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DEPARTEMENT DE GENIE MECANIQUE

UUnniittddeeRReecchheerrcchheeGGnniieeddeessMMaattrriiaauuxx

COURS DE METALLURGIE

Souad BEN SLIMA

Anne Universitaire 2010 / 2011


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TABLE DES MATIERES

I- INTRODUCTION AUX MATERIAUX: ...................................6

A. LES DIFFERENTS ETATS DES SOLIDES...........................................................7

1. LETAT AMORPHE

2. LETAT MESOMORPHE

3. LETAT VIYTREUX

4. LETAT 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. QUEST-CE QU'UN METAL?

2. LES MATERIAUX CERAMIQUES

3. LES POLYMERES4. LES MATERIAUX COMPOSITES

5. LE CHOIX D'UN MTERIAU

II- INTRODUCTION AUX ACIERS ET AUX FONTES .........24

A. PROPRIETES DU FER PUR.....24

B. LE DIAGRAMME FER-CARBONE ...25

1. DIAGRAMME Fe-Fe3C (Fer-Cmentite)

2. LES ACIERS

3. LES FONTES ORDINAIRESC. LES DIFFERENTES STRUCTURES DES ACIERS ET DES FONTES .. 36

1. LES STRUCTURES D'EQUILIBRE

2. LES STRUCTURES HORS EQUILIBRE


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III- LES ELEMENTS D'ALLIAGE - DIFFERENTES CLASSES D'ACIERS ET FONTESA. CLASSEMENT ET ROLE DES ELEMENTS D'ALLIAGE45

1. EFFET DES ELEMENTS D'ALLIAGE

2. ROLE DES DIFFERENTS ELEMENTS D'ALLIAGE

B.DESIGNATION DES ACIERS .491. ACIERS D'USAGE GENERAL NON ALLIES2. ACIERS AU CARBONE3. ACIERS ALLIES

C. LES DIFFERENTES CLASSES D'ACIER.51

1. Les aciers de construction (non destins aux traitements thermiques)

2. Les aciers pour traitements thermiques3. Les aciers outils4. Les aciers inoxydables

D. LES DIFFRENTES FONTES ..57

1.Les fontes non allies2.Les fontes allies

IV. AMLIORATION DES PROPRITS MCANIQUES DESMATRIAUX PAR INTERVENTION SUR LES DFAUTSCRISTALLINS

A .DISLOCATIONS: CROUISSAGE (STRAIN HARDENING) .63B. DFAUTS PONCTUELS: DURCISSEMENT PAR SOLUTION SOLIDE 66

V.AMELIORATION DES PROPRIETES MECANIQUE DESMATERIAUX METALLIQUES PAR TRAITEMENTS THERMIQUESDANS LA MASSE

A.LES COURBES TTT70

B.LES COURBES TRC ...73

C.LES TRAITEMENTS THERMIQUES D'EQUILIBRE ..761. LE RECUIT (ou RECUIT COMPLET) FULL ANNEALING 2. RECUIT D'HOMOGENEISATION HOMOGENIZING3. RECUIT DE NORMALISATION NORMALIZING 4. RECUIT DE COALESCENCE OU SPHEROIDISATION SPHEROIDIZING5. RECUIT DE DETENTE STRESS RELIEVING6. RECUIT DE CRISTALLISATION RECRYSTALLIZATION ANNEALING

D. LES TRAITEMENTS THERMIQUES HORS D'EQUILIBRE ...801. LA TREMPE2. LE REVENU

E. LES ACCIDENTS DUS AUX TRAITEMENTS THERMIQUES ....95


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VI-COMMENT DURCIR LES MATERIAUX METALLIQUES SANS LES FRAGILISER...98

1. DURCISSEMENT PAR PRECIPITATION OU DURCISSEMENT STRUCTURAL2. LES TREMPES ETAGEES3. LES TRAITEMENTS THERMO-MECANIQUES

VII-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 .107

VIII-DURCISSEMENT SUPERFICIEL DES MATERIAUX 108A.DURCISSEMENT MECANIQUE .. .....108

1. LE GRENAILLAGE ET LE SABLAGE2. LE CHOC LASER3. LE GALETAGE

B.TRAITEMENTS THERMIQUES DE SURFACE.1131. LA TREMPE SUPERFICIELLE2. LA TREMPE PAR CONVERSION CHIMIQUE DE LA SURFACE3. TRAITEMENTS DE REVETEMENT

IX. ANNEXE: RAPPEL SUR LES DIAGRAMMES D'QUILIBRE ...129A. HISTORIQUE DES MLANGES

B. LA NOTION DE SOLUTION SOLIDE .. 129

C. INTRODUCTION AUX DIAGRAMMES D'QUILIBRE. 134

LEXIQUE DES TERMES DE TRAITEMENTS THERMIQUES .154

REFERENCES..161


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Cours de mtallurgie, ENIT-Dpartement de Gnie Mcanique 5 Souad BEN SLIMA

PRAMBULE

Ce cours de "Matriaux" est dispens aux tudiants de Gnie Mcanique.Les prs requis sont minimes mais ncessitent quand mme une bonnebase en thermodynamique. Ce cours est lui mme un pr requis pour desenseignements tels que la "Technologie de Fabrication" (fonderie,dformation plastique, moulage, ...) et les Mthodes d'assemblage"(soudage, ...).

Au deuxime chapitre les aciers et les fontes seront dfinies en dtail partir du diagramme Fer-carbone, puis rpertoris par classesd'utilisation au chapitre cinq. A partir du chapitre sept et jusqu'auchapitre neuf on rpondra la question comment amliorer lesproprits en service principalement des aciers et fontes qui restent lesmatriaux les plus utiliss dans l'industrie mcanique. Seront alorsdtaills les traitements thermiques mettre en uvre pour amliorerdes proprits spcifiques du matriau : Rsistance et duret, tnacit,rsistance l'usure, etc. ....

Le lecteur trouvera la fin de ce fascicule un lexique des termes les plusutiliss en mtallurgie, avec leur quivalent en anglais.

La seule prtention de ce cours est d'tre pour les tudiants unerfrence qui leur permettra de suivre plus aisment leur cours de

matriaux. Les technologies progressent, particulirement dans ledomaine des matriaux : la ncessit d'une mise jour continue desenseignements apparat ici clairement.


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I. INTRODUCTION AUX MATERIAUX

Les matriaux ont toujours t dune importance majeure pour lacivilisation humaine. Les diffrentes poques de I humanit ont t marques chaque fois que lhomme matrisait un matriau : Age de la pierre, ge du cuivre,

ge du bronze, ge du fer qui a abouti notre poque marque par la rvolutionindustrielle de la fin du 19me sicle.

Il semblerait que le premier contact homme mtal a eu lieu il y a peuprs onze mille ans en Anatolie (Turquie). Le premier mtal qui fascina l'homme futlor, qui attira -et qui attire toujours- de par sa brillance. Cette dcouverte, commecelle du cuivre, ne ncessitait pas la connaissance de l'action du feu sur les mtaux.En effet, ces deux mtaux existent dans la nature l'tat natif et sont dformables froid.

L'extraction des mtaux de leurs minerais est venue beaucoup plus tard.L'extraction du cuivre de son minerai (cuivre non natif, cette fois) date de 4300

avant J.C. et fut pratique pour la premire fois par une tribu installe enMsopotamie. L'ge du bronze fut inaugur au IIIe millnaire en Armnie (semble-t-il), la fusion du cuivre et de l'tain pour la production de cet alliage a tcependant le fruit du hasard. Des dcouvertes archologiques rcentes attesteraientque lextraction du fer de son minerai daterait de 3500 avant J.C. par les anciensEgyptiens. L'ge du fer et du bronze se chevaucherait, et le fer ne prendra une placeprivilgie quau 1er millnaire quand l'homme dcouvrit que celui ci avait desproprits plus intressantes (outils plus tranchants, etc. ...). Toutes ces dcouvertesfaites par lhomme ont t fortuites et les progrs enregistrs purement empiriques.Le pas gant atteint au dbut de notre sicle a pu tre excut quand les moyens

d'analyse et d'observation ont volus, et que les processus d1laboration et de miseen forme ont commenc tre rflchis et non pas intuitifs.

Parmi les 106 lments chimiques du tableau priodique, peu prs 80sont mtalliques. 70% des lments constituant la terre sont des mtaux. Parmi tousles lments mtalliques, 8 seulement sont produits et utiliss en grande quantit :

Fer ----------------->Aluminium ---------------->Cuivre------------------------>

Pb,Zn,Ni,Ti,Mg-------------->

98% des mtaux produits0,8%0,7%0,5%

Ces derniers lments sont destins des utilisations particulires :

Le Ni et ses alliages sont utiliss haute temprature pour la rsistance la corrosionLe Ti et ses alliages sont utiliss dans lindustrie arospatiale.


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A part la construction (mcanique et autres) qui absorbe une grandequantit de matriaux (principalement base de fer), il existe d'autres domainesd'application qui en consomment en quantit non ngligeable selon les propritsrequises :

Proprits lectriques : Cu-Al, bonne conductivit lectrique

Proprits magntiques : Fe-Ni pour les matriaux magntiquesRsistance la corrosion : Zn, Sn PbEsthtique et grande valeur : Au, Pt

Dautres lments sont constituent des lments d'addition trsrecherchs pour l'amlioration des proprits des alliages courants tels que lesaciers :

Cr, Co, Nb, Mg, Mo, Ti, W, V, Zr, Sb, Ta, Be, Cd

Le choix et lutilisation dun matriau dpend dun certains nombres deproprits :

Bonne rsistance mcanique Rsistance acceptable la corrosion Mise en forme facile (usinabilit, mouillabilit, soudabilit) Possibilit de recyclage Cot et disponibilit raisonnables

Les 3 premires constituent la base de l'tude des matriaux.

l- Mtallurgie chimique ou extractive

2-Mtallurgie physique : La Mtallurgie physique relie les manifestations ma-croscopiques (les proprits en service) au comportement microscopique des m-taux. Elle permet donc l'homme de commander les phnomnes microscopiques(microstructure) pour avoir les proprits macroscopiques dsires. L'accs lamicrostructure des mtaux est aujourd'hui possible grce l'avancement des tech-niques d'observation et danalyse : microscopie optique, lectronique, diffractiondes RX, diffraction des lectrons, ...Elle permet ainsi de relever les dfis qui se posent dans certains domaines"difficiles" tels que l'arospatiale, l'aronautique, l'exploitation off shore, l'industrienuclaire, ...

