DEPARTEMENT DE GENIE MECANIQUE Unité de Recherche Génie des Matériaux      COURS DE METALLURGIE           Souad BEN SLIMA ...
TABLE DES MATIERESI- INTRODUCTION AUX MATERIAUX:……… …………………………..................................….6    A. LES DIFFERENTS E...
III- LES ELEMENTS DALLIAGE - DIFFERENTES CLASSES DACIERS ET FONTES      A. CLASSEMENT ET ROLE DES ELEMENTS DALLIAGE…………………...
VI-COMMENT DURCIR LES MATERIAUX METALLIQUES SANS LES FRAGILISER...98       1. DURCISSEMENT PAR PRECIPITATION OU DURCISSEME...
PRÉAMBULECe cours de "Matériaux" est dispensé aux étudiants de Génie Mécanique.Les prés requis sont minimes mais nécessite...
I. INTRODUCTION AUX MATERIAUX           Les matériaux ont toujours été d’une importance majeure pour lacivilisation humain...
A part la construction (mécanique et autres) qui absorbe une grandequantité de matériaux (principalement à base de fer), i...
3. L’état vitreux           Cest létat rencontré dans les verres et qui est caractérisé par une certaineorganisation à cou...
Les liaisons qui assurent la cohésion des solides cristallins sont de deuxtypes : primaires et secondaires. Les liaisons p...
mettent ensemble pour former un cristal. Les niveaux individuels dénergie desélectrons deviennent très proches et peuvent ...
Figure I-2 : Contribution des différents types de liaison pour les 4 catégories de matériaux                  (Rej: J.F.Sh...
Triclinique          a≠b≠c                             α≠β≠γ≠90             primitif                  1. Les structures cr...
a, b et c sont exprimés en Angstrom : 1 .À = 10-8 cm           Exemple : Fe α : a = 2,87 .À - Cu : a = 3,609 .À - Au :    ...
Figure I-4 : Position atomiques et directions cristallographiquesExemples : A (1/2, 1/2, 0) B (1/2, 1/2, 1/2) C (0, 1/2, 0...
Figure I-5 : Représentation des plans atomiques Les indices qui définissent le plan sont dit indices de Miller et désignés...
Miler : (a1a2c) : (010)                                                                 Bravais-Miller (a1a2a3c) : (0110) ...
Figure I-7 : Schéma d’interdiffusion des matériaux A et B, rôle des lacunes                             Figure I-8 : Migra...
dun plan datomes (plutôt qu’un seul atome) est éliminée (ou ajoutée) : lesatomes vont se réarranger au niveau de la partie...
Figure I-12 : Déformation d’un matériau sous contrainte                    E (1)> E (2)Les difficultés de se mouvoir sans ...
Figure I-14 : Le glissement ou déplacement des dislocations est plus facile en (2)                          Suivant les pl...
Figure I-15 : Arrangement des atomes au niveau du joint de grainUn grain est un volume polyédrique. Quand on observe la se...
Figure 1-17 : Contribution des éléments chimiques dans la constitution des matériaux           Les matériaux sont définis ...
C, H, CI     exp. C, H, CI : PVCCe sont des matériaux de faible résistance mécanique, de faible densité et dunegrande plas...
II. INTRODUCTION AUX ACIERS ET AUX FONTE           La métallurgie du fer a été pour lhomme une aventure. Lhomme primitifa ...
•    RM (charge à la rupture) : 18 à 30 daN/mm2    •    RE (limite délasticité) : 10 à 17 daN/mm2    •    HB (dureté Brine...
• La phase solide δ qui est une solution solide du carbone dans le fer Ô, cettephase est appelée ferrite δ . La solubilité...
Figure II-1 : Partie supérieure du diagramme d’équilibre binaire Fer-CCours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Méca...
ACIERS : TRANSFORMATIONS SOLIDE-SOLIDE                        b) Transformation Solide-Solide           Cest des transform...
solide. La partie du diagramme Fe-Fe3C concernée est la partie inférieure qui présenteun palier eutectoïde à 727°C (figure...
en AC1 : transformation eutectoïde : γ res------> (α + F e3C) (α + Fe3C) est un composé biphasé nommé perlite, il se prése...
* Processus de transformation dun acier de composition  X2 : en A3 : début de la transformation γ ------> Fe3CII + γres  e...
α+ Fe 3C =composé eutectoide                                       = perlite3- Pour X < 0,0218 (ou proche), la phase domin...
Figure II-3 : Aspect microstructural des fontes grises. (a) Aspect des lamelles de graphite,(b) fonte grise ferrito-perlit...
T=TE’ : transformation eutectoïde. Seule γ se transformera à cette température selon laréaction γ ------> α + Fe3C.Trois t...
létat brut de coulée; en général aucun traitement thermique ultérieur nest souhaitésauf dans le cas des trempes superficie...
Figure II-6 : Aspect microstructural dune fonte blanche hypoeutectique dont le % en C                  est proche de 2,11....
sont obtenues pour des vitesses de refroidissement assez élevées et destempératures de coulées basses; cest pourquoi on le...
Ferrite granulaire (x250)              b- Ferrite aciculaire (xl00)                                                       ...
donner un aspect de sphère (sphéroïdisation).                    c) La perlite            Composé biphasé comportant des l...
bien les phases eutectoïdes que la perlite prennent naissance (germent) au niveau desjoints de grains de cette phase qui e...
sursaturée en carbone.Quand %C augmente, c/a augmente et la tétragonalité du réseau sera plus prononcée(figure II-12).    ...
une idée sur lévolution de Ms mais ne peuvent être valable dans tous les cas, nouscitons ci suit la formule de NEHRENBERG ...
Figure II-13 : Évolution de la dureté en fonction de la teneur en carbone                                pour des structur...
II-15). Quand le %C augmente, la probabilité dobtenir des plaquettes devient plus  grande.                                ...
Figure II-16 : Morphologies de la bainite, x250Les aiguilles de bainite seront dautant plus fines que la vitesse de refroi...
V. AMELIORATION DES PROPRIETES MECANIQUE                DES MATERIAUX METALLIQUES PAR TRAITEMENTS                THERMIQUE...
pour identifier les phases formées ainsi que le taux dausténite transformée. Tousles résultats sont reportés sur un diagra...
leutectoide et dans leur partie inférieure par le point Ms. En dessous de ce point lemaintien isotherme, daussi longue dur...
Figure V-2 : Diagrammes TTT (a) daciers au carbone (b) daciers alliésCours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécan...
b) Les facteurs influençant la courbe TTT :- La température d’austénitisation : Avant de procéder à la transformation isot...
correspondent à des milieux de refroidissement précis pour des pièces de diamètresdifférents (figure V-4).Plus le diamètre...
(K3 %) et de la bainite (K3 %), de la martensite et de lausténite résiduelle. D3 est la duretéde la structure à la suite d...
d) Détermination des vitesses critiques :           A partir de la courbe TRC il nous est possible de définir les différen...
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  1. 1. DEPARTEMENT DE GENIE MECANIQUE Unité de Recherche Génie des Matériaux COURS DE METALLURGIE Souad BEN SLIMA Année Universitaire 2010 / 2011
  2. 2. TABLE DES MATIERESI- INTRODUCTION AUX MATERIAUX:……… …………………………..................................….6 A. LES DIFFERENTS ETATS DES SOLIDES…………...........................................................7 1. L’ETAT AMORPHE 2. L’ETAT MESOMORPHE 3. L’ETAT VIYTREUX 4. L’ETAT CRISTALLIN B.LES LIAISONS DANS LES SOLIDES CRISTALLINS ………………………………….. 9 1. LIAISONS PRIMAIRES 2. LIAISONS SECONDAIRES 3. RECAPITULTION C. LES MATERIAUX CRISTALLINS………………………………………………………...11 1. LES STRUCTURES CRISTALLINES 2. POSITION, DIRECTION ET PLAN ANATOMIQUES 3. LES DEFAUTS CRISTALLINS D. LES DIFFERENTS TYPES DE MATERIAUX ………………………………………..….21 1. QU’EST-CE QUUN METAL? 2. LES MATERIAUX CERAMIQUES 3. LES POLYMERES 4. LES MATERIAUX COMPOSITES 5. LE CHOIX DUN MTERIAUII- INTRODUCTION AUX ACIERS ET AUX FONTES …………………………………….........24 A. PROPRIETES DU FER PUR………………………………………………………………….....24 B. LE DIAGRAMME FER-CARBONE …………………………………………………………...25 1. DIAGRAMME Fe-Fe3C (Fer-Cémentite) 2. LES ACIERS 3. LES FONTES ORDINAIRES C. LES DIFFERENTES STRUCTURES DES ACIERS ET DES FONTES …………….. 36 1. LES STRUCTURES DEQUILIBRE 2. LES STRUCTURES HORS EQUILIBRE
  3. 3. III- LES ELEMENTS DALLIAGE - DIFFERENTES CLASSES DACIERS ET FONTES A. CLASSEMENT ET ROLE DES ELEMENTS DALLIAGE……………………………………45 1. EFFET DES ELEMENTS DALLIAGE 2. ROLE DES DIFFERENTS ELEMENTS DALLIAGE B.DESIGNATION DES ACIERS …………………………………………………………………….49 1. ACIERS DUSAGE GENERAL NON ALLIES 2. ACIERS AU CARBONE 3. ACIERS ALLIES C. LES DIFFERENTES CLASSES DACIER………………………………………….51 1. Les aciers de construction (non destinés aux traitements thermiques) 2. Les aciers pour traitements thermiques 3. Les aciers à outils 4. Les aciers inoxydables D. LES DIFFÉRENTES FONTES ………………………………………………..57 1.Les fontes non alliées 2.Les fontes alliéesIV. AMÉLIORATION DES PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES DES MATÉRIAUX PAR INTERVENTION SUR LES DÉFAUTS CRISTALLINS A .DISLOCATIONS: ÉCROUISSAGE (STRAIN HARDENING) ……………….63 B. DÉFAUTS PONCTUELS: DURCISSEMENT PAR SOLUTION SOLIDE …66V.AMELIORATION DES PROPRIETES MECANIQUE DESMATERIAUX METALLIQUES PAR TRAITEMENTS THERMIQUESDANS LA MASSE A.LES COURBES TTT……………………………………………………………………………70 B.LES COURBES TRC ………………………………………………………………………...…73 C.LES TRAITEMENTS THERMIQUES DEQUILIBRE ……………………………………..76 1. LE RECUIT (ou RECUIT COMPLET) « FULL ANNEALING » 2. RECUIT DHOMOGENEISATION « HOMOGENIZING» 3. RECUIT DE NORMALISATION « NORMALIZING » 4. RECUIT DE COALESCENCE OU SPHEROIDISATION « SPHEROIDIZING» 5. RECUIT DE DETENTE « STRESS RELIEVING» 6. RECUIT DE CRISTALLISATION « RECRYSTALLIZATION ANNEALING » D. LES TRAITEMENTS THERMIQUES « HORS DEQUILIBRE» ………………………...80 1. LA TREMPE 2. LE REVENU E. LES ACCIDENTS DUS AUX TRAITEMENTS THERMIQUES ………………………....95
  4. 4. VI-COMMENT DURCIR LES MATERIAUX METALLIQUES SANS LES FRAGILISER...98 1. DURCISSEMENT PAR PRECIPITATION OU DURCISSEMENT STRUCTURAL 2. LES TREMPES ETAGEES 3. LES TRAITEMENTS THERMO-MECANIQUESVII-TRAITEMENTS THERMIQUES DES CERAMIQUES………………………………….106 A.LA DEVITRIFICATION DES VERRES-CERAMIQUES ………………………………...106 B.DURCISSEMENT PAR PRECIPITATION ………………………………………………...107 C. TRAITEMENT THERMIQUE DE DENSIFICATION ……………………………………107 D.TREMPES DES VERRES …………………………………………………………………….107VIII-DURCISSEMENT SUPERFICIEL DES MATERIAUX …………………………………108 A.DURCISSEMENT MECANIQUE ……………………….. ………………………………….....108 1. LE GRENAILLAGE ET LE SABLAGE 2. LE CHOC LASER 3. LE GALETAGE B.TRAITEMENTS THERMIQUES DE SURFACE…………………………………………….…113 1. LA TREMPE SUPERFICIELLE 2. LA TREMPE PAR CONVERSION CHIMIQUE DE LA SURFACE 3. TRAITEMENTS DE REVETEMENTIX. ANNEXE: RAPPEL SUR LES DIAGRAMMES DÉQUILIBRE …………………...129 A. HISTORIQUE DES MÉLANGES B. LA NOTION DE SOLUTION SOLIDE ………………………………..… 129 C. INTRODUCTION AUX DIAGRAMMES DÉQUILIBRE………………. 134LEXIQUE DES TERMES DE TRAITEMENTS THERMIQUES …………………………….154REFERENCES……………………………………………………………………………………..161
