensite revenue, selon la réaction:

martensite (BCT, monophasé) → martensite revenu (ferrite + phases Fe₃C)

où la martensite monophasique BCT, sursaturée en carbone, se transforme en martensite trempée, composée des phases stables de ferrite et de cémentite. Sa microstructure est similaire à la microstructure de la sphéroïdite, mais dans ce cas, la martensite trempée contient des particules de cémentite extrêmement petites et uniformément dispersées intégrées dans une matrice de ferrite continue. La martensite trempée peut être presque aussi dure et résistante que la martensite, mais avec une ductilité et une ténacité sensiblement améliorées.

Acier inoxydable martensitique

Les aciers inoxydables martensitiques sont similaires aux aciers ferritiques en ce qu’ils sont à base de chrome mais ont des niveaux de carbone plus élevés pouvant atteindre 1 %. Ils sont parfois classés en aciers inoxydables martensitiques à faible teneur en carbone et à haute teneur en carbone. Ils contiennent 12 à 14 % de chrome, 0,2 à 1 % de molybdène et aucune quantité significative de nickel. Des quantités plus élevées de carbone leur permettent d’être trempés et revenus tout comme les aciers au carbone et faiblement alliés. Ils ont une résistance modérée à la corrosion, mais sont considérés comme durs, solides, légèrement cassants. Ils sont magnétiques et ils peuvent être testés de manière non destructive en utilisant la méthode d’inspection par particules magnétiques, contrairement à l’acier inoxydable austénitique. Un acier inoxydable martensitique courant est l’AISI 440C, qui contient 16 à 18 % de chrome et 0,95 à 1,2 % de carbone. L’acier inoxydable de grade 440C est utilisé dans les applications suivantes : blocs étalons, coutellerie, roulements à billes et chemins de roulement, moules et matrices, couteaux.

Comme cela a été écrit, les aciers inoxydables martensitiques peuvent être trempés et revenus par de multiples voies de vieillissement/traitement thermique: Les mécanismes métallurgiques responsables des transformations martensitiques qui ont lieu dans ces alliages inoxydables lors de l’austénitisation et de la trempe sont essentiellement les mêmes que ceux qui sont utilisés pour durcit les aciers au carbone et alliés à faible teneur en alliage. Le traitement thermique comprend généralement trois étapes:

• Austénitisation, dans laquelle l’acier est chauffé à une température comprise entre 980 et 1050 °C selon les nuances. L’austénite est une phase cubique à faces centrées.
• Trempe. Après austénitisation, les aciers doivent être trempés. Les alliages inoxydables martensitiques peuvent être trempés à l’aide d’air calme, d’un vide à pression positive ou d’une trempe à l’huile interrompue. L’austénite est transformée en martensite, une structure cristalline tétragonale centrée sur le corps dur. La martensite est très dure et trop cassante pour la plupart des applications.
• Trempe, c’est-à-dire chauffage à environ 500 °C, maintien en température, puis refroidissement à l’air. L’augmentation de la température de revenu diminue la limite d’élasticité et la résistance à la traction ultime, mais augmente l’allongement et la résistance aux chocs.

La résistance des aciers inoxydables aux effets chimiques des agents corrosifs repose sur la passivation. Pour que la passivation se produise et reste stable, l’alliage Fe-Cr doit avoir une teneur minimale en chrome d’environ 10,5 % en poids, au-dessus de laquelle la passivation peut se produire et en dessous de laquelle elle est impossible. Le chrome peut être utilisé comme élément de durcissement et est fréquemment utilisé avec un élément de durcissement tel que le nickel pour produire des propriétés mécaniques supérieures.

Résistance à la traction ultime

La résistance à la traction ultime de  l’acier inoxydable martensitique – le grade 440C  est de 760 MPa.

Dureté 

La dureté Brinell de  l’acier inoxydable martensitique – Grade 440C  est d’environ 270 MPa.