A. LES DIFFRENTS TATS DES SOLIDESA l'tat solide, les matriaux peuvent avoir diffrentes structures

atomiques qui dterminent leur comportement physique, mcanique, et chimique.Par structure atomique on dsigne la rpartition des atomes les uns par rapport auxautres et le type de liaisons qui assurent leur cohsion. Les solides peuvent existersous 3 tats diffrents :

1. Ltat amorpheLes atomes ou ions constituant le solide ne prsentent aucun ordre les uns

par rapport aux autres. On peut assimiler la structure globale celle d'un liquidefig.

2. Ltat msomorpheCet tat est rencontr dans les matriaux "exotiques" tels que les cristaux

liquides o les chanes d'espces sont alignes.


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3. Ltat vitreuxC'est l'tat rencontr dans les verres et qui est caractris par une certaine

organisation courte distance (entre les espces qui forment une chane), mais pasdordre longue distance (chanes dsordonnes les unes par rapport aux autres).Lastructure des verres doit tre considre sur 3 chelles: 1) l'chelle de 2 10

angstrms, celle de l'arrangement atomique local, 2) l'chelle de 30 quelquesmilliers d'angstrms, celle de la sous microstructure, et 3) l'chelle du un au mm etplus, celle de la microstructure et la macrostructure.

La temprature de transition liquide verre(Tt) est moins nette que celle de latransition liquide-cristal (Tf) et estcaractrise par une viscosit leve dumatriau.La structure du verre dpend de lamanire avec laquelle il a t obtenu.Ainsi un verre form partir de l'tatliquide est diffrent d'un verre form partir de la condensation sur un substratfroid, ou form par lectrodposition.

VOLU

M

E

TEMPERATURE

a)4.L'tat cristallin

Dans un cristal, lors du passage de l'tat liquide l'tat solide, les atomes se placentd'une manire ordonne dans les 3 directions de l'espace, dans des sites bien dfinis Onparle de rseau cristallin. Cet arrangement est priodique suivant les trois directions del'espace x, y et z et dfini par un volume lmentaire qu'on appelle maille et quireprsente la structure du cristal.

Rseaucristallin Maille lmentaire

Figure I-1 : Rseau cristallin


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B. LES LIAISONS DANS LES SOLIDES CRISTALLINS1 Liaisons primaires :

a) Liaisons ioniques

Ce sont des liaisons qui sont assures par l'attraction d'un ion positif etun ion ngatif (Na+,Cl-, K+,CI-, ...). Dans un cristal, chaque ion positif est entourde plusieurs ions ngatifs et vice et versa.Type de force : lectrostatique, transfert d'lectrons d'un atome l'autre, nondirectionnelleEnergies de liaison : autour de 600kJ / molExemple : NaCI, MgOConsquences : Matriaux ioniques durs et fragiles, mauvais conducteurslectriques et thermiques

b) Liaisons covalentesLa liaison qui forme la molcule de H2 est typique des liaisons

covalentes. En effet, la formation d'une molcule de H2 correspond au remplissagede la couche 1s2 qui est une configuration plus stable que 1s (un seul atomed'hydrogne). Ce type de liaisons se retrouve dans les composs inorganiques.Dans un cristal, la liaison covalente est similaire celle de H2, une paired'lectrons est concentre dans l'espace entres les 2 atomes, chacun contribuantavec un lectron. Une structure cristalline du type covalent peut tre construitequand il y a rptitivit possible. Ceci se fait grce la nature directionnelle de laliaison covalente.

Les cristaux covalents se forment par des atomes d'lectrongativitsimilaire et dont la structure lectronique est loin de celle des gaz rares (C, Ge, Si,

Te, ...)Type de force : covalente, chaque atome participe avec un lectron de valence Ellea lieu quand les deux lments ont une trs faible diffrence d'lectrongativit,liaison fortement directionnelleExemples : CH4 : 4 lectrons de valence, donc peut former 4 liaisons covalentesttradriques. Dans CH4, ces liaisons sont utilises pour former la molcule. Il n'yaura pas d'lectrons disponibles pour former une liaison covalente en plus, ainsiune structure cristalline ne peut pas se faire C (diamant), SiCEnergie de liaison : trs faible, CH4 E= 8kJ/mol

trs leve, Carbone E= 711kJ/molProprits rsultantes : duret leve, temprature de fusion leve, conductivit

lectrique basse temprature

c) Liaisons mtalliques

La caractristique la plus importante des mtaux c'est leur conductivitlectrique assure par la mobilit de certains lectrons qu'on appelle lectrons deconduction. En premire approximation, les mtaux peuvent tre considrs commedes ions positifs immergs dans un nuage uniforme d'lectrons. La mobilitcaractristique des lectrons peut tre comprise en considrant les changements

nergtiques qui ont lieu dans la configuration lectronique lorsque des atomes se

Les liaisons qui assurent la cohsion des solides cristallins sont de deuxtypes : primaires et secondaires. Les liaisons primaires assurent les liaisons entreatomes. Les liaisons secondaires entre molcules.


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mettent ensemble pour former un cristal. Les niveaux individuels d'nergie deslectrons deviennent trs proches et peuvent tre considrs comme des bandescontinues. Dans les mtaux, les niveaux d'nergie permis se chevauchent et sontsaturs en lectrons. Ceci permet un mouvement relativement libre des lectrons d'unatome l'autre, sans ncessiter d'nergie supplmentaire trs leve comme il est lecas pour les dilectriques o l'nergie des lectrons doit augmenter (d'une bande l'autre) pour que la conduction soit possible.

Type de liaison : Nuage d'lectrons communs aux deux atomes, lectrons de valence

dlocaliss, liaison non directionnelleExemples : Les mtauxEnergies de liaison : Trs variables EHg= 68 kJ/mol (Tf=-39C)

Ew= 850 kJ/mol (Tf=3410C)Consquences : Bons conducteurs lectriques et thermiques

2. Liaisons secondaires

a) Liaisons de van der waals

Pourquoi une molcule polythylnique (polymres,Tf < 120 C) et le

carbone C diamant (Tf >3500 C) qui prsentent tous les deux des liaisonscovalentes ont-ils des tempratures de fusion aussi diffrentes (donc nergies deliaison) ?La chane -(C2H4)n- prsente en plus des liaisons covalentes (entre C-C et C-H),des liaisons dites secondaires qui assurent la cohsion de la longue chanemolculaire (structure spaghetti). Ces liaisons sont assures par des diples etprsentent des nergies trs faibles (de l'ordre de 10kJ / mol). Cette faible nergieinduit une faible cohsion de la molcule do une faible rsistance et le point defusion abaiss, cest le cas de ce type polymre. Ce type de liaison peut se retrouverdans certaines argiles.Au contraire C diamant ne prsente que des liaisons covalentes entre les diffrents

atomes de C d'o la duret est exceptionnellement importante et la temprature defusion est trs leve.

b) Liaisons hydrogneC'est un type de liaisons spcial mais assez commun dans les cristaux

organiques. Ces liaisons sont dues lion hydrogne qui assure le pont entre anions.La liaison hydrogne est ionique et ne peut se faire qu'avec des anionsd'lectrongativit leve (0--, F-).Exemple : Eau, glaceCe type de liaisons est responsable de la polymrisation de HF et de certains acidesorganiques, ainsi que de la formation d'un certain nombre de polymres inorganiques(pour adhsifs et ciments).3. Rcapitulation

Matriau Type de liaison TO de fusion (OC)NaCl Ionique 801

C (diamant) Covalente >3550-(C2H4) n- Covalente et secondaire


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Figure I-2 :Contribution des diffrents types de liaison pour les 4 catgories de matriaux

(Rej: J.F.Shackelford, 1992)

C. LES MATRIAUX CRISTALLINS

Ils sont reprsents par un modle tripriodique caractris par des paramtres

dits paramtres cristallins (a, b, c. Ce sont les distances entre les atomes les plus prochesdans les trois directions de l'espace.On dfinit aussi , et les angles que font les 3 axes (respectivement oy.oz, ox.oz etox.oy) entre eux. a, b,c et , , dfinissent un systme cristallin (figure 3).

Figure I-3 :Dfinition d'un systme cristallin

Dans la nature, il existe 7 systmes cristallins diffrents partir desquels sont dfinis 14rseaux dits rseaux de Bravais.

Systmes cristallins a, b, c ,, Rseau de BravaisCubique a=b=c ===90 primitif

centrfaces centresHexagonal a=bc ==90, =120 primitif

Quadratique a=bc ===90 primitifcentr

Orthorhombique abc ===90 primitifcentr

bases centresfaces centres

Rhombodrique a=b=c ==y 90 primitifMonoclinique

abc ==90primitif

bases centres


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Triclinique abc 90 primitif

1. Les structures cristallines

En gnral, les mtaux et cramiques cristallisent dans l'un des systmes suivants :

Systme cubique :* cubique centr : a=b=c

a = (3 = y = 90

Exemple : Mo, W,Cr, V, Fe

* cubique faces centres :

Exemple : Ni, Cu, Ag, Au, Pt, Al, Fe Systme hexagonal compact: a = b c= = 90, = 120

Exemple: Ti, Zn, Mg,

Co.

Systme quadratique : a =b c= = = 90

Exemples :Sn,Mn


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a, b et c sont exprims en Angstrom : 1 . = 10-8 cm

Exemple : Fe : a = 2,87 . - Cu : a = 3,609 . - Au :a= 4,078

Remarque : Les dessins des rseaux ne reprsentent pas rellement le cristal,ces modles sont clats pour bien visualiser la position des atomes. Il fautvoir le cristal comme un empilement de billes ou de balles de poing pong.