  5. 5. PRÉAMBULECe cours de "Matériaux" est dispensé aux étudiants de Génie Mécanique.Les prés requis sont minimes mais nécessitent quand même une bonnebase en thermodynamique. Ce cours est lui même un pré requis pour desenseignements tels que la "Technologie de Fabrication" (fonderie,déformation plastique, moulage, ...) et les Méthodes dassemblage"(soudage, ...).Au deuxième chapitre les aciers et les fontes seront définies en détail àpartir du diagramme Fer-carbone, puis répertoriés par classesdutilisation au chapitre cinq. A partir du chapitre sept et jusquauchapitre neuf on répondra à la question comment améliorer lespropriétés en service principalement des aciers et fontes qui restent lesmatériaux les plus utilisés dans lindustrie mécanique. Seront alorsdétaillés les traitements thermiques à mettre en œuvre pour améliorerdes propriétés spécifiques du matériau : Résistance et dureté, ténacité,résistance à lusure, etc. ....Le lecteur trouvera à la fin de ce fascicule un lexique des termes les plusutilisés en métallurgie, avec leur équivalent en anglais.La seule prétention de ce cours est dêtre pour les étudiants uneréférence qui leur permettra de suivre plus aisément leur cours dematériaux. Les technologies progressent, particulièrement dans ledomaine des matériaux : la nécessité dune mise à jour continue desenseignements apparaît ici clairement.Cours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 5 Souad BEN SLIMA
  6. 6. I. INTRODUCTION AUX MATERIAUX Les matériaux ont toujours été d’une importance majeure pour lacivilisation humaine. Les différentes époques de I’ humanité ont été marquées àchaque fois que l’homme maîtrisait un matériau : Age de la pierre, âge du cuivre,âge du bronze, âge du fer qui a abouti à notre époque marquée par la révolutionindustrielle de la fin du 19ème siècle. Il semblerait que le premier contact homme métal a eu lieu il y a à peuprès onze mille ans en Anatolie (Turquie). Le premier métal qui fascina lhomme futl’or, qui attira -et qui attire toujours- de par sa brillance. Cette découverte, commecelle du cuivre, ne nécessitait pas la connaissance de laction du feu sur les métaux.En effet, ces deux métaux existent dans la nature à létat natif et sont déformables àfroid. Lextraction des métaux de leurs minerais est venue beaucoup plus tard.Lextraction du cuivre de son minerai (cuivre non natif, cette fois) date de 4300avant J.C. et fut pratiquée pour la première fois par une tribu installée enMésopotamie. Lâge du bronze fut inauguré au IIIe millénaire en Arménie (semble-t-il), la fusion du cuivre et de létain pour la production de cet alliage a étécependant le fruit du hasard. Des découvertes archéologiques récentes attesteraientque l’extraction du fer de son minerai daterait de 3500 avant J.C. par les anciensEgyptiens. Lâge du fer et du bronze se chevaucherait, et le fer ne prendra une placeprivilégiée qu’au 1er millénaire quand lhomme découvrit que celui ci avait despropriétés plus intéressantes (outils plus tranchants, etc. ...). Toutes ces découvertesfaites par l’homme ont été fortuites et les progrès enregistrés purement empiriques.Le pas géant atteint au début de notre siècle a pu être exécuté quand les moyensdanalyse et dobservation ont évolués, et que les processus d1élaboration et de miseen forme ont commencé à être réfléchis et non pas intuitifs. Parmi les 106 éléments chimiques du tableau périodique, à peu près 80sont métalliques. 70% des éléments constituant la terre sont des métaux. Parmi tousles éléments métalliques, 8 seulement sont produits et utilisés en grande quantité :Fer -----------------> 98% des métaux produitsAluminium ----------------> 0,8%Cuivre------------------------> 0,7%Pb,Zn,Ni,Ti,Mg --------------> 0,5%Ces derniers éléments sont destinés à des utilisations particulières : Le Ni et ses alliages sont utilisés à haute température pour la résistance à la corrosion Le Ti et ses alliages sont utilisés dans l’industrie aérospatiale.Cours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 6 Souad BEN SLIMA
  7. 7. A part la construction (mécanique et autres) qui absorbe une grandequantité de matériaux (principalement à base de fer), il existe dautres domainesdapplication qui en consomment en quantité non négligeable selon les propriétésrequises :Propriétés électriques : Cu-Al, bonne conductivité électriquePropriétés magnétiques : Fe-Ni pour les matériaux magnétiquesRésistance à la corrosion : Zn, Sn PbEsthétique et grande valeur : Au, Pt D’autres éléments sont constituent des éléments daddition trèsrecherchés pour lamélioration des propriétés des alliages courants tels que lesaciers : Cr, Co, Nb, Mg, Mo, Ti, W, V, Zr, Sb, Ta, Be, Cd Le choix et l’utilisation d’un matériau dépend d’un certains nombres depropriétés : • Bonne résistance mécanique • Résistance acceptable à la corrosion • Mise en forme facile (usinabilité, mouillabilité, soudabilité) • Possibilité de recyclage • Coût et disponibilité raisonnablesLes 3 premières constituent la base de létude des matériaux.l- Métallurgie chimique ou extractive2-Métallurgie physique : La Métallurgie physique relie les manifestations ma-croscopiques (les propriétés en service) au comportement microscopique des mé-taux. Elle permet donc à lhomme de commander les phénomènes microscopiques(microstructure) pour avoir les propriétés macroscopiques désirées. Laccès à lamicrostructure des métaux est aujourdhui possible grâce à lavancement des tech-niques dobservation et d’analyse : microscopie optique, électronique, diffractiondes RX, diffraction des électrons, ...Elle permet ainsi de relever les défis qui se posent dans certains domaines"difficiles" tels que laérospatiale, laéronautique, lexploitation off shore, lindustrienucléaire, ... A. LES DIFFÉRENTS ÉTATS DES SOLIDES A létat solide, les matériaux peuvent avoir différentes structuresatomiques qui déterminent leur comportement physique, mécanique, et chimique.Par structure atomique on désigne la répartition des atomes les uns par rapport auxautres et le type de liaisons qui assurent leur cohésion. Les solides peuvent existersous 3 états différents : 1. L’état amorphe Les atomes ou ions constituant le solide ne présentent aucun ordre les unspar rapport aux autres. On peut assimiler la structure globale à celle dun liquidefigé. 2. L’état mésomorphe Cet état est rencontré dans les matériaux "exotiques" tels que les cristauxliquides où les chaînes despèces sont alignées.Cours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 7 Souad BEN SLIMA
  8. 8. 3. L’état vitreux Cest létat rencontré dans les verres et qui est caractérisé par une certaineorganisation à courte distance (entre les espèces qui forment une chaîne), mais pasd’ordre à longue distance (chaînes désordonnées les unes par rapport aux autres).Lastructure des verres doit être considérée sur 3 échelles: 1) léchelle de 2 à 10angströms, celle de larrangement atomique local, 2) léchelle de 30 à quelquesmilliers dangströms, celle de la sous microstructure, et 3) léchelle du un au mm etplus, celle de la microstructure et la macrostructure.La température de transition liquide verre(Tt) est moins nette que celle de la Vtransition liquide-cristal (Tf) et est Ocaractérisée par une viscosité élevée du Lmatériau. ULa structure du verre dépend de la Mmanière avec laquelle il a été obtenu. EAinsi un verre formé à partir de létatliquide est différent dun verre formé àpartir de la condensation sur un substrat TEMPERATUREfroid, ou formé par électrodéposition.a) 4.Létat cristallinDans un cristal, lors du passage de létat liquide à létat solide, les atomes se placentdune manière ordonnée dans les 3 directions de lespace, dans des sites bien définis Onparle de réseau cristallin. Cet arrangement est périodique suivant les trois directions delespace x, y et z et défini par un volume élémentaire quon appelle maille et quireprésente la structure du cristal. Réseau cristallin Maille élémentaire Figure I-1 : Réseau cristallinCours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 8 Souad BEN SLIMA
  9. 9. Les liaisons qui assurent la cohésion des solides cristallins sont de deuxtypes : primaires et secondaires. Les liaisons primaires assurent les liaisons entreatomes. Les liaisons secondaires entre molécules. B. LES LIAISONS DANS LES SOLIDES CRISTALLINS 1 Liaisons primaires : a) Liaisons ioniques Ce sont des liaisons qui sont assurées par lattraction dun ion positif etun ion négatif (Na+,Cl-, K+,CI-, ...). Dans un cristal, chaque ion positif est entouréde plusieurs ions négatifs et vice et versa.Type de force : électrostatique, transfert délectrons dun atome à lautre, nondirectionnelleEnergies de liaison : autour de 600kJ / molExemple : NaCI, MgOConséquences : Matériaux ioniques durs et fragiles, mauvais conducteursélectriques et thermiques b) Liaisons covalentes La liaison qui forme la molécule de H2 est typique des liaisonscovalentes. En effet, la formation dune molécule de H2 correspond au remplissagede la couche 1s2 qui est une configuration plus stable que 1s (un seul atomedhydrogène). Ce type de liaisons se retrouve dans les composés inorganiques.Dans un cristal, la liaison covalente est similaire à celle de H2, une pairedélectrons est concentrée dans lespace entres les 2 atomes, chacun contribuantavec un électron. Une structure cristalline du type covalent peut être construitequand il y a répétitivité possible. Ceci se fait grâce à la nature directionnelle de laliaison covalente. Les cristaux covalents se forment par des atomes délectronégativitésimilaire et dont la structure électronique est loin de celle des gaz rares (C, Ge, Si,Te, ...)Type de force : covalente, chaque atome participe avec un électron de valence Ellea lieu quand les deux éléments ont une très faible différence délectronégativité,liaison fortement directionnelleExemples :• CH4 : 4 électrons de valence, donc peut former 4 liaisons covalentestétraédriques. Dans CH4, ces liaisons sont utilisées pour former la molécule. Il nyaura pas délectrons disponibles pour former une liaison covalente en plus, ainsiune structure cristalline ne peut pas se faire• C (diamant), SiC Energie de liaison : très faible, CH4 E= 8kJ/mol très élevée, Carbone E= 711kJ/mol Propriétés résultantes : dureté élevée, température de fusion élevée, conductivitéélectrique à basse température c) Liaisons métalliques La caractéristique la plus importante des métaux cest leur conductivité électrique assurée par la mobilité de certains électrons quon appelle électrons de conduction. En première approximation, les métaux peuvent être considérés comme des ions positifs immergés dans un nuage uniforme délectrons. La mobilité caractéristique des électrons peut être comprise en considérant les changements énergétiques qui ont lieu dans la configuration électronique lorsque des atomes seCours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 9 Souad BEN SLIMA