Autres phases courantes dans les aciers et les fers

Le traitement thermique des aciers nécessite une compréhension à la fois des phases d’équilibre et des phases métastables qui se produisent lors du chauffage et/ou du refroidissement. Pour les aciers, les phases d’équilibre stable comprennent :

• Ferrite. La ferrite ou α-ferrite est une phase de structure cubique centrée du fer qui existe en dessous de températures de 912 °C pour de faibles concentrations de carbone dans le fer. L’α-ferrite ne peut dissoudre que jusqu’à 0,02 % de carbone à 727 °C. Cela est dû à la configuration du réseau de fer qui forme une structure cristalline BCC. La phase primaire de l’acier à faible teneur en carbone ou doux et de la plupart des fontes à température ambiante est ferromagnétique α-Fe.
• Austénite. L’austénite, également connue sous le nom de fer en phase gamma (γ-Fe), est une phase de fer à structure cubique à faces centrées non magnétique. L’austénite dans les alliages fer-carbone n’est généralement présente qu’au-dessus de la température eutectoïde critique (723 °C) et en dessous de 1500 °C, selon la teneur en carbone. Cependant, il peut être conservé à température ambiante par des ajouts d’alliages tels que le nickel ou le manganèse. Le carbone joue un rôle important dans le traitement thermique, car il élargit la plage de température de stabilité de l’austénite. Une teneur en carbone plus élevée abaisse la température nécessaire pour austénitiser l’acier, de sorte que les atomes de fer se réarrangent pour former une structure de réseau fcc. L’austénite est présente dans le type d’acier inoxydable le plus couramment utilisé, qui est très connu pour sa résistance à la corrosion.
• Graphite. L’ajout d’une petite quantité de carbone non métallique au fer échange sa grande ductilité contre une plus grande résistance.
• Cémentite. La cémentite (Fe₃C) est un composé métastable et, dans certaines circonstances, on peut la dissocier ou la décomposer pour former de l’α-ferrite et du graphite, selon la réaction: Fe₃C → 3Fe (α) + C (graphite). La cémentite dans sa forme pure est une céramique et elle est dure et cassante, ce qui la rend appropriée pour le renforcement des aciers. Ses propriétés mécaniques sont fonction de sa microstructure, qui dépend de la manière dont il est mélangé à la ferrite.

Les phases métastables sont:

• Perlite. En métallurgie, la perlite est une structure métallique en couches de deux phases, qui se compose de couches alternées de ferrite (87,5 % en poids) et de cémentite (12,5 % en poids) que l’on trouve dans certains aciers et fontes. Il est nommé pour sa ressemblance avec la nacre.
• Martensite. La martensite est une structure métastable très dure avec une structure cristalline tétragonale centrée sur le corps (BCT). La martensite se forme dans les aciers lorsque la vitesse de refroidissement de l’austénite est si élevée que les atomes de carbone n’ont pas le temps de se diffuser hors de la structure cristalline en quantité suffisante pour former de la cémentite (Fe₃C).
• Baïnite. La bainite est une microstructure en forme de plaque qui se forme dans les aciers à partir d’austénite lorsque les vitesses de refroidissement ne sont pas
  assez rapides pour produire de la martensite mais sont encore assez rapides pour que le carbone n’ait pas assez de temps pour se diffuser pour former de la perlite. Les aciers bainitiques sont généralement plus résistants et plus durs que les aciers perlitiques; pourtant, ils présentent une combinaison souhaitable de résistance et de ductilité.

Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993.
US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir ci-dessus:
Diagramme de phase [/lgc_column ]

La cémentite (Fe₃C) est un composé métastable et, dans certaines circonstances, elle peut être amenée à se dissocier ou à se décomposer pour former de la ferrite α et du graphite, selon la réaction :

Fe₃C → 3Fe (α) + C (graphite)

Le temps de décomposition est long et il prendra beaucoup plus de temps que la durée de vie de l’application à température ambiante. D’autres facteurs (températures élevées et ajout de certains éléments d’alliage par exemple) peuvent affecter cette décomposition car ils favorisent la formation de graphite.