En ralit les atomes ne sont pas empils de cette faon, mais les sphrespeuvent tre choisies pour reprsenter le volume dans lequel l'influence del'atome s'tend.

Le rayon de la sphre reprsenteradonc la plus petite distance laquelle un atome peut treapproch, distance qui varie pourchaque type d'atome et qui est del'ordre de l'Angstrom (figurecontre) :

Allotropie : Certains mtaux ont plusieurs structures cristallographiques,chaque varit tant stable dans un domaine de tempratures dfini.

Exemple :

Fer Fe Fe d : CCFer I __ I ______________ I ____________ I... :C.F.C.

1538C 1394C 912C 20C : C.C.

Ti (CF.C) Ti (H.C.)Titane I _______ ____ I ________ I

Tfusion 882C 20C

2.Position, direction et plan atomiques

a) Position d'un atome :

Elle se repre suivant les trois directions de l'espace.

Les positions dans un rseau sont exprimes par des fractions (ou multiple) desdimensions de la maille lmentaire


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Figure I-4 : Position atomiques et directions cristallographiques

Exemples : A (1/2, 1/2, 0) B (1/2, 1/2, 1/2) C (0, 1/2, 0)Toute translation suivant un axe multiplie la position suivant cet axe par lenombre de translation

Exemple : C' = 2C C' (0, 1, 0)

b)Direction cristallographique :

D (1, 2, 1

Elle est note entre crochets et est dfinie par la position intercepte par la ligne trace partir de l'origine. Les directions sont toujours dfinies par les plus petits nombresentiers.

OB, par exemple, n'est pas [1/21/21/2], mais il faut multiplier par 2; c'estdonc [111] (qui est quivalent [222], [333])

Exemples : V1 [111] V2 [121] V3 [110] V4 [11 1]Les directions parallles qui ne partent pas de la mme origine ont les mmes

Indices. Exemple : V1 [111] V'l [11 ][111] et [11 et [1 1] et [11] appartiennent la mme famille dedirection. La famille est dsigne par ().Une direction est donc dfinie par : D = ut + vb + wc

c) Plan atomique :Il est not entre parenthses, Il est dfini par le multiple de l'inverse de laposition intercepte par le plan suivant les trois directions de l'espace.Pourquoi linverse ? Cette convention a t adopte pour s'affranchir de lanotion d'infini.


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Figure I-5 : Reprsentation des plans atomiques

Les indices qui dfinissent le plan sont dit indices de Miller et dsigns par (hkl)

pour (210) : suivant ox : 1/2suivant oy : 1suivant 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 dfinie

par le plus petit multiple entier des indices de Miller. Ainsi (020) ne peut pas

dfinir une famille car (010) est plus petit.

Une famille de plan est dsigne entre accolade :{hkI}Remarque: Pour le systme hexagonal deux notations peuvent tre utilis pourdsigner les plans, la dsignation classique dj vue (indices de .Miller) ou ladsignation qui fait intervenir un troisime indice: indices de Bravais-.Miller(hkil)tels que i= - (h+k)


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Miler : (a1a2c) : (010)Bravais-Miller (a1a2a3c) : (0110)

Figure I-6 : Dsignation d'un plan atomique dans un systme hexagonal

d) densits atomiques planaires et linaires

3. Les dfauts cristallinsNous venons de dcrire le cristal comme un arrangement continu et

parfait des atomes. Cependant la structure relle dun cristal nest pasparfaitement ordonne suivant toute lchelle. Elle est perturbe en certainspoints ou espaces, formant ainsi une discontinuit dans l'arrangementtridimensionnel. Ainsi, le mtal rel ne sera plus un seul cristal continu etparfait, mais un ensemble de cristaux. Les dfauts de continuit du rseau sontde 3 types : ponctuels, linaires ou de surface.

a)Les dfauts ponctuels

(1) Lacune :Les lacunes sont des vides lchelle atomique qui marquent labsence dunatome dans la structure. Elles sont en perptuel 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 entre

les atomes rgulirement placs. L'insertion ou la disparition d'un atomecre des distorsions dans le rseau.

Les dfauts ponctuels sont la base de la comprhension des phnomnesde diffusion l'tat solide. Ils expliquent la formation de solution solide A-B partir dlments simples A et B selon un schma dinterdiffusion

comme le montre la figure 1-7, ou d'autres phnomnes de diffusionimpliquent un dplacement atomique fig.I-8 et 1-9).


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Figure I-7 : Schma dinterdiffusion des matriaux A et B, rle des lacunes

Figure I-8 : Migration atomique par un mcanisme lacunaireExemples : Ni dans Cu, Al203 dans Mg0

migration finale de l'atome interstitiel aprs n sauts

Figure 1-9 : Migration atomique par un mcanismeInterstitiels Exemples : C dans Fe, N dans Fe

b) Les dfauts linaires : Les dislocations comment se

dforment les cristaux

Les dislocations sont des dfauts rsultant d'un dsordre dans

l'arrangement des plans d'atomes. Voyons ce qui va se passer si une partie


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d'un plan d'atomes (plutt quun seul atome) est limine (ou ajoute) : les

atomes vont se rarranger au niveau de la partie manquante

Dislocation (sur 3 dimensions on aura une ligne de dislocation)

Figure I-10 : Effet dune dislocation

Sur 3 dimensions, le dfaut va s'tendre comme une ligne perpendiculaire

au plan du papier dans la zone indique () : cette ligne est appeledislocation.

Figure I-11 : Dislocation (vue en trois dimensions)

Les dislocations existent dans tout cristal rel. La densit de dislocationsdans un mtal non dform est de 104 108/cm2.La notion de dislocations est la base de l'explication de la dformation plastique desmatriaux : Dformation =mouvement des dislocations

En effet, quand un matriau se dforme, ceci se fait par la propagation de la rupture des liaisons interatomiques (2), plutt que par la rupture simultane de toutes lesliaisons (1) comme illustr en figures 12 et 13.L'nergie E1 ncessaire pour engager le processus (1) est plus leve que E2,

l'nergie de dformation suivant le processus (2).


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Figure I-12 : Dformation dun matriau sous contrainte

E (1)> E (2)

Les difficults de se mouvoir sans N'est-il pas plus facile deun mcanisme de dplacement des dislocations glisser en se "dislocant" ?

Figure I-13 : dformation : mcanisme de glissement des dislocations(Rej : WC. Moss, Ph.D., universit de Californie, 1979)


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Figure I-14 : Le glissement ou dplacement des dislocations est plus facile en (2)Suivant les plans forte densit atomique (distance de glissementPlus faible) qu'en (1)

La dformation dun matriau correspond un glissement (ou dplacement)de dislocations. Si les dislocations se dplacent facilement, la dformation dumatriau considr est facile. Les dislocations ne se dplacent pas n'importe comment.Elles vont choisir le chemin le plus court et donc le moins nergtique. Comme lemontre la figure 14, les dislocations prfrent le glissement suivant des plans densescest dire les plans qui contiennent le plus d'atomes.Une augmentation de la densit de dislocations dans un matriau conduit au dur-cissement de celui ci. Ainsi, l'existence des dislocations explique pourquoi les ma-triaux sont rsistants, ductiles ou tenaces, etc. ...Les dislocations sont observables au Microscope Electronique Transmission(grande rsolution)

c) Les dfauts plan : Les joints de grainsLe mtal rel est une multitude de petits cristaux parfaits orients

diffremment. On dit qu'il est polycristallin. Comme dans un morceau de sucre, lescristaux ne sont pas physiquement spars. La frontire entre les diffrents cristaux estdes surfaces qu'on appellejoints de grains. Les grains se forment durant la solidificationdu mtal. Les joints de grains peuvent se dformer ou se dplacer sous l'action d'uneforce mcanique ou de la temprature. Ce sont des zones plus nergtiques que le graindu fait de l'arrangement spcial des atomes ce niveau (figure 15). La taille de grain d'unmtal a une influence sur les proprits de ce dernier.


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Figure I-15 : Arrangement des atomes au niveau du joint de grain

Un grain est un volume polydrique. Quand on observe la section d'un mtal aumicroscope optique, on observe une structure granulaire (figure16).

Figure I-16 : Structure granulaire des mtaux

Quand ces grains (ou cristaux) ont une taille de l'ordre de 0,1 mm chacun, ceci

correspond une dimension considrable l'chelle atomique (environ un milliond'atomes). En fait, cette taille varie entre 10 m et 10 mm. Dans lcm3 de mtal, on peuttrouver 10 millions de grains.

D. LES DIFFRENTS TYPES DE MATRIAUXlments constituants des cramiques par combinaison avec un mtal (+ Si et Ge)


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Figure1-17 : Contribution des lments chimiques dans la constitution des matriaux

Les matriaux sont dfinis partir de composition d'lments simples.D'aprs le tableau de classification des lments nous pouvons sortir les diffrentesclasses de matriaux.

1. Dfinition dun mtalLes mtaux sont des solides cristallins, ceci ne veut pas dire qu'ils sont

transparents comme le verre-cristal, non les mtaux ne le sont pas.Dans un cristal, lors du passage de l'tat liquide l'tat solide, les atomes se placentd'une manire ordonne dans les 3 directions de l'espace. On peut donc reprsenter uncristal par l'arrangement des atomes dans un espace tridimensionnel. Mais ceci est unesimplification. Les atomes ne sont pas fixes, ils vibrent autour d'une position moyenne.L'amplitude augmente avec la temprature mais elle est en gnral de l'ordre du 1/10medu diamtre de l'atome (il y a de la vie dans les mtaux !).

Le mtal est dfini comme suit : C'est un assemblage d'ions positifs immergsdans un nuage d'lectrons, les lectrons de ce nuage tant libres. Les cristauxmtalliques sont lis entre eux par des forces d'attraction lectrostatiques entre ceslectrons libres (-) et les ions mtalliques (+); ceci est appel liaison mtallique (voirchapitre prcdent).

