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1 - COMPOSITION CHIMIQUE

2 - STRUCTURES

| Réf : M4585 v1

Structures
Aciers à outils - Composition chimique et structure

Auteur(s) : Robert LÉVÊQUE

Date de publication : 10 juin 2003

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Auteur(s)

  • Robert LÉVÊQUE : Ingénieur civil des Mines - Président d’honneur du Cercle d’études des métaux

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INTRODUCTION

Les aciers à outils sont utilisés, comme leur nom l’indique, dans tous les problèmes de mise en forme des matériaux au sens le plus large. Il peut s’agir d’opérations d’usinage (tournage, perçage, fraisage...), de mise en forme à froid et à chaud (travail des métaux en feuilles sous presse par découpage et emboutissage, forgeage et matriçage à chaud, laminage à froid ou à chaud), de moulage (coulée par gravité ou sous pression d’alliages d’aluminium, de cuivre, de zinc et de magnésium, réalisation d’emballages verriers, industrie du caoutchouc, plasturgie), de filage et d’extrusion (aciers et alliages légers, plastiques, pâte de cellulose...). Les aciers à outils font partie intégrante du domaine des aciers spéciaux, mais ils diffèrent sensiblement des aciers de construction mécanique, tant par les conditions de leur utilisation que par les critères d’emploi qui servent à les définir. En effet, dans le cas d’un outil de qualité, on recherche les performances maximales, sans fixer de limite supérieure, alors que l’acier de construction mécanique doit présenter une aptitude suffisante à l’emploi avec des caractéristiques spécifiques bien déterminées comme la tenue à la fatigue, la résistance aux chocs et à la rupture brutale, l’usinabilité et l’aptitude à subir un cycle thermo-mécanique de forgeage ou un traitement thermique de qualité au cours de la mise en œuvre.

Par ailleurs, l’outil est sollicité dans la plupart des cas au niveau de sa surface qui doit supporter les contraintes les plus sévères alors que les sollicitations d’un acier de construction intéressent l’ensemble du matériau. Il en résulte que les aciers à outils ne peuvent pas être définis au moyen de lois de comportement simples et qu’il est nécessaire d’avoir une connaissance la plus précise possible des conditions de sollicitations pour apporter des critères de choix réalistes. Les solutions adoptées sont la conséquence d’une démarche essentiellement pragmatique et constituent des compromis entre des exigences souvent contradictoires.

Nota :

Cet article s’insère dans une série consacrée aux aciers à outils :

  • Aciers à outils. Composition chimique et structure [M 4 585] ;

  • Aciers à outils. Élaboration et transformation Aciers à outils- Élaboration et transformation ;

  • Aciers à outils. Mise en œuvre et propriétés d’emploi [M 4 587] ;

  • Aciers à outils. Classification et évolution [M 4 588] ;

  • Aciers à outils. Pour en savoir plus [Doc. M 4 589].

Le but de cette série d’articles est de faire un classement aussi simple que possible des principaux groupes d’aciers à outils en évoquant aussi bien les propriétés de mise en œuvre (élaboration et transformation de l’acier, traitement de recuit, usinabilité, traitement thermique, aptitude à la rectification et à l’obtention de textures superficielles, traitement de surface) que les propriétés d’emploi (résistance mécanique, ténacité, dureté à chaud, résistance à l’usure, tenue à la corrosion) pour aider l’utilisateur à mieux penser son problème.

Pour plus de détails sur ce sujet le lecteur consultera utilement les références à .

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VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-m4585


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2. Structures

2.1 Structure de solidification

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2.1.1 Diagramme d’équilibre. Influence des éléments d’addition

  • Diagramme fer-carbone

    Les structures de solidification des aciers à outils sont en général relativement complexes, notamment dans le cas des nuances hautement chargées en carbone et en éléments carburigènes. Le carbone est l’élément dont l’influence sur la structure est la plus marquée. Il est bon de prendre comme base d’étude les deux diagrammes fer-carbone connus, représentés sur la figure 3 :

    • le diagramme dit stable fer-graphite (traits pointillés) ;

    • le diagramme dit métastable fer-cémentite (traits pleins).

    Nous nous intéressons uniquement au diagramme métastable qui est le plus proche de la réalité.

    Au cours de la solidification de l’acier liquide, il peut se produire deux phénomènes différents selon la teneur en carbone :

    • pour une teneur en carbone (notée C) inférieure à celle du point E, il commence à se former des cristaux de ferrite si C < 0,5 %, et des cristaux d’austénite si C > 0,5 %. Mais, dans tous les cas, la structure devient entièrement austénitique lorsque tout l’acier est solidifié ;

    • pour une teneur en carbone supérieure à celle du point E, qui correspond en fait à la solubilité maximale du carbone dans l’austénite, un mélange eutectique de cristaux de carbures à base de fer appelé lédeburite (carbures du type M7C3) précipite en même temps que l’austénite.

    L’addition d’un tiers élément au système fer-carbone se traduit par des changements de structure qui peuvent être décrits par l’utilisation des diagrammes ternaires Fe-X-C.

  • Diagramme ternaire fer-chrome-carbone

    En présence de chrome, la structure de solidification n’est que très peu modifiée lorsque la teneur en cet élément est inférieure ou égale à 6 %, le constituant lédeburitique...

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