  10. 10. mettent ensemble pour former un cristal. Les niveaux individuels dénergie desélectrons deviennent très proches et peuvent être considérés comme des bandescontinues. Dans les métaux, les niveaux dénergie permis se chevauchent et sontsaturés en électrons. Ceci permet un mouvement relativement libre des électrons dunatome à lautre, sans nécessiter dénergie supplémentaire très élevée comme il est lecas pour les diélectriques où lénergie des électrons doit augmenter (dune bande àlautre) pour que la conduction soit possible.Type de liaison : Nuage délectrons communs aux deux atomes, électrons de valencedélocalisés, liaison non directionnelleExemples : Les métauxEnergies de liaison : Très variables EHg= 68 kJ/mol (Tf=-39°C) Ew= 850 kJ/mol (Tf=3410°C)Conséquences : Bons conducteurs électriques et thermiques 2. Liaisons secondaires a) Liaisons de van der waals Pourquoi une molécule polyéthylénique (polymères,Tf < 120 °C) et lecarbone C diamant (Tf >3500 °C) qui présentent tous les deux des liaisonscovalentes ont-ils des températures de fusion aussi différentes (donc énergies deliaison) ?La chaîne -(C2H4)n- présente en plus des liaisons covalentes (entre C-C et C-H),des liaisons dites secondaires qui assurent la cohésion de la longue chaînemoléculaire (structure spaghetti). Ces liaisons sont assurées par des dipôles etprésentent des énergies très faibles (de lordre de 10kJ / mol). Cette faible énergieinduit une faible cohésion de la molécule d’où une faible résistance et le point defusion abaissé, c’est le cas de ce type polymère. Ce type de liaison peut se retrouverdans certaines argiles.Au contraire C diamant ne présente que des liaisons covalentes entre les différentsatomes de C doù la dureté est exceptionnellement importante et la température defusion est très élevée. b) Liaisons hydrogène Cest un type de liaisons spécial mais assez commun dans les cristauxorganiques. Ces liaisons sont dues à l’ion hydrogène qui assure le pont entre anions.La liaison hydrogène est ionique et ne peut se faire quavec des anionsdélectronégativité élevée (0--, F-).Exemple : Eau, glaceCe type de liaisons est responsable de la polymérisation de HF et de certains acidesorganiques, ainsi que de la formation dun certain nombre de polymères inorganiques(pour adhésifs et ciments).3. Récapitulation Matériau Type de liaison TO de fusion (OC) NaCl Ionique 801 C (diamant) Covalente >3550 -(C2H4) n- Covalente et secondaire <120 Cu Métallique 1083 Ar Secondaire (dipôle induit) -189 H20 Secondaire (dipole permanent) 0Cours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 10 Souad BEN SLIMA
  11. 11. Figure I-2 : Contribution des différents types de liaison pour les 4 catégories de matériaux (Rej: J.F.Shackelford, 1992) C. LES MATÉRIAUX CRISTALLINS Ils sont représentés par un modèle tripériodique caractérisé par des paramètresdits paramètres cristallins (a, b, c. Ce sont les distances entre les atomes les plus prochesdans les trois directions de lespace.On définit aussi α, β et γ les angles que font les 3 axes (respectivement oy.oz, ox.oz etox.oy) entre eux. a, b, c et α, β, γ définissent un système cristallin (figure 3). Figure I-3 : Définition dun système cristallinDans la nature, il existe 7 systèmes cristallins différents à partir desquels sont définis 14réseaux dits réseaux de Bravais. Systèmes cristallins a, b, c α,β,γ Réseau de Bravais Cubique a=b=c α=β=γ=90 primitif centré faces centrées Hexagonal a=b≠c α=β=90, γ=120 primitif Quadratique a=b≠c α=β=γ=90 primitif centré Orthorhombique a≠b≠c α=β=γ=90 primitif centré bases centrées faces centrées Rhomboédrique a=b=c α=β=y ≠90 primitif Monoclinique a≠b≠c α=β=90≠β primitif bases centréesCours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 11 Souad BEN SLIMA
  12. 12. Triclinique a≠b≠c α≠β≠γ≠90 primitif 1. Les structures cristallinesEn général, les métaux et céramiques cristallisent dans lun des systèmes suivants : Système cubique :* cubique centré : a=b=c a = (3 = y = 90° Exemple : Mo, W, Cr, V, Feα * cubique à faces centrées : Exemple : Ni, Cu, Ag, Au, Pt, Al, Feγ • Système hexagonal compact: a = b ≠c α = β = 90°, γ = 120° Exemple: Ti, Zn, Mg, Co. • Système quadratique : a = b ≠c α = β = γ = 90° Exemples : Sn,MnγCours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 12 Souad BEN SLIMA
  13. 13. a, b et c sont exprimés en Angstrom : 1 .À = 10-8 cm Exemple : Fe α : a = 2,87 .À - Cu : a = 3,609 .À - Au : a= 4,078 À Remarque : Les dessins des réseaux ne représentent pas réellement le cristal, ces modèles sont éclatés pour bien visualiser la position des atomes. Il faut voir le cristal comme un empilement de billes ou de balles de poing pong. En réalité les atomes ne sont pas empilés de cette façon, mais les sphères peuvent être choisies pour représenter le volume dans lequel linfluence de latome sétend. Le rayon de la sphère représentera donc la plus petite distance à laquelle un atome peut être approché, distance qui varie pour chaque type datome et qui est de lordre de lAngstrom (figure contre) : Allotropie : Certains métaux ont plusieurs structures cristallographiques, chaque variété étant stable dans un domaine de températures défini. Exemple : Fer δ Feγ Feα d : CC Fer I __ I ______________ I ____________ I... γ :C.F.C. 1538°C 1394°C 912°C 20°C α: C.C. Ti (CF.C) Ti (H.C.) Titane I _______ ____ I ________ I Tfusion 882°C 20°C 2.Position, direction et plan atomiques a) Position dun atome : Elle se repère suivant les trois directions de lespace. Les positions dans un réseau sont exprimées par des fractions (ou multiple) des dimensions de la maille élémentaireCours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 13 Souad BEN SLIMA
  14. 14. Figure I-4 : Position atomiques et directions cristallographiquesExemples : A (1/2, 1/2, 0) B (1/2, 1/2, 1/2) C (0, 1/2, 0) D (1, 2, 1Toute translation suivant un axe multiplie la position suivant cet axe par lenombre de translationExemple : C = 2C C (0, 1, 0) b)Direction cristallographique :Elle est notée entre crochets et est définie par la position interceptée par la ligne tracéeà partir de lorigine. Les directions sont toujours définies par les plus petits nombresentiers. OB, par exemple, nest pas [1/21/21/2], mais il faut multiplier par 2; cest donc [111] (qui est équivalent à [222], [333]) Exemples : V1 [111] V2 [121] V3 [110] V4 [11 1] Les directions parallèles qui ne partent pas de la même origine ont les mêmes Indices. Exemple : V1 [111] Vl [11ī ] [111] et [11 ī et [1 ī 1] et [ī 11] appartiennent à la même famille de direction. La famille est désignée par <111> (<uvw>). Une direction est donc définie par : D = ut + vb + wc c) Plan atomique : Il est noté entre parenthèses, Il est défini par le multiple de linverse de la position interceptée par le plan suivant les trois directions de lespace. Pourquoi l’inverse ? Cette convention a été adoptée pour saffranchir de la notion dinfini.Cours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 14 Souad BEN SLIMA
  15. 15. Figure I-5 : Représentation des plans atomiques Les indices qui définissent le plan sont dit indices de Miller et désignés par (hkl) pour (210) : suivant ox : 1/2 suivant oy : 1 suivant oz : ∞ Ainsi le plan sera : (210) ∞ pour (020) : suivant ox : suivant oy : 1/2 suivant oz : ∞ Le plan sera : (020) mais une famille de plan est définiepar le plus petit multiple entier des indices de Miller. Ainsi (020) ne peut pasdéfinir une famille car (010) est plus petit.Une famille de plan est désignée entre accolade :{hkI}Remarque: Pour le système hexagonal deux notations peuvent être utilisé pourdésigner les plans, la désignation classique déjà vue (indices de .Miller) ou ladésignation qui fait intervenir un troisième indice: indices de Bravais-.Miller(hkil)tels que i= - (h+k) Cours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 15 Souad BEN SLIMA
  16. 16. Miler : (a1a2c) : (010) Bravais-Miller (a1a2a3c) : (0110) Figure I-6 : Désignation dun plan atomique dans un système hexagonal d) densités atomiques planaires et linéaires 3. Les défauts cristallins Nous venons de décrire le cristal comme un arrangement continu etparfait des atomes. Cependant la structure réelle d’un cristal n’est pasparfaitement ordonnée suivant toute l’échelle. Elle est perturbée en certainspoints ou espaces, formant ainsi une discontinuité dans larrangementtridimensionnel. Ainsi, le métal réel ne sera plus un seul cristal continu etparfait, mais un ensemble de cristaux. Les défauts de continuité du réseau sontde 3 types : ponctuels, linéaires ou de surface. a)Les défauts ponctuels(1) Lacune :Les lacunes sont des vides à l’échelle atomique qui marquent l’absence d’unatome dans la structure. Elles sont en perpétuel mouvement du fait que chaqueatome voisin tente de la combler en laissant sa place vide.(2) Interstitiel : Certains atomes en quittant leur site peuvent se placer entreles atomes régulièrement placés. Linsertion ou la disparition dun atomecrée des distorsions dans le réseau.Les défauts ponctuels sont à la base de la compréhension des phénomènesde diffusion à létat solide. Ils expliquent la formation de solution solide A-B à partir d’éléments simples A et B selon un schéma d’interdiffusioncomme le montre la figure 1-7, ou dautres phénomènes de diffusionimpliquent un déplacement atomique fig.I-8 et 1-9).Cours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 16 Souad BEN SLIMA
  17. 17. Figure I-7 : Schéma d’interdiffusion des matériaux A et B, rôle des lacunes Figure I-8 : Migration atomique par un mécanisme lacunaire Exemples : Ni dans Cu, Al203 dans Mg0migration finale de latome interstitiel après n sauts Figure 1-9 : Migration atomique par un mécanisme Interstitiels Exemples : C dans Fe, N dans Fe b) Les défauts linéaires : Les dislocations comment se déforment les cristaux Les dislocations sont des défauts résultant dun désordre danslarrangement des plans datomes. Voyons ce qui va se passer si une partieCours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 17 Souad BEN SLIMA
  18. 18. dun plan datomes (plutôt qu’un seul atome) est éliminée (ou ajoutée) : lesatomes vont se réarranger au niveau de la partie manquante Dislocation (sur 3 dimensions on aura une ligne de dislocation) Figure I-10 : Effet d’une dislocationSur 3 dimensions, le défaut va sétendre comme une ligne perpendiculaireau plan du papier dans la zone indiquée (⊥) : cette ligne est appeléedislocation. Figure I-11 : Dislocation (vue en trois dimensions) Les dislocations existent dans tout cristal réel. La densité de dislocationsdans un métal non déformé est de 104 à 108/cm2.La notion de dislocations est à la base de lexplication de la déformation plastique desmatériaux : Déformation = mouvement des dislocations En effet, quand un matériau se déforme, ceci se fait par la propagation de larupture des liaisons interatomiques (2), plutôt que par la rupture simultanée de toutes lesliaisons (1) comme illustré en figures 12 et 13.Lénergie E1 nécessaire pour engager le processus (1) est plus élevée que E2,lénergie de déformation suivant le processus (2).Cours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 18 Souad BEN SLIMA