Les lectrons libres confrent aux mtaux leurs principales proprits. Lesproprits particulires qui caractrisent l'tat mtallique sont :

Ce sont de bons conducteurs d'lectricit et de chaleur Ils sont susceptibles d'mettre des lectrons sousl'effet de l'chauffement Ils sont solides la temprature ambiante (sauf Hg) Leur mise en forme est relativement facile (bonne plasticit)

Ils sont opaques (bonnes aptitudes la rflexion)Les matriaux mtalliques sont un mlange chimique de mtaux ou demtaux et mtallodes (o le mtal est majoritaire). Nous citerons les plus connus :l'acier et la fonte (Fe+C), le bronze (Cu+Sn), le laiton (Cu+Zn).

2. Les matriaux cramiquesLes nouveaux cramiques sont, par opposition avec les cramiques

traditionnelles (poterie de Nabeul), des carbures, oxydes et/ou nitrures de mtaux. Lesplus typiques sont Si02, Ab03, SiO2. Ce sont des matriaux durs, fragiles, rsistants haute temprature (rfractaires), isolants de l'lectricit et de la chaleur etextrmement rsistants l'environnement (corrosion).Ils peuvent tre cristallin, non cristallin ou un mlange des deux.

3. Les polymresOn les appelle communment des plastiques mais il est plus correcte de les

appeler polymres ce qui veut dire qu'ils sont constitu de plusieurs (poly) -mres(molcule d'hydrocarbures comme C2H4). Cest donc des composs organiques dont leslments principaux sont le C et le H. lorsqu'un lment supplmentaire intervient unenouvelle famille nat.C, H exp. polythylneC, H, O exp. acryliques, polyestersC, H, N, O exp. nylonsC, H, F exp. fluoroplastiques

C, H, Si exp. Silicones


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C, H, CI exp. C, H, CI : PVCCe sont des matriaux de faible rsistance mcanique, de faible densit et d'unegrande plasticit. Leur structure est gnralement non cristalline.

4. Les matriaux compositesComme leur nom l'indique, ces matriaux sont une composition des matriaux

prcdemment cits. L'exemple type courant du composite est le bton (Ciment + acier)ou le bois qui est constitu de rsine (polymre naturel) et de fibres de cellulose. Plusrcemment, on parle assez souvent de fibres de verre qui sont en ralit des fibres deverres noyes dans une matrice polymres (cramique+polymre). C'est doncgnralement une matrice d'un matriau donn dans lequel seront noys soit des fibresoit des agrgats d'un autre matriau. Ainsi ces matriaux combinent les proprits desmatriaux qui les constituent. Les fibres de verre noyes dans un polymre donnent unmatriau qui a la rsistance du verre et la flexibilit du polymre. Cependant cesmatriaux auront des proprits mcaniques fortement anisotropies (dpendent du sensde l'effort appliqu).


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II. INTRODUCTION AUX ACIERS ET AUX FONTE

La mtallurgie du fer a t pour l'homme une aventure. L'homme primitifa longtemps travaill le fer mtorique avant d'apprendre utiliser les mineraisferreux. Il le travaillait avec des outils en pierre (silex). Du fait de la raret du fermtorite, celui ci tait considr aussi prcieux que l'or sinon plus. Il avait aussiune valeur mystique puisqu'il venait du ciel, et pour plusieurs anciennescivilisations, l'tymologie du mot qui dsigne le fer veut dire "mtal du ciel :Sumrien "An-Bar" (ciel-feu, mtal cleste), Assyrien "Parzillu" (grand mtal),gyptien "Biz-n.pt" (mtal du ciel), Grec "Sideros" (Sidus,-eris : toile).

L'ge du fer proprement dit n'a pas dbut avec le fer mtorique, mais avecl'exploitation du minerai de fer terrestre. Les historiens fixent vers 1200-1000 avant

J.C. les dbuts de la mtallurgie industrielle, lorsque l'homme a dcouvert commentfaire fondre le minerai pour extraire le mtal. Ceci a donn lieu plusieurs sicles plustard ( la fin du 19me sicle) la naissance et la promotion de l'industrie lourde dont lepilier principal tait la sidrurgie.

Depuis, les matriaux mtalliques les plus utiliss en constructionmcanique sont les aciers. Ce sont les matriaux de base des pays industrialiss.Ceci est d plusieurs facteurs; d'abord l'abondance du fer (lment principalconstituant l'acier) sur notre plante, ensuite la diversit des proprits qu'ilspeuvent avoir suivant les lments d'alliage qu'on y ajoute ou les traitements qu'ilssubissent. Cette diversit largit considrablement l'ventail des utilisations des

aciers. C'est pour cette raison qu'en mtallurgie, on commence toujours par l'tudedes aciers qui sont dfinis comme tant des alliages base de fer contenant moinsde 2 % en carbone. Leur tude commence donc par la connaissance du diagrammed'quilibre qui leur est associ :

Le diagramme Fer Carbone.

A. PROPRITS DU FER PUR

1- Le fer pur existe sous 2 formes allotropiques : T < 910 C et 1394 C < T< 1538 C

Le fer une structure cubique centre et est not fer a pour les bassestempratures et fer pour les hautes tempratures.

910 C


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RM (charge la rupture) : 18 30 daN/mm2 RE (limite d'lasticit) : 10 17 daN/mm2 HB (duret Brinell) : 45-55 A % allongement) : 40-50

Le fer n'est que trs rarement utilis l'tat pur, d'abord son obtention cote trs cher,ensuite il a de meilleures proprits quand il est alli. Le fer est extrait de son mineraipour l'obtention de 2 alliages principaux :

La fonte : % en carbone > 2 L'acier : % en carbone < 2

Le principal lment d'alliage des fontes et aciers est donc le carbone. Jusqu'en1771, le rle du carbone dans le fer tait ignor et tous les progrs taient purementempiriques. Chez les artisans, ce rle est encore mconnu. Le professeur Cyril Stanley

Smith (Mtallurgiste trs connu) dans" The discovery of Carbon in Steel" (Technologyand culture, vol. V, N2, 1964) raconte qu'il a demand un jour de 1962 un trs habile etrput forgeron dIran : " Quelle est la diffrence entre le fer et lacier ?" et celui ci luirpond : " Fer et Acier sont 2 espces aussi diffrentes que le saule et le chne"(Encyclopeadia Britannica, Ed.1981)

B. LE DIAGRAMME FER-CARBONE

Le diagramme Fe-C est une carte qui peut tre utilise pour suivre les squencesde solidification des alliages Fe-C et pour savoir ce qui se passe au cours de certains typesde traitements thermiques.

Ce diagramme peut tre considr comme un guide, cependant la plupart desaciers contiennent, en plus du carbone, d'autres lments d'alliage qui modifient laposition de certaines courbes. Par ailleurs, le diagramme Fe-C ne peut tre utilis que dansles conditions d'quilibre (refroidissement vitesse trs faible). Or plusieurs traitementsthermiques se font dans des conditions hors d'quilibre.

Pour les alliages Fe-C, on distingue 2 types de diagramme : le diagrammemtastable 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 dcomposer en graphite. Cependantce phnomne n'a jamais lieu dans les aciers. Il a, par contre, lieu dans les fontes. C'estpour cette raison que pour les aciers, c'est le diagramme Fe-Fe3C qui est exclusivement

utilis, alors que la technologie des fontes est beaucoup plus base sur le diagramme Fe-Cgraphite.

1. Diagramme Fe-Fe3C(Fer-Cmentite)

Le diagramme comprend 3 paliers caractristiques qui correspondent 3 typesde transformation :

T = 1495 C : Transformation pritectique T = 1148 C : Transformation eutectique T = 727 C : Transformation eutectode

On distingue aussi 5 phases diffrentes (5 domaines monophass) : La phase liquide vers les hautes tempratures


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La phase solidequi est une solution solide du carbone dans le fer , cettephase est appele ferrite. La solubilit maximale du carbone dans cette phase est de 0,1% et correspond la temprature T=1495 C. Comme le ferla fer est cubique centre

La phase solidequi est une solution solide du carbone dans le fer , elle estdite

Austnite . La solubilit maximale du carbone dans cette phase est de 2,11 % T=1148 C Comme le fer, l'austnite est C.F.C. La phase solide a qui est une solution solide du carbone dans le fer , elle est dite

ferrite . La solubilit maximale du carbone dans cette phase est de 0.0218 T=727 CComme le fer la ferrite est CC

Le compos dfini Fe3C, dit cmentite dont la composition en carbone est de6,67%. La structure cristallographique de Fe3C est orthorhombique.

On note d'une manire particulire certains points de transformation : AC1 : ------> + Fe3C (727 C) AC

3:

------>(dbut de transformation de enau chauffage et AR

3au

refroidissement) ACm :------> Fe3C (dbut de transformation de y en Fe3C au chauffage et ARm

au refroidissement)

Nous allons nous intresser 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% en

masse 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 suprieure du diagramme (figure II-1) qui prsente unpalier pritectique; 3 cas se prsentent :

Cas 1 : Au cours de la transformation pritectique, c'est le liquide qui disparat :Liquide + ------>Cas 2 : La fin de la transformation est marque par la disparition des 2 phases L et .Liquide + ------>

Cas 3 : C'est qui disparat la fin de la transformation pritectique.Liquide + ------>


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Figure II-1 : Partie suprieure du diagramme dquilibre binaire Fer-C


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ACIERS : TRANSFORMATIONS SOLIDE-SOLIDE

b) Transformation Solide-Solide

C'est des transformations trs importantes connatre tant donn que tousles traitements effectus sur les pices mtalliques aprs laboration se font l'tat


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solide. La partie du diagramme Fe-Fe3C concerne est la partie infrieure qui prsenteun palier eutectode 727C (figure II-2).

Figure II-2: Partie "Aciers" du diagramme Fer-Cmentite

Remarque :- SE courbe de limite de solubilit du C dans le feren ce point il y a prcipitation du Cdu fer sous forme de Fe3C.- MN courbe de limite de solubilit du C dans le fer : en ce point il y a prcipitation duC du fer a sous forme de Fe3C.