La cémentite dans sa forme pure est une céramique et elle est dure et cassante, ce qui la rend appropriée pour le renforcement des aciers. Ses propriétés mécaniques sont fonction de sa microstructure, qui dépend de la manière dont il est mélangé à la ferrite.

Dans le système fer-carbone (c’est-à-dire les aciers au carbone ordinaire et les fontes), il s’agit d’un constituant courant car la ferrite peut contenir au plus 0,02 % en poids de carbone non combiné. Ainsi, dans les aciers au carbone et les fontes à refroidissement lent, une partie du carbone se présente sous forme de cémentite.

La cémentite se forme directement à partir de la fonte dans le cas de la fonte blanche. Avec une teneur en silicium plus faible (contenant moins de 1,0 % en poids de Si – agent de graphitisation) et une vitesse de refroidissement plus rapide, le carbone de la fonte précipite hors de la fonte sous forme de cémentite en phase métastable, Fe₃C, plutôt que de graphite. Le produit de cette solidification est connu sous le nom de fonte blanche (également appelée fonte refroidie).

Dans l’acier au carbone, la cémentite précipite à partir de l’austénite lorsque l’austénite se transforme en ferrite lors d’un refroidissement lent ou en martensite lors de la trempe. Un mélange intime avec la ferrite, l’autre produit de l’austénite, forme une structure lamellaire appelée perlite.

Dans les fontes, la formation de graphite est favorisée par la présence de silicium à des concentrations supérieures à environ 1 % en poids. De plus, des vitesses de refroidissement plus lentes pendant la solidification favorisent la graphitisation (la formation de graphite).

Autres phases courantes dans les aciers et les fers

Le traitement thermique des aciers nécessite une compréhension à la fois des phases d’équilibre et des phases métastables qui se produisent lors du chauffage et/ou du refroidissement. Pour les aciers, les phases d’équilibre stable comprennent :

• Ferrite. La ferrite ou α-ferrite est une phase de structure cubique centrée du fer qui existe en dessous de températures de 912 °C pour de faibles concentrations de carbone dans le fer. L’α-ferrite ne peut dissoudre que jusqu’à 0,02 % de carbone à 727 °C. Cela est dû à la configuration du réseau de fer qui forme une structure cristalline BCC. La phase primaire de l’acier à faible teneur en carbone ou doux et de la plupart des fontes à température ambiante est ferromagnétique α-Fe.
• Austénite. L’austénite, également connue sous le nom de fer en phase gamma (γ-Fe), est une phase de fer à structure cubique à faces centrées non magnétique. L’austénite dans les alliages fer-carbone n’est généralement présente qu’au-dessus de la température eutectoïde critique (723 °C) et en dessous de 1500 °C, selon la teneur en carbone. Cependant, il peut être conservé à température ambiante par des ajouts d’alliages tels que le nickel ou le manganèse. Le carbone joue un rôle important dans le traitement thermique, car il élargit la plage de température de stabilité de l’austénite. Une teneur en carbone plus élevée abaisse la température nécessaire pour austénitiser l’acier, de sorte que les atomes de fer se réarrangent pour former une structure de réseau fcc. L’austénite est présente dans le type d’acier inoxydable le plus couramment utilisé, qui est très connu pour sa résistance à la corrosion.
• Graphite. L’ajout d’une petite quantité de carbone non métallique au fer échange sa grande ductilité contre une plus grande  résistance.
• Cémentite. La cémentite (Fe₃C) est un composé métastable et, dans certaines circonstances, on peut la dissocier ou la décomposer pour former de l’α-ferrite et du graphite, selon la réaction: Fe₃C → 3Fe (α) + C (graphite). La cémentite dans sa forme pure est une céramique et elle est dure et cassante, ce qui la rend appropriée pour le renforcement des aciers. Ses propriétés mécaniques sont fonction de sa microstructure, qui dépend de la manière dont il est mélangé à la ferrite.