  19. 19. Figure I-12 : Déformation d’un matériau sous contrainte E (1)> E (2)Les difficultés de se mouvoir sans Nest-il pas plus facile deun mécanisme de déplacement des dislocations glisser en se "dislocant" ? Figure I-13 : déformation : mécanisme de glissement des dislocations (Rej : WC. Moss, Ph.D., université de Californie, 1979)Cours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 19 Souad BEN SLIMA
  20. 20. Figure I-14 : Le glissement ou déplacement des dislocations est plus facile en (2) Suivant les plans à forte densité atomique (distance de glissement Plus faible) quen (1) La déformation d’un matériau correspond à un glissement (ou déplacement) de dislocations. Si les dislocations se déplacent facilement, la déformation du matériau considéré est facile. Les dislocations ne se déplacent pas nimporte comment. Elles vont choisir le chemin le plus court et donc le moins énergétique. Comme le montre la figure 14, les dislocations préfèrent le glissement suivant des plans denses c’est à dire les plans qui contiennent le plus datomes. Une augmentation de la densité de dislocations dans un matériau conduit au dur- cissement de celui ci. Ainsi, lexistence des dislocations explique pourquoi les ma- tériaux sont résistants, ductiles ou tenaces, etc. ... Les dislocations sont observables au Microscope Electronique à Transmission (grande résolution) c) Les défauts plan : Les joints de grains Le métal réel est une multitude de petits cristaux parfaits orientés différemment. On dit quil est polycristallin. Comme dans un morceau de sucre, les cristaux ne sont pas physiquement séparés. La frontière entre les différents cristaux est des surfaces quon appelle joints de grains. Les grains se forment durant la solidification du métal. Les joints de grains peuvent se déformer ou se déplacer sous laction dune force mécanique ou de la température. Ce sont des zones plus énergétiques que le grain du fait de larrangement spécial des atomes à ce niveau (figure 15). La taille de grain dun métal a une influence sur les propriétés de ce dernier.Cours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 20 Souad BEN SLIMA
  21. 21. Figure I-15 : Arrangement des atomes au niveau du joint de grainUn grain est un volume polyédrique. Quand on observe la section dun métal aumicroscope optique, on observe une structure granulaire (figure16). Figure I-16 : Structure granulaire des métauxQuand ces grains (ou cristaux) ont une taille de lordre de 0,1 mm chacun, cecicorrespond à une dimension considérable à léchelle atomique (environ un milliondatomes). En fait, cette taille varie entre 10 µm et 10 mm. Dans lcm3 de métal, on peuttrouver 10 millions de grains. D. LES DIFFÉRENTS TYPES DE MATÉRIAUXÉléments constituants des céramiques par combinaison avec un métal (+ Si et Ge)Cours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 21 Souad BEN SLIMA
  22. 22. Figure 1-17 : Contribution des éléments chimiques dans la constitution des matériaux Les matériaux sont définis à partir de composition déléments simples.Daprès le tableau de classification des éléments nous pouvons sortir les différentesclasses de matériaux. 1. Définition d’un métal Les métaux sont des solides cristallins, ceci ne veut pas dire quils sonttransparents comme le verre-cristal, non les métaux ne le sont pas.Dans un cristal, lors du passage de létat liquide à létat solide, les atomes se placentdune manière ordonnée dans les 3 directions de lespace. On peut donc représenter uncristal par larrangement des atomes dans un espace tridimensionnel. Mais ceci est unesimplification. Les atomes ne sont pas fixes, ils vibrent autour dune position moyenne.Lamplitude augmente avec la température mais elle est en général de lordre du 1/10èmedu diamètre de latome (il y a de la vie dans les métaux !). Le métal est défini comme suit : Cest un assemblage dions positifs immergésdans un nuage délectrons, les électrons de ce nuage étant libres. Les cristauxmétalliques sont liés entre eux par des forces dattraction électrostatiques entre cesélectrons libres (-) et les ions métalliques (+); ceci est appelé liaison métallique (voirchapitre précédent). Les électrons libres confèrent aux métaux leurs principales propriétés. Lespropriétés particulières qui caractérisent létat métallique sont : • Ce sont de bons conducteurs délectricité et de chaleur • Ils sont susceptibles démettre des électrons sous leffet de léchauffement • Ils sont solides à la température ambiante (sauf Hg) • Leur mise en forme est relativement facile (bonne plasticité) • Ils sont opaques (bonnes aptitudes à la réflexion) Les matériaux métalliques sont un mélange chimique de métaux ou demétaux et métalloïdes (où le métal est majoritaire). Nous citerons les plus connus :lacier et la fonte (Fe+C), le bronze (Cu+Sn), le laiton (Cu+Zn). 2. Les matériaux céramiques Les nouveaux céramiques sont, par opposition avec les céramiquestraditionnelles (poterie de Nabeul), des carbures, oxydes et/ ou nitrures de métaux. Lesplus typiques sont Si02, Ab03, SiO2. Ce sont des matériaux durs, fragiles, résistants àhaute température (réfractaires), isolants de lélectricité et de la chaleur etextrêmement résistants à lenvironnement (corrosion).Ils peuvent être cristallin, non cristallin ou un mélange des deux. 3. Les polymères On les appelle communément des plastiques mais il est plus correcte de lesappeler polymères ce qui veut dire quils sont constitué de plusieurs (poly) -mères(molécule dhydrocarbures comme C2H4). C’est donc des composés organiques dont leséléments principaux sont le C et le H. lorsquun élément supplémentaire intervient unenouvelle famille naît.C, H exp. polyéthylèneC, H, O exp. acryliques, polyestersC, H, N, O exp. nylonsC, H, F exp. fluoroplastiquesC, H, Si exp. SiliconesCours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 22 Souad BEN SLIMA
  23. 23. C, H, CI exp. C, H, CI : PVCCe sont des matériaux de faible résistance mécanique, de faible densité et dunegrande plasticité. Leur structure est généralement non cristalline. 4. Les matériaux composites Comme leur nom lindique, ces matériaux sont une composition des matériauxprécédemment cités. Lexemple type courant du composite est le béton (Ciment + acier)ou le bois qui est constitué de résine (polymère naturel) et de fibres de cellulose. Plusrécemment, on parle assez souvent de« fibres de verre» qui sont en réalité des fibres deverres noyées dans une matrice polymères (céramique+polymère). Cest doncgénéralement une matrice dun matériau donné dans lequel seront noyés soit des fibresoit des agrégats dun autre matériau. Ainsi ces matériaux combinent les propriétés desmatériaux qui les constituent. Les fibres de verre noyées dans un polymère donnent unmatériau qui a la résistance du verre et la flexibilité du polymère. Cependant cesmatériaux auront des propriétés mécaniques fortement anisotropies (dépendent du sensde leffort appliqué).Cours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 23 Souad BEN SLIMA
  24. 24. II. INTRODUCTION AUX ACIERS ET AUX FONTE La métallurgie du fer a été pour lhomme une aventure. Lhomme primitifa longtemps travaillé le fer météorique avant dapprendre à utiliser les mineraisferreux. Il le travaillait avec des outils en pierre (silex). Du fait de la rareté du fermétéorite, celui ci était considéré aussi précieux que lor sinon plus. Il avait aussiune valeur mystique puisquil venait du ciel, et pour plusieurs anciennescivilisations, létymologie du mot qui désigne le fer veut dire "métal du ciel» :Sumérien "An-Bar" (ciel-feu, métal céleste), Assyrien "Parzillu" (grand métal),Égyptien "Biz-n.pt" (métal du ciel), Grec "Sideros" (Sidus,-eris : étoile). Lâge du fer proprement dit na pas débuté avec le fer météorique, mais aveclexploitation du minerai de fer terrestre. Les historiens fixent vers 1200-1000 avantJ.C. les débuts de la métallurgie industrielle, lorsque lhomme a découvert commentfaire fondre le minerai pour extraire le métal. Ceci a donné lieu plusieurs siècles plustard (à la fin du 19ème siècle) à la naissance et la promotion de lindustrie lourde dont lepilier principal était la sidérurgie. Depuis, les matériaux métalliques les plus utilisés en constructionmécanique sont les aciers. Ce sont les matériaux de base des pays industrialisés.Ceci est dû à plusieurs facteurs; dabord labondance du fer (élément principalconstituant lacier) sur notre planète, ensuite la diversité des propriétés quilspeuvent avoir suivant les éléments dalliage quon y ajoute ou les traitements quilssubissent. Cette diversité élargit considérablement léventail des utilisations desaciers. Cest pour cette raison quen métallurgie, on commence toujours par létudedes aciers qui sont définis comme étant des alliages à base de fer contenant moinsde 2 % en carbone. Leur étude commence donc par la connaissance du diagrammedéquilibre qui leur est associé : Le diagramme Fer Carbone. A. PROPRIÉTÉS DU FER PUR1- Le fer pur existe sous 2 formes allotropiques : • T < 910 °C et 1394 °C < T< 1538 °C Le fer α une structure cubique centrée et est noté fer α a pour les bassestempératures et fer δ pour les hautes températures. • 910 °C <T < 1394 °CLe fer α une structure cubique à faces centrées, il sera noté fer y.2- La température de fusion du fer : Tf = 1538°C3- Le point Curie : T= 770 °C; à cette température, le fer perd ses propriétésmagnétiques. Il passe de létat ferromagnétique à létat paramagnétique vers les hautestempératures.4- Densité du fer (20 °C) : d = 7,87 d (Ti) = 4,53 d (AI) =2,69)5- Propriétés mécaniques du fer pur :Cours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 24 Souad BEN SLIMA