Nous distinguerons 2 types d'acier suivant le % en carbone. Ils seront reprs par rapportau point eutectode E (0,77%C) :

(1) Les aciers hypoeutectodes (0/0218 < %C < 0/77)

Remarque : Quand %C augmente, AC3 diminue

* Processus de transformation d'un acier de composition Xl : en AC3 : dbut de latransformation ------> pro + y res


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en AC1 : transformation eutectode :res------> ( + Fe3C)( + Fe3C) est un compos biphas nomm perlite, il se prsente sous forme de lamellesalternes de et F e3C.res :rsiduelle

pro : proeutectode (forme avant le palier eutectode)* Qualit du produit final : proeutectode +perlite ( + Fe3C)

proeutectoide

de

+ Fe3C= compos eutectoide= perlite

* Quantit : proeutectode : T = 727C + m _= (0,77 - Xl)m (0,77 - 0,0218)perlite : % res ( T=727C+ ) = % perlite ( T=727C- )

= (Xl - 0,0218)(0,77 - 0,0218)

= m perlitem

Quand Xl augmente, % diminue et % perlite augmente

* Que se passe-t-il au cours du refroidissement ?Quand T diminue, la solubilit du carbone dans diminue. Au point AC3, setransforme en moins riche en carbone, se formera au niveau des joints de grains de . Cette transformation se poursuit quand la temprature diminue. est alors enrichieen C (courbe AC3-E'). Quand la teneur en carbone atteint 0,77 (E), la transformation

eutectode a lieu temprature constante (v=0) jusqu' l'puisement de.

(2) Les aciers hypereutectodes : 0,77 < %C < 2,11

Remarque : Quand %C augmente, A3 augmente.


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* Processus de transformation d'un acier de compositionX2 : en A3 : dbut de la transformation ------> Fe3CII + resen AC1 : transformation eutectode res ------> (+ F e3CIII)

* Qualit du produit final :F e3CII + (+ Fe3CIII) = perlite

* Quantit :Fe3CII ( T = 727C + )mFe3C = (X2 - 0,77)m (6,69 - 0,77)perlite : % res ( T=727C+) = % perlite ( T=727C-)mres = 1- mFe3C

m m_ (6,69 - X2)(6,69 - 0,77)

= m perlitem

Quand X2 augmente, %Fe3CII augmente et % perlitediminue.

Remarques :

1- La teneur du constituant proeutectode est beaucoup plus importante dans le cas desaciers hypoeutectodes que dans celui des aciers hypereutectodes, et ceci pour un cartidentique du point eutectode.

I____________ I __ I __ I __// _____________ I0' N E N'

EN==E'N'

Acier hypoeutectode : proeutectode =

Acier hypereutectode : ' Fe3Cproeutectode=

Or E'Q' (6,69-0,77=5,92) est trs suprieur O'E'(O, 77-0,0218=O, 7482) doncaproFe3Cpro. Ceci se manifeste au niveau de l'aspect micrographique des structures desaciers; en effet, les aciers hypereutectodes sont toujours principalement constitus deperlite.

2- Pour X = 0,77%, la structure est 100% perlitique, il en est de mme pour les teneurstrs proches de 0,77.


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+ Fe 3C =compos eutectoide= perlite

3- Pour X < 0,0218 (ou proche), la phase dominante est la ferrite avec quelquesprcipits de cmentite aux joints de grains.

3. Les fontes ordinairesLes fontes sont des alliages Fe-C dont le % en C va de 2 6. Pratiquement

les fontes contiennent de 3 4% en C.On dsigne par fontes ordinaires des fontes qui n'ont pas subi de traitements

particuliers aprs coule (mis part les traitements thermiques ordinaires). Leursolidification est donne par la partie droite du diagramme d'quilibre. Quand le carboney existe l'tat libre (graphite) on parle de fontes grises et on se rfre au diagramme Fe-C stable, dans le cas o il apparat l'tat combin avec le fer (Fe3C), on parle de fontesblanches et on se rfre au diagramme Fe-Fe3C mtastable. La caractristique de cesfontes par rapport tous les autres alliages Fe - C c'est leur faible cot.

a) Les fontes grisesElles contiennent le carbone sous forme de graphite (figure II-3). Le % en

carbone des fontes grises se situe autour de 4,3%, celui de l'eutectique, ceci entrane unebonne coulabilit et une faible tendance la retassure (vides dans le lingot dus auphnomne de retrait au passage de l'tat liquide l'tat solide).


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Figure II-3 : Aspect microstructural des fontes grises. (a) Aspect des lamelles de graphite,(b) fonte grise ferrito-perlitique : les lamelles de graphite sont entoures d'auroles blanches

de ferrite, le fond sombre est de la perlite.

Le graphite donne aux cassures un aspect gris d'o 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 pointills diagramme mtastable et enligne continue diagrammestable

(1)Les fontes hypoeutectiques (2 < %C < 4,3)Processus de transformation depuis l'tat liquide :TE (+C graphite)eutectique : Ledburite (le carbone yest sous forme de lamelles)TE


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T=TE : transformation eutectode. Seule se transformera cette temprature selon laraction ------> + Fe3C.

Trois types de fonte peuvent se former la suite de ce processus :- fonte hypoeutectique hypereutectode : graphite lamellaire + F e3C proeutectode + perlite- fonte hypoeutectique eutectode : graphite lamellaire + perlite- fonte hypoeutectique hypoeutectode : graphite lamellaire + ferrite proeutectode + perlite

La formation de l'une ou l'autre de ces fontes dpend de la composition enC et Si ainsi que de la vitesse de solidification (dtermine par l'paisseur dumoulage). On peut savoir en fonction du carbone quivalent (C+1/3Si) et del'paisseur du moule la structure qu'on obtiendrait et ceci partir du diagramme deSIPP (figure II-5). Ainsi apparat la ncessit pour les fontes grises de choisir la

nuance en fonction du dessin de la pice.

Figure II-5 : Diagramme de SIPP dfinissant la microstructure de la matrice d'une fonte grise

en fonction de l'paisseur du moule

(2) Les fontes hypereutectiques (%C > 4,3)Processus de transformation depuis l'tat liquide :TE


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l'tat brut de coule; en gnral aucun traitement thermique ultrieur n'est souhaitsauf dans le cas des trempes superficielles.Les FG sont d'une manire gnrale faciles usiner (duret : 170 270 HB), mais

elles ont une tnacit mdiocre cause du graphite.Par ailleurs ce sont les fontes les plus utilises pour les btis de machine du fait deleur grande capacit d'amortissement des vibrations et leur tenue au frottement(favorise par la prsence de graphite qui est un excellent lubrifiant). De plus, leurcharge la rupture par compression est de 3 5 fois plus grande que celle latraction.Dsignation : Ft Rm (daN/mm2),exemple : Pt 10 fonte grise dont Rm=10 daN/mm2.

b) Les fontes blanchesLe carbone y existe l'tat de Fe3C. Le Fe3C donne la cassure un

aspect blanc et brillant d'o le nom de fontes blanches. La formation de la fonte

blanche est favorise par certains facteurs :- la teneur en carbone, plus elle est leve (vers l'eutectique), moins la formationest probable- la composition ne doit pas contenir des lments favorisant la formation degraphite (Si, Al Ti, Ni, Cu). Il faudrait des lments carburignes (Mn, Mo, Cr, V)- une vitesse de refroidissement leve favorise la formation de fonte blanche.

Comme pour les fontes grises, il existe des fontes blanches hypo ethypereutectiques. Leur solidification suit exclusivement le diagramme mtastableFe-Fe3C. Il est signaler que dans le cas de la fonte blanche, le composeutectique (la ledburite) garde son aspect malgr la transformation de l'austnitela constituant.

(1) Fontes blanches hypoeutectiquesLes squences de transformation de cette fonte partir de l'tat liquide

sont :- formation de y proeutectique (jusqu' 1148C)- 1148C : formation de ledburite (+Fe3C)- formation de cmentite proeutectode et appauvrissement de en carbone(Jusqu 727C)- 727C : l'austnite a un % en C=O, 8; elle se transforme totalement en perlite.Structure l'ambiante (figure II-6) : Fe3C eutectique et proeutectode + perlite (de

proeutectique) et perlite (de eutectique).


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Figure II-6 : Aspect microstructural d'une fonte blanche hypoeutectique dont le % en Cest proche de 2,11. Plages noires : perlite, plages blanches : cmentite. X 200(2) Fontes blanches hypereutectiques

Les squences de transformation de cette fonte partir de l'tat liquide sont :-Formation de Fe3C primaire (ou proeutectique) (jusqu' 1148C)- A 1148C : formation ledburite (+Fe3C)- Formation de Fe3C secondaire (ou proeutectode) (jusqu' 727C)- A 727C : transformation totale de y eutectique en perlite

Structure l'ambiante (figure II-7 b) : matrice de Fe3C (eutectique +proeutectode) + plaquette de Fe3C primaire + perlite (de eutectique)

Figure II-7 : Aspect microstructural de la fonte blanche (a) eutectique (%C=4,3), plagesmouchetes :

ledburite, plages noires : perlite. (b) hypereutectique, plaquettes blanches de cmentite + plagesmouchetes de ledburite.

(3) Proprits des fontesblanches

Les fontes blanches sont dures et fragiles, elles sont inusables. Elles


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sont obtenues pour des vitesses de refroidissement assez leves et destempratures de coules basses; c'est pourquoi on les appelle parfois fontestrempes. Elles sont trs peu utilises dans l'industrie sauf dans le cas o leur

grande rsistance l'usure et l'abrasion est requise (boulets de broyeurs,mchoires de concasseurs, plaques d'usure) Dsignation : FB (FBO : non allie,FBA : allie)

C.LES DIFFERENTES STRUCTURES DES ACIERS ET DES FONTES

Nous avons dfini lacier et la fonte comme tant des alliages base de fer. Nous avonsaussi vu le processus de solidification de ces alliages suivant leur pourcentages en carbone dans lesconditions dquilibre et ceci partir du diagramme binaire Fe-C.