Les phases métastables sont:

• Perlite. En métallurgie, la perlite est une structure métallique en couches de deux phases, qui se compose de couches alternées de ferrite (87,5 % en poids) et de cémentite (12,5 % en poids) que l’on trouve dans certains aciers et fontes. Il est nommé pour sa ressemblance avec la nacre.
• Martensite. La martensite est une structure métastable très dure avec une structure cristalline tétragonale centrée sur le corps (BCT). La martensite se forme dans les aciers lorsque la vitesse de refroidissement de l’austénite est si élevée que les atomes de carbone n’ont pas le temps de se diffuser hors de la structure cristalline en quantité suffisante pour former de la cémentite (Fe₃C).
• Baïnite. La bainite est une microstructure en forme de plaque qui se forme dans les aciers à partir d’austénite lorsque les vitesses de refroidissement ne sont pas
  assez rapides pour produire de la martensite mais sont encore assez rapides pour que le carbone n’ait pas assez de temps pour se diffuser pour former de la perlite. Les aciers bainitiques sont généralement plus résistants et plus durs que les aciers perlitiques; pourtant, ils présentent une combinaison souhaitable de résistance et de ductilité.

Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993.
US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir ci-dessus:
Diagramme de phase [/lgc_column ]

La martensite est une structure métastable très dure avec une structure cristalline tétragonale centrée sur le corps (BCT). La martensite se forme dans les aciers lorsque la vitesse de refroidissement de l’austénite est si élevée que les atomes de carbone n’ont pas le temps de se diffuser hors de la structure cristalline en quantité suffisante pour former de la cémentite (Fe₃C). C’est donc un produit de transformation sans diffusion. Toute diffusion, quelle qu’elle soit, entraîne la formation de phases de ferrite et de cémentite. Il porte le nom du métallurgiste allemand Adolf Martens (1850-1914).

Martensite trempée

La capacité relative d’un alliage ferreux à former de la martensite est appelée trempabilité. La trempabilité est couramment mesurée comme la distance sous une surface trempée à laquelle le métal présente une dureté spécifique de 50 HRC, par exemple, ou un pourcentage spécifique de martensite dans la microstructure. La dureté la plus élevée d’un acier perlitique est de 43 HRC alors que la martensite peut atteindre 72 HRC. Martensite fraîche est très fragile si la teneur en carbone est supérieure à environ 0,2 à 0,3 %. Il est si fragile qu’il ne peut pas être utilisé pour la plupart des applications. Cette fragilité peut être supprimée (avec une certaine perte de dureté) si l’acier trempé est légèrement chauffé dans un processus connu sous le nom de revenu. La trempe est réalisée en chauffant un acier martensitique à une température inférieure à l’eutectoïde pendant une période de temps spécifiée (par exemple entre 250 °C et 650 °C).

Ce traitement thermique de revenu permet, par des procédés diffusionnels, la formation de martensite revenue, selon la réaction:

martensite (BCT, monophasé) → martensite revenu (ferrite + phases Fe₃C)

où la martensite monophasique BCT, sursaturée en carbone, se transforme en martensite trempée, composée des phases stables de ferrite et de cémentite. Sa microstructure est similaire à la microstructure de la sphéroïdite, mais dans ce cas, la martensite trempée contient des particules de cémentite extrêmement petites et uniformément dispersées intégrées dans une matrice de ferrite continue. La martensite trempée peut être presque aussi dure et résistante que la martensite, mais avec une ductilité et une ténacité sensiblement améliorées.

La résistance à la traction ultime de  l’acier inoxydable martensitique  – le grade 440C  est de 760 MPa.

Dureté 

La dureté Brinell de l’acier inoxydable martensitique – Grade 440C est d’environ 270 MPa.

Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993.
US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
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González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir ci-dessus:
Martensite

La bainite est une microstructure en forme de plaque qui se forme dans les aciers à partir d’ austénite lorsque les vitesses de refroidissement ne sont pas assez rapides pour produire de la martensite mais sont encore assez rapides pour que le carbone n’ait pas assez de temps pour diffuser pour former de la perlite. Comme la perlite, les phases constitutives de la bainite sont la ferrite et la cémentite. Des processus de diffusion lors du refroidissement sont impliqués dans sa formation. Cependant, les formes des phases sont très différentes dans la perlite et la bainite. le différence clé entre la perlite et la bainite est que la perlite contient des couches alternées de ferrite et de cémentite tandis que la bainite a une microstructure en forme de plaque.

Fine structure non lamellaire, la bainite est généralement constituée de cémentite et de ferrite riche en dislocations. La grande densité de dislocations dans la ferrite présente dans la bainite et la taille fine des plaquettes de bainite rendent cette ferrite plus dure qu’elle ne le serait normalement. Les aciers bainitiques sont généralement plus résistants et plus durs que les aciers perlitiques; pourtant, ils présentent une combinaison souhaitable de résistance et de ductilité. La dureté de la bainite peut être comprise entre celle de la perlite et celle de la martensite non trempée dans la même dureté d’acier.

La bainite a été décrite pour la première fois par ES Davenport et Edgar Bain, d’où le nom de bainite. À la fin des années 1920, ils ont lancé l’étude des aciers trempés par une méthode appelée transformation isotherme.

Autrempe

L’austempering est un traitement thermique utilisé pour former de la bainite pure, une microstructure de transition trouvée entre la perlite et la martensite. L’austénitisation consiste à refroidir rapidement la pièce métallique de la température d’austénitisation à environ 230 à 400 °C, en maintenant à une température constante pour permettre une transformation isotherme. Pour éviter la formation de perlite ou de martensite, l’acier est trempé dans un bain de métaux en fusion ou de sels. L’acier est ensuite maintenu à la température de formation de la bainite, au-delà du point où la température atteint un équilibre, jusqu’à ce que la bainite se forme complètement. L’acier est ensuite retiré du bain et refroidi à l’air, sans formation de perlite ou de martensite. Selon la température de maintien, l’austreme peut produire de la bainite supérieure ou inférieure.

La bainite est une microstructure en forme de plaque qui se forme dans les aciers à partir d’austénite lorsque les vitesses de refroidissement ne sont pas assez rapides pour produire de la martensite mais sont encore assez rapides pour que le carbone n’ait pas assez de temps pour se diffuser pour former de la perlite. le différence clé entre la perlite et la bainite est que la perlite contient des couches alternées de ferrite et de cémentite tandis que la bainite a une microstructure en forme de plaque.

Fine structure non lamellaire, la bainite est généralement constituée de cémentite et de ferrite riche en dislocations. La grande densité de dislocations dans la ferrite présente dans la bainite et la taille fine des plaquettes de bainite rendent cette ferrite plus dure qu’elle ne le serait normalement. Les aciers bainitiques sont généralement plus résistants et plus durs que les aciers perlitiques; pourtant ils présentent une résistance supérieure aux chocs. La dureté de la bainite peut être comprise entre celle de la perlite et celle de la martensite non trempée dans la même dureté d’acier.

L’Austreme est applicable à la plupart des aciers à moyenne teneur en carbone et des aciers alliés. Les aciers faiblement alliés sont généralement limités à des sections de 9,5 mm ou moins, tandis que les aciers plus durcissables peuvent être trempés en sections jusqu’à 50 mm d’épaisseur.