  25. 25. • RM (charge à la rupture) : 18 à 30 daN/mm2 • RE (limite délasticité) : 10 à 17 daN/mm2 • HB (dureté Brinell) : 45-55 • A % allongement) : 40-50Le fer nest que très rarement utilisé à létat pur, dabord son obtention coûte très cher,ensuite il a de meilleures propriétés quand il est allié. Le fer est extrait de son mineraipour lobtention de 2 alliages principaux : • La fonte : % en carbone > 2 • Lacier : % en carbone < 2 Le principal élément dalliage des fontes et aciers est donc le carbone. Jusquen1771, le rôle du carbone dans le fer était ignoré et tous les progrès étaient purementempiriques. Chez les artisans, ce rôle est encore méconnu. Le professeur Cyril StanleySmith (Métallurgiste très connu) dans" The discovery of Carbon in Steel" (Technologyand culture, vol. V, N°2, 1964) raconte quil a demandé un jour de 1962 à un très habile etréputé forgeron d’Iran : " Quelle est la différence entre le fer et l’acier ?" et celui ci luirépond : " Fer et Acier sont 2 espèces aussi différentes que le saule et le chêne"(Encyclopeadia Britannica, Ed.1981) B. LE DIAGRAMME FER-CARBONE Le diagramme Fe-C est une carte qui peut être utilisée pour suivre les séquencesde solidification des alliages Fe-C et pour savoir ce qui se passe au cours de certains typesde traitements thermiques. Ce diagramme peut être considéré comme un guide, cependant la plupart desaciers contiennent, en plus du carbone, dautres éléments dalliage qui modifient laposition de certaines courbes. Par ailleurs, le diagramme Fe-C ne peut être utilisé que dansles conditions déquilibre (refroidissement à vitesse très faible). Or plusieurs traitementsthermiques se font dans des conditions hors déquilibre. Pour les alliages Fe-C, on distingue 2 types de diagramme : le diagrammemétastable Fe-Fe3C et le diagramme stable Fe-C graphite (figure II-3). Le graphite est uneforme du carbone plus stable que F e3C. F e3C peut se décomposer en graphite. Cependantce phénomène na jamais lieu dans les aciers. Il a, par contre, lieu dans les fontes. Cestpour cette raison que pour les aciers, cest le diagramme Fe-Fe3C qui est exclusivementutilisé, alors que la technologie des fontes est beaucoup plus basée sur le diagramme Fe-Cgraphite. 1. Diagramme Fe-Fe3C (Fer-Cémentite) Le diagramme comprend 3 paliers caractéristiques qui correspondent à 3 typesde transformation : • T = 1495 °C : Transformation péritectique • T = 1148 °C : Transformation eutectique • T = 727 °C : Transformation eutectoïdeOn distingue aussi 5 phases différentes (5 domaines monophasés) : • La phase liquide vers les hautes températuresCours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 25 Souad BEN SLIMA
  26. 26. • La phase solide δ qui est une solution solide du carbone dans le fer Ô, cettephase est appelée ferrite δ . La solubilité maximale du carbone dans cette phase est de 0,1% et correspond à la température T=1495 °C. Comme le fer la fer δ est cubique centrée • La phase solide γ qui est une solution solide du carbone dans le fer γ, elle est dite Austénite γ. La solubilité maximale du carbone dans cette phase est de 2,11 % àT=1148 °C Comme le fer γ, lausténite est C.F.C. • La phase solide a qui est une solution solide du carbone dans le fer α, elle est dite ferrite α. La solubilité maximale du carbone dans cette phase est de 0.0218 à T=727 °CComme le fer αla ferrite α est CC • Le composé défini Fe3C, dit cémentite dont la composition en carbone est de6,67%. La structure cristallographique de Fe3C est orthorhombique. On note dune manière particulière certains points de transformation : • AC1 : γ------> α + Fe3C (727 °C) • AC3 : γ ------> α (début de transformation de γ en α au chauffage et AR3 aurefroidissement) • ACm :γ ------> Fe3C (début de transformation de y en Fe3C au chauffage et ARmau refroidissement) Nous allons nous intéresser à la partie du diagramme qui correspond auxaciers : % C < 2,11, puis celle des fontes % C > 2,11 2. Les Aciers Les aciers sont des alliages Fer-Carbone qui contiennent moins de 2% enmasse de carbone. Deux types de transformation entrent en jeu : la solidification(transformation liquide-solide) et la transformation en phase solide. a) TransformationLiquide- Solide Elle concerne la partie supérieure du diagramme (figure II-1) qui présente unpalier péritectique; 3 cas se présentent :Cas 1 : Au cours de la transformation péritectique, cest le liquide qui disparaît :Liquide + δ------> γCas 2 : La fin de la transformation est marquée par la disparition des 2 phases L et δ.Liquide + δ ------>γCas 3 : Cest δ qui disparaît à la fin de la transformation péritectique.Liquide + δ ------>γCours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 26 Souad BEN SLIMA
  27. 27. Figure II-1 : Partie supérieure du diagramme d’équilibre binaire Fer-CCours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 27 Souad BEN SLIMA
  28. 28. ACIERS : TRANSFORMATIONS SOLIDE-SOLIDE b) Transformation Solide-Solide Cest des transformations très importantes à connaître étant donné que tousles traitements effectués sur les pièces métalliques après élaboration se font à létatCours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 28 Souad BEN SLIMA
  29. 29. solide. La partie du diagramme Fe-Fe3C concernée est la partie inférieure qui présenteun palier eutectoïde à 727°C (figure II-2). Figure II-2 : Partie "Aciers" du diagramme Fer-CémentiteRemarque :- SE courbe de limite de solubilité du C dans le ferγ en ce point il y a précipitation du Cdu fer γ sous forme de Fe3C.- MN courbe de limite de solubilité du C dans le fer α : en ce point il y a précipitation duC du fer a sous forme de Fe3C.Nous distinguerons 2 types dacier suivant le % en carbone. Ils seront repérés par rapportau point eutectoïde E (0,77%C) : (1) Les aciers hypoeutectoïdes (0/0218 < %C < 0/77)Remarque : Quand %C augmente, AC3 diminue* Processus de transformation dun acier de composition Xl : en AC3 : début de latransformation γ ------>α pro + y resCours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 29 Souad BEN SLIMA
  30. 30. en AC1 : transformation eutectoïde : γ res------> (α + F e3C) (α + Fe3C) est un composé biphasé nommé perlite, il se présente sous forme de lamelles alternées de α et F e3C. γ res :γ résiduelle α pro : α proeutectoïde (formée avant le palier eutectoïde) * Qualité du produit final : α proeutectoïde + perlite (α + Fe3C) α proeutectoide de α+ Fe3 C = composé eutectoide = perlite * Quantité : α proeutectoïde : à T = 727°C + ε mα _= (0,77 - Xl) m (0,77 - 0,0218) perlite : % γres (à T=727°C+ ε) = % perlite (à T=727°C- ε) = (Xl - 0,0218) (0,77 - 0,0218) = m perlite m Quand Xl augmente, % α diminue et % perlite augmente * Que se passe-t-il au cours du refroidissement ? Quand T diminue, la solubilité du carbone dans γ diminue. Au point AC3, γ se transforme en α moins riche en carbone, α se formera au niveau des joints de grainγs de γ . Cette transformation se poursuit quand la température diminue. γ est alors enrichie en C (courbe AC3-E). Quand la teneur en carbone atteint 0,77 (E’), la transformation eutectoïde a lieu à température constante (v=0) jusquà lépuisement de. γ (2) Les aciers hypereutectoïdes : 0,77 < %C < 2,11Remarque : Quand %C augmente, A3 augmente. Cours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 30 Souad BEN SLIMA
  31. 31. * Processus de transformation dun acier de composition X2 : en A3 : début de la transformation γ ------> Fe3CII + γres en AC1 : transformation eutectoïde γres ------> (α + F e3CIII) * Qualité du produit final : F e3CII + (α + Fe3CIII) = perlite * Quantité : Fe3CII (à T = 727°C + ε) mFe3C = (X2 - 0,77) m (6,69 - 0,77) perlite : % γ res (à T=727°C+ε) = % perlite (à T=727°C-ε) mγres = 1- mFe3C m m _ (6,69 - X2) (6,69 - 0,77) = m perlite m Quand X2 augmente, %Fe3CII augmente et % perlite diminue. Remarques : 1- La teneur du constituant proeutectoïde est beaucoup plus importante dans le cas des aciers hypoeutectoïdes que dans celui des aciers hypereutectoïdes, et ceci pour un écart identique du point eutectoïde. I____________ I __ I __ I __ // _____________ I 0 N E’ N EN==EN Acier hypoeutectoïde : α proeutectoïde = Acier hypereutectoïde : Fe3Cproeutectoïde= Or EQ (6,69-0,77=5,92) est très supérieur à OE(O, 77-0,0218=O, 7482) donc apro»Fe3Cpro. Ceci se manifeste au niveau de laspect micrographique des structures des aciers; en effet, les aciers hypereutectoïdes sont toujours principalement constitués de perlite. 2- Pour X = 0,77%, la structure est 100% perlitique, il en est de même pour les teneurs très proches de 0,77.Cours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 31 Souad BEN SLIMA
  32. 32. α+ Fe 3C =composé eutectoide = perlite3- Pour X < 0,0218 (ou proche), la phase dominante est la ferrite avec quelquesprécipités de cémentite aux joints de grains. 3. Les fontes ordinaires Les fontes sont des alliages Fe-C dont le % en C va de 2 à 6. Pratiquementles fontes contiennent de 3 à 4% en C. On désigne par fontes ordinaires des fontes qui nont pas subi de traitementsparticuliers après coulée (mis à part les traitements thermiques ordinaires). Leursolidification est donnée par la partie droite du diagramme déquilibre. Quand le carboney existe à létat libre (graphite) on parle de fontes grises et on se réfère au diagramme Fe-C stable, dans le cas où il apparaît à létat combiné avec le fer (Fe3C), on parle de fontesblanches et on se réfère au diagramme Fe-Fe3C métastable. La caractéristique de cesfontes par rapport à tous les autres alliages Fe - C cest leur faible coût. a) Les fontes grises Elles contiennent le carbone sous forme de graphite (figure II-3). Le % encarbone des fontes grises se situe autour de 4,3%, celui de leutectique, ceci entraîne unebonne coulabilité et une faible tendance à la retassure (vides dans le lingot dus auphénomène de retrait au passage de létat liquide à létat solide).Cours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 32 Souad BEN SLIMA
  33. 33. Figure II-3 : Aspect microstructural des fontes grises. (a) Aspect des lamelles de graphite,(b) fonte grise ferrito-perlitique : les lamelles de graphite sont entourées dauréoles blanches de ferrite, le fond sombre est de la perlite.Le graphite donne aux cassures un aspect gris doù le nom fontes grises. On distingueles fontes grises hypoeutectiques (%C< 4,3) et les FG hypereutectiques. Figure II-4 : Diagramme Fe-C pour les fontes, en pointillés diagramme métastable et en ligne continue diagramme stable (1)Les fontes hypoeutectiques (2 < %C < 4,3)Processus de transformation depuis létat liquide :TE <T<To : solidification en cours L------> CγT=T E : transformation eutectique L ------> (γ +C graphite) eutectique : Ledéburite (le carbone yest sous forme de lamelles)TE ’ <T<TE : lausténite va laisser déposer du graphite et son % en carbone va diminuer ensuivant la ligne OE. Dans la pratique, γ est tellement appauvrie en carbone que le dépôt degraphite va donner place à une précipitation de Fe3C avant la température de leutectoïde(727°C) et la fonte continuera à refroidir suivant le diagramme Fe-Fe3C.Cours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 33 Souad BEN SLIMA
  34. 34. T=TE’ : transformation eutectoïde. Seule γ se transformera à cette température selon laréaction γ ------> α + Fe3C.Trois types de fonte peuvent se former à la suite de ce processus :- fonte hypoeutectique hypereutectoïde : graphite lamellaire + F e3C proeutectoïde + perlite- fonte hypoeutectique eutectoïde : graphite lamellaire + perlite- fonte hypoeutectique hypoeutectoïde : graphite lamellaire + ferrite proeutectoïde + perlite La formation de lune ou lautre de ces fontes dépend de la composition enC et Si ainsi que de la vitesse de solidification (déterminée par lépaisseur dumoulage). On peut savoir en fonction du carbone équivalent (C+1/3Si) et delépaisseur du moule la structure quon obtiendrait et ceci à partir du diagramme deSIPP (figure II-5). Ainsi apparaît la nécessité pour les fontes grises de choisir lanuance en fonction du dessin de la pièce.Figure II-5 : Diagramme de SIPP définissant la microstructure de la matrice dune fonte griseen fonction de lépaisseur du moule (2) Les fontes hypereutectiques (%C > 4,3)Processus de transformation depuis létat liquide :TE <T<T’o : solidification en cours L------> CgraphiteLe reste du processus se fait de la même manière que les fontes hypoeutectiques. (3) Propriétés des fontes grises Les fontes grises eutectoïdes (ou perlitiques) ont la meilleure tenue àlusure et la meilleure résistance mécanique. Cest pourquoi les FG industriellessont définies comme ayant un carbone équivalent voisin de 4%.Il est important de noter que les structures souhaitées pour les FG sont obtenues àCours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 34 Souad BEN SLIMA