Les conditions dquilibre supposent que le refroidissement a lieu des vitesses faiblespour permettre aux atomes de diffuser et former des diffrentes phases dquilibre. Il est vident queles structures qui nous intressent sont celles qui existent la temprature ambiante, aussi allonsnous porter notre tude sur les transformations en solution solide uniquement. La transformationsolide-solide qui nous concerne aussi bien les aciers que les fontes est celle de laustnite gammaque nous avons vue lors de ltude du diagramme binaire Fe-C. Cependant, les refroidissement desvitesses lentes ne sont pas ceux qui sont frquemment pratiqus pour 2 raisons, les refroidissements vitesses leves sont plus rapides et donc dun usage plus pratique, mais la raison principale estque celui-ci confre aux aciers des structures quon appelle hors dquilibre qui ont des proprits

mcaniques diffrentes et diverses. Aussi, allons nous diviser la prsentation des structures de lacieren deux : Les structures dquilibre et les structures hors dquilibre.

1. Les structures dquilibreCe sont des structures quon obtient dans les conditions o la diffusion des atomes est

possible. Les transformations qui leur donnent lieu sont dites contrles par diffusion.

Elles ont lieu dans les aciers au carbone et les fontes ordinaires quand lerefroidissement de laustnite es relativement lent.

a) La ferrite

La ferrite a est relativement douce (duret = 80 HB), sa rsistance maximaleRm varie de 25 45 daN/mm2 et sa limite dlasticit Re = 12 daN/mm2. Cest lecompos proeutectode pour les aciers hypoeutectodes. Elle se prsente soit sous formede grains arrondis (ferrite granulaire) ; la ferrite ainsi forme ayant germe et stantdvelopp le long des joints de grains de la phase mre austnite (figure II-8 a) soit sousforme allonge (ferrite aciculaire) due une vitesse de refroidissement lgrementsuprieure celle des conditions dquilibre, la structure est dite WIDMANSTATTEN(figure II-8b). Cette ferrite nat aux joints de grains et se dveloppe lintrieur du grain.


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Ferrite granulaire (x250) b- Ferrite aciculaire (xl00)(Structure de Widmanstatten

Figure II-8 : Diffrentes morphologies de la ferrite

b)La cmentite

C'est le compos proeutectode qui se forme dans les aciers hypereutectodes; Ilse forme aussi dans les fontes blanches. C'est un carbure F e3C, par consquent sa duretest trs leve (1000HV), c'est un produit fragile. Dans les aciers, comme la ferritegranulaire, la cmentite se forme aux joints de grains de la phase et s'y dveloppe. C'estpour cette raison que la cmentite apparat toujours comme des lisers blancs quidessinent les contours des anciens grains de (figure II -9a)

a - Acier hypoeutectode b- Perlite sphroidise(Cmentite + perlite) (X 500) (X2000)

Figure II-9 : Diffrentes prsentations de la cmentite et la perlite

Dans les aciers hypereutectodes usuels (% C ne dpassant pas 1,2%),le pourcentage maximal de Fe3C qui peut se former est de 7%. La cmentiteainsi forme peut porter prjudice certaines proprits importantes de l'acier,notamment son usinabilit et sa tnacit. Certains traitements sont donc

appliqus aux aciers pour liminer les lisers de cmentite (figure II-9 b) et lui


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donner un aspect de sphre (sphrodisation).

c) La perlite

Compos biphas comportant des lamelles alternes de et Fe3C, c'est lecompos eutectode. Sa duret varie entre 180 et 250 HB, sa rsistance maximale estautour de 83 daN/mm2.

La distance d entre 2 lamelles de Fe3C dpend de la temprature T laquelle laperlite s'est forme ou de la vitesse de refroidissement (VR). Quand T diminue, d diminueet quand VR augmente, d augmente. De d dpendra la rsistance de la perlite :

d=l m R = 63 daN/mm2(figure II-l0a)d= 0,5m R= 75 daN/mm2 (figure II-l0b)d=0,2 m R= 110 daN/mm2

d < 0,1 m R= 250 daN/mm2

a- Perlite (d=l m) b-Perlite (d


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bien les phases eutectodes que la perlite prennent naissance (germent) au niveau desjoints de grains de cette phase qui est la phase mre. Ainsi, si les grains de cette phasesont gros, il y aura peu de joints de grains, donc peu de sites de germination et la

transformation de l'austnite sera retarde (tant stabilise). De plus, il y aura unerelation entre la taille des grains de et celles des grains des phases qui se forment : plussera fine plus les produits seront fins et la rsistance de l'acier meilleure. La taille dugrain de dpend de la temprature et du temps auxquels on maintient l'acier avantrefroidissement.Quand T et t augmentent, le diamtre du grain augmente. Dans les aciers et les fontesqui contiennent des lments d'alliage, l'austnite peut tre prsente la tempratureambiante} et par consquent stabilise si les lments sont gamma gnes (Ni, Co,Mn)Morphologie : l'austnite se prsente sous forme de grains polygonaux (figure II-11).Elle peut avoir des durets trs leves jusqu' 800 HB) et des rsistances importantes(R=90 daN/mm2)suivant les lments d'alliage.Sa limite d'lasticit dans ce cas sera trs faible.

Figure II-11: Morphologie de laustnite2. Les structureshors d'quilibre

a) La martensite (du nom d'Adolf Martens, allemand)Lorsque la vitesse de refroidissement d'un acier port haute temprature est

trs leve, on n'est plus dans les conditions d'quilibre.Ainsi, les atomes de carbone de l'austnite (haute temprature) n'auront pas le temps dediffuser lors du refroidissement rapide. Ils resteront emprisonns dans le rseau de laferrite alpha (basses tempratures) qui normalement ne peut pas les contenir (limite desolubilit du carbone dans a 727C : 0,025%). Ils dformeront ainsi le rseau qui setransformera alors de cubique faces centres () en quadratique centr identifi par les

paramtres c et a : C'est la martensite qui est dfinie comme tant une solution solide


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sursature en carbone.Quand %C augmente, c/a augmente et la ttragonalit du rseau sera plus prononce(figure II-12).

Cette dformation du rseau} qui se fait par cisaillement (la transformationmartensitique est dite militaire comparativement aux transformations diffusionnelles diteciviles), entrane des distorsions et donc le durcissement de l'acier. La martensite seradonc une phase dure (HRC=73).

Figure II-12 : Variation des paramtres a et c de la martensite en fonction de la teneuren carbone dans les alliages Fe-C (Ref .1)

(1) Cintique de la transformation

La transformation qui engendre la martensite (transformation martensitique)dpend uniquement de la temprature. Elle ne peut pas se poursuivre si la diminutionde la temprature ne se poursuit pas (dT/dt=0) : elle est athermique. L'quation quidonne la cintique de cette transformation est la suivante :

F = 1- e-(l, 1610-2 T)(Koistiner et Marburger)

o f est la fraction volumique de martensite (pour les alliages Fe-C de 0,37 1,1 %C)

La temprature de dbut de transformation de la martensite est plus oumoins basse suivant la composition de l'acier. Elle est note Ms (Martensite Starting).L'influence des diffrents lments d'addition sur Ms ne peut tre dfinie d'unemanire univoque et rationnelle.

Certaines formules caractre empirique ont t proposes, elles donnent


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une ide sur l'volution de Ms mais ne peuvent tre 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 s'tend de Ms Mf(Martensite Finishing) qui est une temprature trs souvent infrieure l'ambiante.Ainsi, lorsque le refroidissement est arrt la temprature ambiante, latransformation austnite (------martensite ne sera pas complte et il persistera del'austnite non transforme (ou austnite rsiduelle). La martensite est donc la raisondu durcissement des aciers lors d'un refroidissement brusque on dit que c'est leconstituant de trempe. Mais sachant qu'une duret leve engendre la fragilit dumatriau, la martensite sera donc responsable de la fragilit du matriau.

Par ailleurs, tant donn que le carbone est responsable de la grande duret de

la martensite (pour les aciers au carbone), la martensite sera d'autant plus dure que le %en carbone est lev. Il est donc pratiquement impossible d'obtenir de la martensitequadratique centre pour les aciers ayant despour_cent en carbone infrieurs 0,2. C'estpourquoi les aciers au carbone sont classifis de cette manire :

Hypoeutectodes hypereutectodes

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 duret de trempe n'augmente plus. Si on dpasse cepourcentage, pour augmenter la duret, il faut ajouter des lments d'alliage qui ferontprcipiter le carbone en excs sous forme de carbures durcissants. Ms et Mfvont diminuerquand le pourcentage en lments d'alliage favorisant la phase austnitique augmente. Ceslments sont dits gammagnes. Ms peut atteindre des valeurs trs faibles, c'est la cas desaciers inoxydables 18-10 (18% Cr et 10%Ni) qui mme refroidis dans l'eau glaceconservent une structure austnitique (il faut refroidir dans l'azote liquide -200C pouravoir de la martensite).


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Figure II-13 : volution de la duret en fonction de la teneur en carbone

pour des structures trempes (Ref1)

La martensite est facilement caractrisable au microscope, elle se prsente sousforme de paquets daiguilles allonges et rgulires. Elle peut exister sous lune des deuxmorphologies suivantes : en lattes ou en plaquettes (figure II-14).

Lattes de Martensite Plaquettes de Martensite

Figure II-14 : Diffrentes morphologies de la Martensite, x1000, (Ref3)

Les lattes se prsentent au microscope sous forme de paquets d'aiguillescourtes et fines. Les plaquettes sont plus grandes et plus larges. La prsence del'une et/ou de l'autre morphologie de la martensite dpend du % en carbone (figure


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II-15). Quand le %C augmente, la probabilit d'obtenir des plaquettes devient plusgrande.