Autres phases courantes dans les aciers et les fers

Le traitement thermique des aciers nécessite une compréhension à la fois des phases d’équilibre et des phases métastables qui se produisent lors du chauffage et/ou du refroidissement. Pour les aciers, les phases d’équilibre stable comprennent:

• Ferrite. La ferrite ou α-ferrite est une phase de structure cubique centrée du fer qui existe en dessous de températures de 912 °C pour de faibles concentrations de carbone dans le fer. L’α-ferrite ne peut dissoudre que jusqu’à 0,02 % de carbone à 727 °C. Cela est dû à la configuration du réseau de fer qui forme une structure cristalline BCC. La phase primaire de l’acier à faible teneur en carbone ou doux et de la plupart des fontes à température ambiante est ferromagnétique α-Fe.
• Austénite. L’austénite, également connue sous le nom de fer en phase gamma (γ-Fe), est une phase de fer à structure cubique à faces centrées non magnétique. L’austénite dans les alliages fer-carbone n’est généralement présente qu’au-dessus de la température eutectoïde critique (723 °C) et en dessous de 1500 °C, selon la teneur en carbone. Cependant, il peut être conservé à température ambiante par des ajouts d’alliages tels que le nickel ou le manganèse. Le carbone joue un rôle important dans le traitement thermique, car il élargit la plage de température de stabilité de l’austénite. Une teneur en carbone plus élevée abaisse la température nécessaire pour austénitiser l’acier, de sorte que les atomes de fer se réarrangent pour former une structure de réseau fcc. L’austénite est présente dans le type d’acier inoxydable le plus couramment utilisé, qui est très connu pour sa résistance à la corrosion.
• Graphite. L’ajout d’une petite quantité de carbone non métallique au fer échange sa grande ductilité contre une plus grande résistance.
• Cémentite. La cémentite (Fe₃C) est un composé métastable et, dans certaines circonstances, on peut la dissocier ou la décomposer pour former de l’α-ferrite et du graphite, selon la réaction: Fe₃C → 3Fe (α) + C (graphite). La cémentite dans sa forme pure est une céramique et elle est dure et cassante, ce qui la rend appropriée pour le renforcement des aciers. Ses propriétés mécaniques sont fonction de sa microstructure, qui dépend de la manière dont il est mélangé à la ferrite.

Les phases métastables sont:

• Perlite. En métallurgie, la perlite est une structure métallique en couches de deux phases, qui se compose de couches alternées de ferrite (87,5 % en poids) et de cémentite (12,5 % en poids) que l’on trouve dans certains aciers et fontes. Il est nommé pour sa ressemblance avec la nacre.
• Martensite. La martensite est une structure métastable très dure avec une structure cristalline tétragonale centrée sur le corps (BCT). La martensite se forme dans les aciers lorsque la vitesse de refroidissement de l’austénite est si élevée que les atomes de carbone n’ont pas le temps de se diffuser hors de la structure cristalline en quantité suffisante pour former de la cémentite (Fe₃C).
• Baïnite. La bainite est une microstructure en forme de plaque qui se forme dans les aciers à partir d’austénite lorsque les vitesses de refroidissement ne sont pas
  assez rapides pour produire de la martensite mais sont encore assez rapides pour que le carbone n’ait pas assez de temps pour se diffuser pour former de la perlite. Les aciers bainitiques sont généralement plus résistants et plus durs que les aciers perlitiques; pourtant, ils présentent une combinaison souhaitable de résistance et de ductilité.

Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993.
US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
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Trempe superficielle – Cémentation

La cémentation ou la trempe superficielle est le processus dans lequel la dureté de la surface (boîte) d’un objet est améliorée, tandis que le noyau interne de l’objet reste élastique et résistant. Après ce processus, la dureté de surface, la résistance à l’usure et la durée de vie à la fatigue sont améliorées. Ceci est accompli par plusieurs processus tels qu’un processus de carburation ou de nitruration par lequel un composant est exposé à une atmosphère carbonée ou azotée à température élevée. Comme cela a été écrit, deux caractéristiques matérielles principales sont influencées:

• La dureté et la résistance à l’usure sont considérablement améliorées. En science des matériaux, la dureté est la capacité à résister à l’indentation de surface (déformation plastique localisée) et aux rayures. La dureté est probablement la propriété matérielle la plus mal définie car elle peut indiquer une résistance aux rayures, une résistance à l’abrasion, une résistance à l’indentation ou encore une résistance à la mise en forme ou à la déformation plastique localisée. La dureté est importante d’un point de vue technique car la résistance à l’usure par frottement ou érosion par la vapeur, l’huile et l’eau augmente généralement avec la dureté.
• La ténacité n’est pas influencée négativement. La ténacité est la capacité d’un matériau à absorber de l’énergie et à se déformer plastiquement sans se fracturer. Une définition de la ténacité (pour taux de déformation élevé, ténacité à la rupture) est qu’il s’agit d’une propriété qui indique la résistance d’un matériau à la rupture lorsqu’une fissure (ou un autre défaut de concentration de contrainte) est présente.

Pour le fer ou l’acier à faible teneur en carbone, qui a une trempabilité faible ou nulle, le processus de cémentation consiste à infuser du carbone ou de l’azote supplémentaire dans la couche de surface. La cémentation est utile dans des pièces telles qu’une came ou une couronne dentée qui doivent avoir une surface très dure pour résister à l’usure, ainsi qu’un intérieur résistant pour résister à l’impact qui se produit pendant le fonctionnement. De plus, la trempe superficielle de l’acier présente un avantage par rapport à la trempe en profondeur (c’est-à-dire le durcissement du métal uniformément sur toute la pièce) car les aciers à faible et moyenne teneur en carbone moins chers peuvent être durcis en surface sans les problèmes de distorsion et de fissuration associés à la par durcissement de sections épaisses. Une couche de surface externe riche en carbone ou en azote (ou cas) est introduit par diffusion atomique à partir de la phase gazeuse. Le boîtier est normalement de l’ordre de 1 mm de profondeur et est plus dur que le noyau interne du matériau.

Méthodes de diffusion de la cémentation

La cémentation par traitement de surface peut être classée en tant que traitements de diffusion ou traitements de chauffage localisés. Les méthodes de diffusion introduisent des éléments d’alliage qui pénètrent dans la surface par diffusion, soit en tant qu’agents de solution solide, soit en tant qu’agents de trempabilité qui aident à la formation de martensite lors de la trempe ultérieure. Dans ce processus, la concentration d’élément d’alliage est augmentée à la surface d’un composant en acier. Les méthodes de diffusion comprennent:

• Carburation. La carburation est un processus de cémentation dans lequel la concentration en carbone de surface d’un alliage ferreux (généralement un acier à faible teneur en carbone) est augmentée par diffusion à partir de l’environnement environnant. La carburation produit une surface de produit dure et très résistante à l’usure (profondeurs moyennes) avec une excellente capacité de charge de contact, une bonne résistance à la fatigue par flexion et une bonne résistance au grippage.
• Nitruration. La nitruration est un processus de cémentation dans lequel la concentration en azote de surface d’un ferreux est augmentée par diffusion à partir du milieu environnant pour créer une surface cémentée. La nitruration produit une surface de produit dure et très résistante à l’usure (profondeurs peu profondes) avec une bonne capacité de charge de contact, une bonne résistance à la fatigue par flexion et une excellente résistance au grippage.
• Ennuyeux. La boruration, également appelée boronisation, est un processus de diffusion thermochimique similaire à la nitrocarburation dans lequel les atomes de bore diffusent dans le substrat pour produire des couches de surface dures et résistantes à l’usure. Le processus nécessite une température de traitement élevée (1073-1323 K) et une longue durée (1-12 h), et peut être appliqué à une large gamme de matériaux tels que les aciers, la fonte, les cermets et les alliages non ferreux.
• Trempe au titane-carbone et au nitrure de titane. Le nitrure de titane (un matériau céramique extrêmement dur) ou les revêtements en carbure de titane peuvent être utilisés dans les outils fabriqués à partir de ce type d’acier par un procédé de dépôt physique en phase vapeur pour améliorer les performances et la durée de vie de l’outil. TiN a une dureté Vickers de 1800–2100 et il a une couleur or métallique.

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