  35. 35. létat brut de coulée; en général aucun traitement thermique ultérieur nest souhaitésauf dans le cas des trempes superficielles.Les FG sont dune manière générale faciles à usiner (dureté : 170 à 270 HB), maiselles ont une ténacité médiocre à cause du graphite.Par ailleurs ce sont les fontes les plus utilisées pour les bâtis de machine du fait deleur grande capacité damortissement des vibrations et leur tenue au frottement(favorisée par la présence de graphite qui est un excellent lubrifiant). De plus, leurcharge à la rupture par compression est de 3 À 5 fois plus grande que celle à latraction.Désignation : Ft Rm (daN/mm2), exemple : Pt 10 fonte grise dont Rm=10 daN/mm2. b) Les fontes blanches Le carbone y existe à létat de Fe3C. Le Fe3C donne à la cassure unaspect blanc et brillant doù le nom de fontes blanches. La formation de la fonteblanche est favorisée par certains facteurs :- la teneur en carbone, plus elle est élevée (vers leutectique), moins la formationest probable- la composition ne doit pas contenir des éléments favorisant la formation degraphite (Si, Al Ti, Ni, Cu). Il faudrait des éléments carburigènes (Mn, Mo, Cr, V)- une vitesse de refroidissement élevée favorise la formation de fonte blanche. Comme pour les fontes grises, il existe des fontes blanches hypo ethypereutectiques. Leur solidification suit exclusivement le diagramme métastableFe-Fe3C. Il est à signaler que dans le cas de la fonte blanche, le composéeutectique (la ledéburite) garde son aspect malgré la transformation de lausténitela constituant. (1) Fontes blanches hypoeutectiques Les séquences de transformation de cette fonte à partir de létat liquidesont :- formation de y proeutectique (jusquà 1148°C)- à 1148°C : formation de ledéburite (γ+Fe3C)- formation de cémentite proeutectoïde et appauvrissement de γ en carbone(Jusqu’à 727°C)- à 727°C : lausténite a un % en C=O, 8; elle se transforme totalement en perlite.Structure à lambiante (figure II-6) : Fe3C eutectique et proeutectoïde + perlite (deγ proeutectique) et perlite (de γ eutectique).Cours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 35 Souad BEN SLIMA
  36. 36. Figure II-6 : Aspect microstructural dune fonte blanche hypoeutectique dont le % en C est proche de 2,11. Plages noires : perlite, plages blanches : cémentite. X 200 (2) Fontes blanches hypereutectiques Les séquences de transformation de cette fonte à partir de létat liquide sont :-Formation de Fe3C primaire (ou proeutectique) (jusquà 1148°C)- A 1148°C : formation ledéburite (γ+Fe3C)- Formation de Fe3C secondaire (ou proeutectoïde) (jusquà 727°C)- A 727°C : transformation totale de y eutectique en perlite Structure à lambiante (figure II-7 b) : matrice de Fe3C (eutectique +proeutectoïde) + plaquette de Fe3C primaire + perlite (de γ eutectique) Figure II-7 : Aspect microstructural de la fonte blanche (a) eutectique (%C=4,3), plages mouchetées :ledéburite, plages noires : perlite. (b) hypereutectique, plaquettes blanches de cémentite + plagesmouchetées de ledéburite. (3) Propriétés des fontes blanches Les fontes blanches sont dures et fragiles, elles sont «inusables». EllesCours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 36 Souad BEN SLIMA
  37. 37. sont obtenues pour des vitesses de refroidissement assez élevées et destempératures de coulées basses; cest pourquoi on les appelle parfois fontestrempées. Elles sont très peu utilisées dans lindustrie sauf dans le cas où leurgrande résistance à lusure et à labrasion est requise (boulets de broyeurs,mâchoires de concasseurs, plaques dusure) Désignation : FB (FBO : non alliée,FBA : alliée)C.LES DIFFERENTES STRUCTURES DES ACIERS ET DES FONTES Nous avons défini l’acier et la fonte comme étant des alliages à base de fer. Nous avonsaussi vu le processus de solidification de ces alliages suivant leur pourcentages en carbone dans lesconditions d’équilibre et ceci à partir du diagramme binaire Fe-C. Les conditions d’équilibre supposent que le refroidissement a lieu à des vitesses faiblespour permettre aux atomes de diffuser et former des différentes phases d’équilibre. Il est évident queles structures qui nous intéressent sont celles qui existent à la température ambiante, aussi allonsnous porter notre étude sur les transformations en solution solide uniquement. La transformationsolide-solide qui nous concerne aussi bien les aciers que les fontes est celle de l’austénite gammaque nous avons vue lors de l’étude du diagramme binaire Fe-C. Cependant, les refroidissement à desvitesses lentes ne sont pas ceux qui sont fréquemment pratiqués pour 2 raisons, les refroidissementsà vitesses élevées sont plus rapides et donc d’un usage plus pratique, mais la raison principale estque celui-ci confère aux aciers des structures qu’on appelle hors d’équilibre qui ont des propriétésmécaniques différentes et diverses. Aussi, allons nous diviser la présentation des structures de l’acieren deux : Les structures d’équilibre et les structures hors d’équilibre. 1. Les structures d’équilibre Ce sont des structures qu’on obtient dans les conditions où la diffusion des atomes estpossible. Les transformations qui leur donnent lieu sont dites contrôles par diffusion. Elles ont lieu dans les aciers au carbone et les fontes ordinaires quand lerefroidissement de l’austénite γ es relativement lent. a) La ferrite La ferrite a est relativement douce (dureté = 80 HB), sa résistance maximaleRm varie de 25 à 45 daN/mm2 et sa limite d’élasticité Re = 12 daN/mm2. C’est lecomposé proeutectoïde pour les aciers hypoeutectoïdes. Elle se présente soit sous formede grains arrondis (ferrite granulaire) ; la ferrite ainsi formée ayant germée et s’étantdéveloppé le long des joints de grains de la phase mère austénite (figure II-8 a) soit sousforme allongée (ferrite aciculaire) due à une vitesse de refroidissement légèrementsupérieure à celle des conditions d’équilibre, la structure est dite “WIDMANSTATTEN(figure II-8b). Cette ferrite naît aux joints de grains et se développe à l’intérieur du grain.Cours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 37 Souad BEN SLIMA
  38. 38. Ferrite granulaire (x250) b- Ferrite aciculaire (xl00) (Structure de Widmanstatten Figure II-8 : Différentes morphologies de la ferrite b)La cémentite Cest le composé proeutectoïde qui se forme dans les aciers hypereutectoïdes; Ilse forme aussi dans les fontes blanches. Cest un carbure F e3C, par conséquent sa duretéest très élevée (1000HV), cest un produit fragile. Dans les aciers, comme la ferritegranulaire, la cémentite se forme aux joints de grains de la phase γ et sy développe. Cestpour cette raison que la cémentite apparaît toujours comme des liserés blancs quidessinent les contours des anciens grains de γ (figure II -9a) a - Acier hypoeutectoïde b- Perlite sphéroidisée (Cémentite + perlite) (X 500) (X2000) Figure II-9 : Différentes présentations de la cémentite et la perlite Dans les aciers hypereutectoïdes usuels (% C ne dépassant pas 1,2%),le pourcentage maximal de Fe3C qui peut se former est de 7%. La cémentiteainsi formée peut porter préjudice à certaines propriétés importantes de lacier,notamment son usinabilité et sa ténacité. Certains traitements sont doncappliqués aux aciers pour éliminer les liserés de cémentite (figure II-9 b) et luiCours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 38 Souad BEN SLIMA
  39. 39. donner un aspect de sphère (sphéroïdisation). c) La perlite Composé biphasé comportant des lamelles alternées de α et Fe3C, cest lecomposé eutectoïde. Sa dureté varie entre 180 et 250 HB, sa résistance maximale estautour de 83 daN/mm2. La distance d entre 2 lamelles de Fe3C dépend de la température T à laquelle laperlite sest formée ou de la vitesse de refroidissement (VR). Quand T diminue, d diminueet quand VR augmente, d augmente. De d dépendra la résistance de la perlite : d=l µm R = 63 daN/mm2 (figure II-l0a) d= 0,5µm R= 75 daN/mm2 (figure II-l0b) d=0,2 µm R= 110 daN/mm2 d < 0,1 µm R= 250 daN/mm2 a- Perlite (d=l µm) b-Perlite (d<0,5µm) (X l000) (X l000) Figure II-10 : Morphologie de la perlite La sphéroïdisation de la cémentite (élimination des lamelles) conduit à desrésistances R plus faibles (de 63 à 90 da N/mm2 en fonction du diamètre des sphères),mais réduit la fragilité du produit. d) Lausténite Pour les aciers au carbone et les fontes non alliées, lausténite est stableseulement aux températures élevées, elle nexiste donc pas à la température ambiante.Cependant, elle influencera beaucoup les propriétés de ces aciers étant donné que aussiCours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 39 Souad BEN SLIMA
  40. 40. bien les phases eutectoïdes que la perlite prennent naissance (germent) au niveau desjoints de grains de cette phase qui est la phase mère. Ainsi, si les grains de cette phasesont gros, il y aura peu de joints de grains, donc peu de sites de germination et latransformation de lausténite γ sera retardée (γ étant stabilisée). De plus, il y aura unerelation entre la taille des grains de γ et celles des grains des phases qui se forment : plusγ sera fine plus les produits seront fins et la résistance de lacier meilleure. La taille dugrain de γ dépend de la température et du temps auxquels on maintient lacier avantrefroidissement.Quand T et t augmentent, le diamètre du grain augmente. Dans les aciers et les fontesqui contiennent des éléments dalliage, lausténite peut être présente à la températureambiante} et par conséquent stabilisée si les éléments sont gamma gènes (Ni, Co,Mn…)Morphologie : lausténite se présente sous forme de grains polygonaux (figure II-11).Elle peut avoir des duretés très élevées jusquà 800 HB) et des résistances importantes(R=90 daN/mm2) suivant les éléments dalliage.Sa limite délasticité dans ce cas sera très faible. Figure II-11 : Morphologie de l’austénite 2. Les structures hors déquilibre a) La martensite (du nom dAdolf Martens, allemand) Lorsque la vitesse de refroidissement dun acier porté à haute température esttrès élevée, on nest plus dans les conditions déquilibre.Ainsi, les atomes de carbone de lausténite (haute température) nauront pas le temps dediffuser lors du refroidissement rapide. Ils resteront emprisonnés dans le réseau de laferrite alpha (basses températures) qui normalement ne peut pas les contenir (limite desolubilité du carbone dans a à 727°C : 0,025%). Ils déformeront ainsi le réseau qui setransformera alors de cubique à faces centrées (γ) en quadratique centré identifié par lesparamètres c et a : Cest la martensite qui est définie comme étant une solution solideCours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 40 Souad BEN SLIMA