Figure II-15 : morphologies de la Martensite en fonction

du % en carbone

b) La bainite (du nom d'Edgar Bain, Amricain)

Quand la vitesse de refroidissement n'est pas trs leve, mais intermdiaire, il seforme un compos intermdiaire entre la martensite et la perlite qui groupe certainesproprits de chacune des deux structures : c'est la bainite. Comme la perlite celle-ciest un compos biphas contenant de la ferrite + cmentite; comme la martensite ellese prsente sous forme d'aiguilles de ferrite dans lesquelles est rpartie la cmentite.Ainsi la transformation bainitique est permise par la diffusion partielle des atomes decarbone (transformation perlitique) et par le cisaillement (transformationmartensitique). Du fait quelle est galement assure par la diffusion, latransformation bainitique peut progresser mme dans les conditions isothermes.

Bainite suprieur Bainite infrieur


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Figure II-16 : Morphologies de la bainite, x250

Les aiguilles de bainite seront d'autant plus fines que la vitesse de refroidissement estleve ou que la temprature est basse (dans les conditions isothermes) ; on distingue

ainsi trois types de bainite :-bainite suprieure : pour les tempratures relativement hautes, elle est proche de laperlite, la structure se prsente sous forme de lamelles de ferrite a entre lesquelles setrouvent les prcipits de cmentite Fe3C,-bainite moyenne-bainite infrieure : pour les tempratures basses, elle est proche de la martensite, lesaiguilles sont trs fines et ne peuvent pas tre rsolues au microscope optique. Lescarbures de cmentite y sont trs petits et parallles.La bainite est assimile 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 duret plus leve.


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V. AMELIORATION DES PROPRIETES MECANIQUEDES MATERIAUX METALLIQUES PAR TRAITEMENTSTHERMIQUES DANS LA MASSE

Les traitements thermiques se divisent en deux grandes catgoriesprincipales :-les traitements thermiques de base ncessaires pour amliorer l'homognisation de lastructure et rechercher l'tat d'quilibre; il s'agit d'oprations effectues sur pices oulingots bruts de coule (recuits).- les traitements thermiques orients vers les applications pour crer des structures leplus souvent hors d'quilibre et qui permettent d'amliorer la rsistance la

dformation, au choc, l'usure, la corrosion (trempes et revenus). Pour cettedeuxime catgorie le traitement peut tre gnral lorsqu'il est appliqu toute lapice, local ou partiel lorsqu'il concerne une partie de la pice, gnralement la surfacemais ce dernier sera dvelopp au chapitre suivant.

Nous avons dj vu par l'tude du diagramme d'quilibre Fe-C que destransformations en phase solide pouvaient avoir lieu et plus explicitement latransformation de la phase (austnite). Mais le diagramme Fe-C reste en ce sens trslimit car il ne traduit que les transformations pouvant se faire pour desrefroidissements continus vitesses lentes (recuits).Mais que se passerait-il si on refroidissait rapidement un acier jusqu' une tempratureT telle que Ms < T < Ac1, et qu'on le maintenait cette temprature ?Et si on dviait des conditions d'quilibre en refroidissant un acier d'une manirecontinue des vitesses leves et diffrentes, quelle serait chaque fois lamicrostructure de l'acier et les proprits mcaniques correspondantes ?A ces questions importantes aussi bien sur le plan fondamental (comprhension descintiques de transformation) que celui de l'ingnierie des matriaux (slection desproprits dsires par la slection du traitement thermique appropri), des courbesexprimentales ont t tablies : les courbes TIT et TRC

A.LES COURBES TTT

Nous avons pu d'aprs le diagramme d'quilibre Fer-Carbone suivrel'volution de la structure de diffrents aciers au carbone avec la temprature, lavitesse de refroidissement tant trs lente; la transformation eutectoide(transformation perlitique) est la plus importante. Cette transformation peut avoirlieu dans d'autres conditions notamment par maintien de l'acier tempratureconstante pendant des dures plus ou moins longues. Cette temprature e serainfrieure la t temprature de l'eutectoide (727C). Le traitement correspondantconsistera rendre l'acier austnitique par un maintien dans le domaine, puis de leporter rapidement dans un bain temprature constante. L'acier est alors

maintenu pendant des dures diffrentes diffrentes tempratures, puis observ


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pour identifier les phases formes ainsi que le taux d'austnite transforme. Tousles rsultats sont reports sur un diagramme temprature log10t (temprature detransformation, temps, domaine de chaque phase). Les courbes TTT les plus simplesse prsentent en gnral comme reprsent 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 manire suivre l'volution de latransformation en fonction du temps.* Les diffrentes phases de l'acier sont notes comme suit :

A : austniteF : ferriteC : cmentite

M : martensite

Quand il est not (FOC), le compos correspondant peut tre la perlite ou bainite.La bainite existe pour les basses tempratures et la perlite pour les tempraturesplus leves

1) : courbe de dbut de transformation(2) : transformation de 50% de l'austnite(3) : courbe de fin de transformation

* Les courbes TTT sont limites dans leur partie suprieure par la temprature de


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l'eutectoide et dans leur partie infrieure par le point Ms. En dessous de ce point lemaintien isotherme, d'aussi longue dure qu'il soit, ne fait pas voluer latransformation martensitique puisque celle-ci est indpendante du temps et ne peutse poursuivre si dT/dt=0.

Exemple de suivie de la courbe TTT (figure V-1), pour la temprature Tr ti : la transformation dbute par la formation de ferrite + cmentite partir de

l'austnite. Dans ce cas F+C est la perlite t1/2 : 50% de l'austnite s'est transforme en (F+C) tf : la totalit de l'austnite s'est transforme en perlite

La verticale limitant droite le diagramme TTT indique la duret de la structurefinale aprs un maintien de 24h, les courbes TIT n'tant pas dfinie - en gnral- pourdes dures de maintien plus leves.En eutectique donc eutectique = Liqres= c) T=TE total =* Mcanisme des transformations isothermes: Aux tempratures leves (proche de latemprature d'austnitisation), la tendance la transformation A------->F+C est faiblepuisque le domaine de l'austnite est proche, en effet l'austnite est d'autant plus stable

qu'on s'approche de son domaine d'existence.Au fur et mesure que la temprature de maintien isotherme diminue, la tendance latransformation de l'austnite augmente, mais la diffusion devient plus difficile, la structurersultante est donc de moins en moins proche de l'quilibre. Pour une tempraturesuffisamment basse (Ms), la transformation se fait ds que le mtal atteintCette temprature. Il n'y a pas de diffusion, le carbone reste emprisonn dans le rseau : lamartensite est forme.

* Remarques :1)Plus la temprature de maintien est basse et plus la perlite obtenue est fine.

2)Le type de diagramme TIT prsent est le plus simple. On trouve dans certainsdiagrammes d'acier des domaines d'existence de la ferrite seule, ainsi qu'unediffrenciation nette entre les domaines de la perlite et de la bainite (figure V-2).


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Figure V-2 : Diagrammes TTT (a) d'aciers au carbone (b) d'aciers allis


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b) Les facteurs influenant la courbe TTT :- La temprature daustnitisation : Avant de procder la transformation isotherme, onpart d'une structure 100% austnitique; cet effet l'acier est maintenu unetemprature suprieure AC3 (temprature de dbut de transformation de l'austnite).Les conditions d'austnitisation seront donc la temprature et le temps d'austnitisation(Ta et ta)' Ces conditions doivent tre spcifies avant tout traitement isotherme car

elles dfinissent l'tat de l'acier avant ces traitements. En effet un temps et unetemprature d'austnitisation plus levs engendrent une austnite plus gros grains,donc plus stable; le domaine de l'austnite sera plus tendu et donc la courbe dcalevers la droite. - Les lments dalliage : Les lments gammagnes (Mn, Ni, Cu, N etC) stabilisent l'austnite, leur action est donc de dcaler la courbe vers la droite. Leslments alfa gnes (Cr, Mo, W, V, Ti, Nb) dcalent la courbe vers la droite etmodifient sa forme car ils ont tendance former des carbures qui retardent latransformation de l'austnite et favorisent certaines transformations plutt que d'autres(la transformation bainitique, par exemple).

B. LES COURBES TRC :

Il est possible de connatre partir des courbes de transformation isothermes la stabilitd'un acier l'tat austnitique dans les diffrents domaines de temprature. Cependantles cycles thermiques que subissent gnralement les pices industrielles necorrespondent pas des transformations isothermes. En effet, dans la majorit des casles pices subissent des traitements refroidissement continu. C'est les courbes TRC(Transformation Refroidissement Continu) qu'ils faut alors considrer.Ces courbes permettent de dterminer pour diffrentes conditions de refroidissement,allant de refroidissement trs rapides des refroidissements trs lents, la nature desconstituants forms lors de ces refroidissements, les tempratures de transformation etla duret de la structure l'ambiante. Comme pour les transformations isothermes,l'alliage est pralablement austnis.Les courbes sont traces suivant une chelle semi-logarithmique. Des courbes derefroidissement correspondant des lois de refroidissement diffrentes sont traces(figure V-3). Le point d'origine de ces courbes sur l'axe des tempratures est latemprature d'austnitisation.

Figure V-3 : Lois de refroidissement Figure V-4 : Lois de refroidissementcorrespondant des milieux diffrents Correspondant des diffrents diamtres

de pices, dans un mme milieu de refroidissement

On fournit gnralement avec la courbe TRC des courbes de refroidissement sur

transparents traces dans le mme systme de coordonnes que les courbes TRC , et qui


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correspondent des milieux de refroidissement prcis pour des pices de diamtresdiffrents (figure V-4).Plus le diamtre de la pice est grand plus l'change thermique entre le coeur de la piceet le milieu est lent et donc la vitesse de refroidissement ressentie faible. Ces courbessont traces sur des transparents ou des calques afin de pouvoir les superposer auxcourbes TRC. Ces courbes existent pour les milieux de refroidissements les plus usuels :

l'air, l'huile et l'eau.Les diffrentes courbes de refroidissement vont traverser les domaines d'existence desdiffrentes phases, domaines qui auront un aspect et une forme diffrente suivant lanature de l'acier et les conditions d'austnitisation. Nous reprsentons ci suit un exemplede courbe TRC.Le domaine intermdiaire (bec de perroquet) est le domaine de la bainite qui n'existe paspour les aciers au carbone bas % en carbone.

Figure V-5 : Exemple de courbe TRC

a) Comment suivre une courbe TRC :Il faut suivre la courbe correspondant la vitesse de refroidissement adopte :

* vitesse v4 : on prend la courbe correspondante cette vitesse et on voit quel momentElle coupe le diagramme. A T1, on rentre dans le domaine A+F

(Transformation de l'austnite en ferrite). A T2, on rentre dans le domaine A+F+C (fin detransformation de l'austnite en ferrite et dbut de transformation de l'austnite restanteen perlite). A T3, fin de transformation de l'austnite. La structure contiendra de la ferrite(K4%) et de la perlite (K'4%), avec K4+ K'4= 100%. D 4 est la duret de la structure la suitede ce traitement.* vitesse v3 : on prend la courbe correspondante cette vitesse et on voit quel momentelle coupe le diagramme. A T'1on rentre dans le domaine A+F (transformation del'austnite en ferrite). A T2, on rentre dans le domaine A+F+C (fin de transformation del'austnite en ferrite et dbut de transformation de l'austnite restante en bainite). A T'3,fin de transformation de l'austnite en bainite. Entre T'3et T'4aucune transformation n'alieu, et T'4une partie de l'austnite se transforme en martensite. La structurecontiendra de la ferrite


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(K3%) et de la bainite (K'3%), de la martensite et de l'austnite rsiduelle. D3est la duretde la structure la suite de ce traitement.

Remarque : Quand une courbe de refroidissement traverse le domaine de la bainite, oncommence avoir une structure hors d'quilibre. L'austnite n'est dans ce cas jamaistransforme 100%; il reste donc la fin de la transformation de l'austnite qui est dite

rsiduelle.* vitesse v2: La courbe de refroidissement coupe le domaine de la bainite T'1 A cettetemprature dbute la transformation bainitique qui s'arrte T'2 A cette mmetemprature, l'austnite qui reste se transforme en partie en martensite, il restera doncde l'austnite la temprature ambiante. La structure finale sera : bainite (% :K2) +(martensite + austnite rsiduelle) (% = 100-K2). La duret 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 dbute Ms. La structure finalecontiendra : martensite+austnite rsiduelle, sa duret est D3Si M50 est suprieur latemprature ambiante, on aura dans la structure finale plus de 50% de martensite. Laquantit de martensite sera d'autant plus importante que VI est grande.

b) Vitesses de refroidissement :Pour certaines exploitations, il est ncessaire de dterminer pour une loi de

refroidissement la vitesse correspondante. Il est possible dans ce cas de calculer :- soit la vitesse de refroidissement instantane 700C, ce sera la pente de la tangente

la courbe de refroidissement en ce point :

- soit la vitesse de refroidissement moyenne entre 700 et 300C :

c) Facteurs influenant la courbe TRC :

1- La temprature et le temps daustnitisation :

Plus ils sont levs, plus l'austnite sera stable. La courbe sera dcale vers la droite eton aura l'ambiante un taux plus lev d'austnite rsiduelle.2- La composition chimique :Les lments gammagnes largissent le domaine de l'austnite ils dcalent donc lacourbe vers la droite. Les lments alfa gnes dcalent aussi la courbe vers la droite, deplus ils favorisent la transformation bainitique pour laquelle ils font apparatre ledomaine distinctement du domaine perlitique. Le seul lment qui dcale les courbesTRC gauche est le cobalt.


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d) Dtermination des vitesses critiques :

A partir de la courbe TRC il nous est possible de dfinir les diffrentstraitements thermiques ainsi que leurs buts.Nous remarquons d'aprs cette courbe qu'il existe une vitesse limite au del de laquellela structure obtenue est uniquement de la martensite ( gauche du diagramme), et uneautre vitesse en de de laquelle la structure obtenue est une structure d'quilibre (droite). Ces vitesses sont appel respectivement vitesse critique de trempe (VCT) etvitesse critique de recuit (V CR) (figure V-6).

Figure V-6 : Dtermination des vitesses critiques de trempe et de recuitvCR : vitesse critique de recuit

v> vCR : on obtient des structures hors d'quilibrev < v CR : ferrite+perlite

Lorsque v s'approche de v CR'la structure de la perlite devient de plus en plusfine (les

Lamelles se rapprochent, dv CT : structure martensitiqueSi v


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temprature (T), un maintien pendant un certain temps (t) et un refroidissement lentpour lequel on dfinira la vitesse (VR). Suivant ces 3 paramtres, on dfinit diffrentsrecuits.Un traitement thermique sera dfini priori comme tant un traitement

d'quilibre si VR est infrieure la vitesse critique de recuit VCRprcdemmentdfinie (fig.V-6).

1. Le recuit (ou recuit complet) "full annealing" :Il consiste en un chauffage et maintien une temprature suprieure AC3

(temprature de dbut de transformation) (AC3+50C) puis un refroidissement lent aufour. Ce traitement effectu, la structure obtenue est celle d'quilibre basse duret etexcellente ductilit. Ce traitement est gnralement effectu sur des pices usiner ou dformer froid qui ont dj subi des traitements thermiques ou mcaniques. Latemprature de recuit ne doit pas tre trop leve sous risque de provoquer ungrossissement de grains fragilisant. La vitesse de refroidissement est trs lente(refroidissement au four) et la structure rsultante est en gnral + perlite (ou F e3C +

perlite) oest equiaxe et la perlite constitue de lamelles de distance interlamellaire dassez leve. Une fois la transformation de totale, la vitesse peut augmenter sansdanger et ceci pour diminuer le temps de recuit et amliorer ainsi la rentabilit.

2. Recuit d'homognisation "nomogenizing :Ce recuit est effectu sur les aciers bruts de coule afin d'liminer tous les

phnomnes dus la sgrgation mineure (au niveau du grain) ou majeure (au niveau dulingot); donc d'htrognit chimique. Ce traitement doit donc favoriser la diffusion desatomes, pour ce faire il sera effectu des tempratures trs leves mais toujours dans ledomaine de l'austnite (Ac3+200C, entre 1000 et 1200C) pour des dures prolonges.

3. Recuit de normalisation "nomogenizing :C'est un recuit qui est effectu sur les aciers non allis et qui permet d'obtenir

une structure plus fine (grains fins). La temprature est suprieure celle du recuitcomplet (Ac3 + 75C), ainsi que la vitesse de refroidissement qui se fait l'air calme, on aainsi une perlite fine (faible distance interlamellaire).

4. Recuit de coalescence ou sphrodisation "spheroidizing"Comme nous l'avons dj vu, la perlite est un compos constitu de a (phase

ductile) et de Fe3C (phase dure). La duret de ce constituant dpend de l'nergieinterfaciale entre a et Fe3C qui sera d'autant plus importante que la surface de contact

entre ces 2 phases est grande. Rduire la duret et par l mme la fragilit consistera rduire cette surface de contact. L'nergie interfaciale minimale correspond unerpartition de sphres de Fe3CDans une matrice a. D'o la tendance SPHEROIDISER Fe3C dans les structuresd'aciers o la tnacit est une proprit trs importante. C'est la structure la moins durepossible dans les aciers. La sphrodisation est particulirement requise pour les acierschargs en carbone qui doivent subir un usinage important avant leur durcissement. Elleconsiste maintenir l'acier des tempratures proches mais plus faibles que AC l,pendant des temps assez longs. Plus la perlite de dpart est fine, moins le temps demaintien est long.


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Figure V-7 : Domaines de tempratures des diffrents types de recuit

5. Recuit de dtente "stress relieving" :

Ce recuit s'effectue des tempratures basses, infrieures mme latemprature de dbut de transformation (AC1) : 550


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dforms (tape recristallisation).

Si la premire tape se fait pour des tempratures faibles, l'tape de recristallisationproprement dite se fait des tempratures entre 1/3 et 1/2 de la temprature de fusion dumatriau. L'tape de restauration affecte peu ou prou les proprits mcaniques, l'tapede recristallisation, par contre, provoque une chute spectaculaire de la rsistance et laduret et un accroissement notable de la ductilit (fig. V-8).

Figure V-8 : Influence de la temprature de recuit sur la rsistance maximale (tensile strength), etla ductilit d'un laiton (Cu-Zn). La taille des grains (grain size) est schmatise et ventuellement

indique en fonction de la temprature. Les diffrents stades sont indiqus : restauration (recovery),recristallisation (recrystallization), croissance des grains (grain growth). (Daprs Ref26, p.171)


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Figure V-9 : Variation de la temprature de recristallisation en fonction du taux d'crouissage(percent cold work) pour le fer. La recristallisation n'a pas lieu en de d'un seuil critiqueDcrouissage (critical deformation) (d'aprs Ref26, p.172)

Si la temprature de maintien est suprieure la temprature de

recristallisation, c'est le grossissement de grains qui prend place. La structure rsultanteest peu dure et trs ductile.Plus le taux d'crouissage est grand moins la taille des grains rgnrs sera

importante et plus la temprature de recristallisation sera basse (fig. V-9)Les diffrents recuits qu'on vient de citer sont rarement pratiqus individuellement, lerecuit pouvant regrouper le but de plusieurs d'entre eux.

D. LES TRAITEMENTS THERIQUES "HORS D'QUILIBRE"

1. La trempeOn appelle trempe le refroidissement brutal du matriau pralablement port

haute temprature. L'tat tremp correspond un tat hors d'quilibre. Jusqu' des tempsrelativement approchs, les gens pensaient que la trempe des aciers tait lie l'habiletdu forgeron et aux secrets des milieux de refroidissement utiliss, que, d'une certainemanire, elle relevait de la sorcellerie. Aujourd'hui, la trempe n'est plus qu'un traitementclassique dans lequel on ne voit plus aucun mystre ... ou presque.La trempe peut avoir deux objectifs :-conserver la structure existante chaud la temprature ambiante pour viter lagermination de phases non souhaites.-obtenir une phase qui amliore les caractristiques mcaniques de l'alliage sans changersa composition.

La temprature de trempe varie selon

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