  41. 41. sursaturée en carbone.Quand %C augmente, c/a augmente et la tétragonalité du réseau sera plus prononcée(figure II-12). Cette déformation du réseau} qui se fait par cisaillement (la transformationmartensitique est dite militaire comparativement aux transformations diffusionnelles diteciviles), entraîne des distorsions et donc le durcissement de lacier. La martensite seradonc une phase dure (HRC=73). Figure II-12 : Variation des paramètres a et c de la martensite en fonction de la teneur en carbone dans les alliages Fe-C (Ref .1) (1) Cinétique de la transformation La transformation qui engendre la martensite (transformation martensitique)dépend uniquement de la température. Elle ne peut pas se poursuivre si la diminutionde la température ne se poursuit pas (dT/dt=0) : elle est athermique. Léquation quidonne la cinétique de cette transformation est la suivante : F = 1- e-(l, 1610-2 ∆T) (Koistiner et Marburger)où f est la fraction volumique de martensite (pour les alliages Fe-C de 0,37 à 1,1 %C) La température de début de transformation de la martensite est plus oumoins basse suivant la composition de lacier. Elle est notée Ms (Martensite Starting).Linfluence des différents éléments daddition sur Ms ne peut être définie dunemanière univoque et rationnelle. Certaines formules à caractère empirique ont été proposées, elles donnentCours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 41 Souad BEN SLIMA
  42. 42. une idée sur lévolution de Ms mais ne peuvent être valable dans tous les cas, nouscitons ci suit la formule de NEHRENBERG : Ms (°C)= 500-300C-33Mn-22Cr-17Ni-11Si-11Mo Le domaine de transformation de la martensite sétend de Ms à Mf(Martensite Finishing) qui est une température très souvent inférieure à lambiante.Ainsi, lorsque le refroidissement est arrêté à la température ambiante, latransformation austénite (γ------martensite ne sera pas complète et il persistera delausténite non transformée (ou austénite résiduelle). La martensite est donc la raisondu durcissement des aciers lors dun refroidissement brusque on dit que cest leconstituant de trempe. Mais sachant quune dureté élevée engendre la fragilité dumatériau, la martensite sera donc responsable de la fragilité du matériau. Par ailleurs, étant donné que le carbone est responsable de la grande dureté dela martensite (pour les aciers au carbone), la martensite sera dautant plus dure que le %en carbone est élevé. Il est donc pratiquement impossible dobtenir de la martensitequadratique centrée pour les aciers ayant despour_cent en carbone inférieurs à 0,2. Cestpourquoi les aciers au carbone sont classifiés de cette manière : Hypoeutectoîdes hypereutectoîdes 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 %C1---------1--------1-------1-------1------1-----1------1-------1-------1------1--------1-------> Fer/ extra / doux /mi - / mi-dur / dur / extra-dur doux doux A partir de 1,2 %, la dureté de trempe naugmente plus. Si on dépasse cepourcentage, pour augmenter la dureté, il faut ajouter des éléments dalliage qui ferontprécipiter le carbone en excès sous forme de carbures durcissants. Ms et Mf vont diminuerquand le pourcentage en éléments dalliage favorisant la phase austénitique augmente. Ceséléments sont dits gammagènes. Ms peut atteindre des valeurs très faibles, cest la cas desaciers inoxydables 18-10 (18% Cr et 10%Ni) qui même refroidis dans leau glacéeconservent une structure austénitique (il faut refroidir dans lazote liquide -200°C pouravoir de la martensite).Cours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 42 Souad BEN SLIMA
  43. 43. Figure II-13 : Évolution de la dureté en fonction de la teneur en carbone pour des structures trempées (Ref1) La martensite est facilement caractérisable au microscope, elle se présente sousforme de paquets d’aiguilles allongées et régulières. Elle peut exister sous l’une des deuxmorphologies suivantes : en lattes ou en plaquettes (figure II-14). Lattes de Martensite Plaquettes de Martensite Figure II-14 : Différentes morphologies de la Martensite, x1000, (Ref3) Les lattes se présentent au microscope sous forme de paquets daiguilles courtes et fines. Les plaquettes sont plus grandes et plus larges. La présence de lune et/ou de lautre morphologie de la martensite dépend du % en carbone (figureCours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 43 Souad BEN SLIMA
  44. 44. II-15). Quand le %C augmente, la probabilité dobtenir des plaquettes devient plus grande. Figure II-15 : morphologies de la Martensite en fonction du % en carboneb) La bainite (du nom dEdgar Bain, Américain)Quand la vitesse de refroidissement nest pas très élevée, mais intermédiaire, il seforme un composé intermédiaire entre la martensite et la perlite qui groupe certainespropriétés de chacune des deux structures : cest la bainite. Comme la perlite celle-ciest un composé biphasé contenant de la ferrite + cémentite; comme la martensite ellese présente sous forme daiguilles de ferrite dans lesquelles est répartie la cémentite.Ainsi la transformation bainitique est permise par la diffusion partielle des atomes decarbone (transformation perlitique) et par le cisaillement (transformationmartensitique). Du fait qu’elle est également assurée par la diffusion, latransformation bainitique peut progresser même dans les conditions isothermes. Bainite supérieur Bainite inférieurCours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 44 Souad BEN SLIMA
  45. 45. Figure II-16 : Morphologies de la bainite, x250Les aiguilles de bainite seront dautant plus fines que la vitesse de refroidissement estélevée ou que la température est basse (dans les conditions isothermes) ; on distingueainsi trois types de bainite :-bainite supérieure : pour les températures relativement hautes, elle est proche de laperlite, la structure se présente sous forme de lamelles de ferrite a entre lesquelles setrouvent les précipités de cémentite Fe3C,-bainite moyenne-bainite inférieure : pour les températures basses, elle est proche de la martensite, lesaiguilles sont très fines et ne peuvent pas être résolues au microscope optique. Lescarbures de cémentite y sont très petits et parallèles.La bainite est assimilée à des amas de plumes. Lorsque la vitesse de refroidissementaugmente la structure devient plus fine, par ailleurs les contraintes internesdeviennent plus importantes ce qui engendre une dureté plus élevée.Cours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 45 Souad BEN SLIMA
  46. 46. V. AMELIORATION DES PROPRIETES MECANIQUE DES MATERIAUX METALLIQUES PAR TRAITEMENTS THERMIQUES DANS LA MASSE Les traitements thermiques se divisent en deux grandes catégoriesprincipales :-les traitements thermiques de base nécessaires pour améliorer lhomogénéisation de lastructure et rechercher létat déquilibre; il sagit dopérations effectuées sur pièces oulingots bruts de coulée (recuits).- les traitements thermiques orientés vers les applications pour créer des structures leplus souvent hors déquilibre et qui permettent daméliorer la résistance à ladéformation, au choc, à lusure, à la corrosion (trempes et revenus). Pour cettedeuxième catégorie le traitement peut être général lorsquil est appliqué à toute lapièce, local ou partiel lorsquil concerne une partie de la pièce, généralement la surfacemais ce dernier sera développé au chapitre suivant. Nous avons déjà vu par létude du diagramme déquilibre Fe-C que destransformations en phase solide pouvaient avoir lieu et plus explicitement latransformation de la phase γ (austénite). Mais le diagramme Fe-C reste en ce sens trèslimité car il ne traduit que les transformations pouvant se faire pour desrefroidissements continus à vitesses lentes (recuits).Mais que se passerait-il si on refroidissait rapidement un acier jusquà une températureT telle que Ms < T < Ac1, et quon le maintenait à cette température ?Et si on déviait des conditions déquilibre en refroidissant un acier dune manièrecontinue à des vitesses élevées et différentes, quelle serait à chaque fois lamicrostructure de lacier et les propriétés mécaniques correspondantes ?A ces questions importantes aussi bien sur le plan fondamental (compréhension descinétiques de transformation) que celui de lingénierie des matériaux (sélection despropriétés désirées par la sélection du traitement thermique approprié), des courbesexpérimentales ont été établies : les courbes TIT et TRC A.LES COURBES TTT Nous avons pu daprès le diagramme déquilibre Fer-Carbone suivrelévolution de la structure de différents aciers au carbone avec la température, lavitesse de refroidissement étant très lente; la transformation eutectoide(transformation perlitique) est la plus importante. Cette transformation peut avoirlieu dans dautres conditions notamment par maintien de lacier à températureconstante pendant des durées plus ou moins longues. Cette température e serainférieure à la t température de leutectoide (727°C). Le traitement correspondantconsistera à rendre lacier austénitique par un maintien dans le domaine, puis de leporter rapidement dans un bain à température constante. Lacier est alorsmaintenu pendant des durées différentes à différentes températures, puis observéCours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 46 Souad BEN SLIMA
  47. 47. pour identifier les phases formées ainsi que le taux dausténite transformée. Tousles résultats sont reportés sur un diagramme température log10t (température detransformation, temps, domaine de chaque phase). Les courbes TTT les plus simplesse présentent en général comme représenté figure V-1. Figure V-1 : Courbe TTT pour un acier eutectoide a) Comment lire une courbe TIT :* Les courbes TIT sont lues horizontalement de manière à suivre lévolution de latransformation en fonction du temps.* Les différentes phases de lacier sont notées comme suit :A : austéniteF : ferriteC : cémentiteM : martensiteQuand il est noté (FOC), le composé correspondant peut être la perlite ou bainite.La bainite existe pour les basses températures et la perlite pour les températuresplus élevées1) : courbe de début de transformation(2) : transformation de 50% de lausténite(3) : courbe de fin de transformation* Les courbes TTT sont limitées dans leur partie supérieure par la température deCours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 47 Souad BEN SLIMA
  48. 48. leutectoide et dans leur partie inférieure par le point Ms. En dessous de ce point lemaintien isotherme, daussi longue durée quil soit, ne fait pas évoluer latransformation martensitique puisque celle-ci est indépendante du temps et ne peutse poursuivre si dT/dt=0.Exemple de suivie de la courbe TTT (figure V-1), pour la température Tr à ti : la transformation débute par la formation de ferrite + cémentite à partir delausténite. Dans ce cas F+C est la perliteà t1/2 : 50% de lausténite sest transformée en (F+C)à tf : la totalité de lausténite sest transformée en perlite•La verticale limitant à droite le diagramme TTT indique la dureté de la structurefinale après un maintien de 24h, les courbes TIT nétant pas définie - en général- pourdes durées de maintien plus élevées.En eutectique donc eutectique = Liqres= c) à T=TE – ε α total =* Mécanisme des transformations isothermes: Aux températures élevées (proche de latempérature dausténitisation), la tendance à la transformation A------->F+C est faiblepuisque le domaine de lausténite est proche, en effet lausténite est dautant plus stablequon sapproche de son domaine dexistence.Au fur et à mesure que la température de maintien isotherme diminue, la tendance à latransformation de lausténite augmente, mais la diffusion devient plus difficile, la structurerésultante est donc de moins en moins proche de léquilibre. Pour une températuresuffisamment basse (Ms), la transformation se fait dès que le métal atteintCette température. Il ny a pas de diffusion, le carbone reste emprisonné dans le réseau : lamartensite est formée.* Remarques :1)Plus la température de maintien est basse et plus la perlite obtenue est fine.2)Le type de diagramme TIT présenté est le plus simple. On trouve dans certainsdiagrammes dacier des domaines dexistence de la ferrite seule, ainsi quunedifférenciation nette entre les domaines de la perlite et de la bainite (figure V-2).Cours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 48 Souad BEN SLIMA
  49. 49. Figure V-2 : Diagrammes TTT (a) daciers au carbone (b) daciers alliésCours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 49 Souad BEN SLIMA
  50. 50. b) Les facteurs influençant la courbe TTT :- La température d’austénitisation : Avant de procéder à la transformation isotherme, onpart dune structure à 100% austénitique; à cet effet lacier est maintenu à unetempérature supérieure à AC3 (température de début de transformation de lausténite).Les conditions dausténitisation seront donc la température et le temps dausténitisation(Ta et ta) Ces conditions doivent être spécifiées avant tout traitement isotherme carelles définissent létat de lacier avant ces traitements. En effet un temps et unetempérature dausténitisation plus élevés engendrent une austénite à plus gros grains,donc plus stable; le domaine de lausténite sera plus étendu et donc la courbe décaléevers la droite. - Les éléments d’alliage : Les éléments gammagènes (Mn, Ni, Cu, N etC) stabilisent lausténite, leur action est donc de décaler la courbe vers la droite. Leséléments alfa gènes (Cr, Mo, W, V, Ti, Nb) décalent la courbe vers la droite etmodifient sa forme car ils ont tendance à former des carbures qui retardent latransformation de lausténite et favorisent certaines transformations plutôt que dautres(la transformation bainitique, par exemple). B. LES COURBES TRC :Il est possible de connaître à partir des courbes de transformation isothermes la stabilitédun acier à létat austénitique dans les différents domaines de température. Cependantles cycles thermiques que subissent généralement les pièces industrielles necorrespondent pas à des transformations isothermes. En effet, dans la majorité des casles pièces subissent des traitements à refroidissement continu. Cest les courbes TRC(Transformation à Refroidissement Continu) quils faut alors considérer.Ces courbes permettent de déterminer pour différentes conditions de refroidissement,allant de refroidissement très rapides à des refroidissements très lents, la nature desconstituants formés lors de ces refroidissements, les températures de transformation etla dureté de la structure à lambiante. Comme pour les transformations isothermes,lalliage est préalablement austénisé.Les courbes sont tracées suivant une échelle semi-logarithmique. Des courbes derefroidissement correspondant à des lois de refroidissement différentes sont tracées(figure V-3). Le point dorigine de ces courbes sur laxe des températures est latempérature dausténitisation. Figure V-3 : Lois de refroidissement Figure V-4 : Lois de refroidissementcorrespondant à des milieux différents Correspondant à des différents diamètres de pièces, dans un même milieu de refroidissementOn fournit généralement avec la courbe TRC des courbes de refroidissement surtransparents tracées dans le même système de coordonnées que les courbes TRC , et quiCours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 50 Souad BEN SLIMA
  51. 51. correspondent à des milieux de refroidissement précis pour des pièces de diamètresdifférents (figure V-4).Plus le diamètre de la pièce est grand plus léchange thermique entre le coeur de la pièceet le milieu est lent et donc la vitesse de refroidissement ressentie faible. Ces courbessont tracées sur des transparents ou des calques afin de pouvoir les superposer auxcourbes TRC. Ces courbes existent pour les milieux de refroidissements les plus usuels :lair, lhuile et leau.Les différentes courbes de refroidissement vont traverser les domaines dexistence desdifférentes phases, domaines qui auront un aspect et une forme différente suivant lanature de lacier et les conditions dausténitisation. Nous représentons ci suit un exemplede courbe TRC.Le domaine intermédiaire (bec de perroquet) est le domaine de la bainite qui nexiste paspour les aciers au carbone à bas % en carbone. Figure V-5 : Exemple de courbe TRC a) Comment suivre une courbe TRC : Il faut suivre la courbe correspondant à la vitesse de refroidissement adoptée :* vitesse v4 : on prend la courbe correspondante à cette vitesse et on voit à quel momentElle coupe le diagramme. A T1, on rentre dans le domaine A+F(Transformation de lausténite en ferrite). A T2, on rentre dans le domaine A+F+C (fin detransformation de lausténite en ferrite et début de transformation de lausténite restanteen perlite). A T3, fin de transformation de lausténite. La structure contiendra de la ferrite(K4 %) et de la perlite (K4 %), avec K4 + K4 = 100%. D 4 est la dureté de la structure à la suitede ce traitement.* vitesse v3 : on prend la courbe correspondante à cette vitesse et on voit à quel momentelle coupe le diagramme. A T1 on rentre dans le domaine A+F (transformation delausténite en ferrite). A T’2, on rentre dans le domaine A+F+C (fin de transformation delausténite en ferrite et début de transformation de lausténite restante en bainite). A T3,fin de transformation de lausténite en bainite. Entre T’3 et T’4 aucune transformation nalieu, et à T4 une partie de lausténite se transforme en martensite. La structurecontiendra de la ferriteCours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 51 Souad BEN SLIMA
  52. 52. (K3 %) et de la bainite (K3 %), de la martensite et de lausténite résiduelle. D3 est la duretéde la structure à la suite de ce traitement.Remarque : Quand une courbe de refroidissement traverse le domaine de la bainite, oncommence à avoir une structure hors déquilibre. Lausténite nest dans ce cas jamaistransformée à 100%; il reste donc à la fin de la transformation de lausténite qui est diterésiduelle.* vitesse v2: La courbe de refroidissement coupe le domaine de la bainite à T1 A cettetempérature débute la transformation bainitique qui sarrête à T2 A cette mêmetempérature, lausténite qui reste se transforme en partie en martensite, il restera doncde lausténite à la température ambiante. La structure finale sera : bainite (% :K2) +(martensite + austénite résiduelle) (% = 100-K2). La dureté de cette structure sera D2.* vitesse v1 : La courbe ne coupe pas le domaine de la bainite, la seule transformationqui a lieu est la transformation martensitique qui débute à Ms. La structure finalecontiendra : martensite+austénite résiduelle, sa dureté est D3 Si M50 est supérieur à latempérature ambiante, on aura dans la structure finale plus de 50% de martensite. Laquantité de martensite sera dautant plus importante que VI est grande. b) Vitesses de refroidissement : Pour certaines exploitations, il est nécessaire de déterminer pour une loi derefroidissement la vitesse correspondante. Il est possible dans ce cas de calculer :- soit la vitesse de refroidissement instantanée à 700°C, ce sera la pente de la tangente àla courbe de refroidissement en ce point :- soit la vitesse de refroidissement moyenne entre 700 et 300°C : c) Facteurs influençant la courbe TRC :1- La température et le temps d’austénitisation :Plus ils sont élevés, plus lausténite sera stable. La courbe sera décalée vers la droite eton aura à lambiante un taux plus élevé dausténite résiduelle.2- La composition chimique :Les éléments gammagènes élargissent le domaine de lausténite ils décalent donc lacourbe vers la droite. Les éléments alfa gènes décalent aussi la courbe vers la droite, deplus ils favorisent la transformation bainitique pour laquelle ils font apparaître ledomaine distinctement du domaine perlitique. Le seul élément qui décale les courbesTRC à gauche est le cobalt.Cours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 52 Souad BEN SLIMA
  53. 53. d) Détermination des vitesses critiques : A partir de la courbe TRC il nous est possible de définir les différentstraitements thermiques ainsi que leurs buts.Nous remarquons daprès cette courbe quil existe une vitesse limite au delà de laquellela structure obtenue est uniquement de la martensite (à gauche du diagramme), et uneautre vitesse en deçà de laquelle la structure obtenue est une structure déquilibre (àdroite). Ces vitesses sont appelé respectivement vitesse critique de trempe (VCT) etvitesse critique de recuit (V CR) (figure V-6). Figure V-6 : Détermination des vitesses critiques de trempe et de recuitv CR : vitesse critique de recuit v> vCR : on obtient des structures hors déquilibre v < v CR : ferrite+perliteLorsque v sapproche de v CR la structure de la perlite devient de plus en plusfine (lesLamelles se rapprochent, d<O, 2um)v cr : vitesse critique de trempeSi v>v CT : structure martensitiqueSi v<v CT : structure mixte C. LES TRAITEMENTS THERMIQUES DÉQUILIBRE Les traitements traités dans ce paragraphe sont des traitements appliquéspour homogénéiser la structure, améliorer la ductilité, réduire les contraintes interneset/ ou améliorer lusinabilité des aciers. Ces traitements donnent lieu à des structuresdéquilibre et à des distributions différentes de ferrite et cémentite qui conditionnerontles propriétés mécaniques. Ces traitements consistent en un chauffage à une certaineCours de métallurgie, ENIT-Département de Génie Mécanique 53 Souad BEN SLIMA

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