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RÉSUMÉ
Les variétés allotropiques du fer, austénite et ferrite, conduisent à des microstructures composées de différents constituants (ferrite, perlite, bainite, martensite). La composition chimique et les conditions thermomécaniques de l’élaboration font largement varier les proportions des différents constituants et leur morphologie qui induisent des variations importantes de la limite d’élasticité et de la résistance mécanique des aciers. Cet article présente les caractéristiques intrinsèques des constituants des aciers. Le lien entre la présence de ces constituants et le niveau de résistance des aciers à température ambiante est étudié en illustrant par des exemples pratiques d’application.
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Thierry IUNG : Manager / Metallurgy Expert MPM team - ArcelorMittal Global R&D, Maizières-lès-Metz, France
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Jean-Hubert SCHMITT : MSSMat, CNRS, CentraleSupélec, Université Paris-Saclay, Châtenay-Malabry, France
INTRODUCTION
Différents mécanismes de durcissement permettent d’accroître le niveau de contrainte nécessaire à la déformation plastique des alliages métalliques. La plupart de ces mécanismes sont fondés sur le déplacement des dislocations dans le réseau cristallin et sur leurs interactions avec différents éléments de la microstructure [M 4 340]. Les aciers illustrent de façon très éclairante les différentes voies pour développer diverses microstructures conduisant à une amélioration des propriétés mécaniques, c’est-à-dire une augmentation de la limite d’élasticité, de la résistance maximale à la traction ou de la dureté. Plusieurs forces motrices ont conduit à la nécessité d’augmenter la résistance des aciers, comme, par exemple, l’allègement à performance équivalente avec une taille (épaisseur) des structures plus faible, ou la sécurité, ou encore l’amélioration de la tenue en service des structures. Ces différents objectifs peuvent se combiner.
Parallèlement à l’augmentation de résistance, il est important de conserver, voire d’améliorer, les autres propriétés d’usage comme la ductilité (aptitude d’un matériau à subir une déformation plastique sans se rompre) ou la ténacité (aptitude d’un matériau à résister à la rupture en présence de fissure). Ceci reste un challenge pour le développement des aciers car un accroissement de la résistance s’accompagne généralement d’une chute de la ductilité.
Cet article se concentre sur les liens entre microstructure et résistance mécanique dans le cas où le constituant majeur de l’acier est ferritique, perlitique, bainitique ou martensitique. Le lecteur intéressé par les propriétés d’autres familles d’aciers peut utilement consulter l’article consacré aux aciers austénitiques et multiphasés [M 4 342]. Dans un premier temps, sont présentés les différents constituants pouvant être présents dans les aciers et leurs caractéristiques mécaniques. Plusieurs exemples d’aciers, développés à partir de ces constituants et de leurs combinaisons, illustrent les relations entre la microstructure et le comportement mécanique.
Comme il est d’usage dans l’industrie sidérurgique, toutes les teneurs élémentaires sont données en pourcentage en masse des différents éléments d’addition. De façon simplifiée, la notation Fe-xM1-yM2 signifie un alliage à base de fer contenant x % en poids de l’élément M1 et y % en poids de l’élément M2.
Un glossaire et un tableau des symboles utilisés sont présentés en fin d'article.
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MOTS-CLÉS
microstructure propriétés mécaniques aciers mise en forme procédés de fabrication matériaux métalliques
VERSIONS
- Version archivée 1 de juin 2002 par Barry THOMAS, Jean-Hubert SCHMITT
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5. Aciers bainitiques
Pour une teneur en carbone donnée, la résistance mécanique des aciers bainitiques est intermédiaire entre celle des aciers martensitiques et celle des structures ferrito-perlitiques (figure 23). Les mécanismes de durcissement sont les mêmes que ceux des nuances martensitiques sans l’effet durcissant du carbone en solution solide. En effet, la cinétique de la transformation de la bainite est plus lente que celle de la martensite, ce qui laisse le temps pour la précipitation d’une fraction importante du carbone sous forme de cémentite pendant la transformation, compte tenu de la vitesse de diffusion très rapide du carbone dans le fer. Le durcissement supplémentaire par rapport à la ferrite provient :
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de la taille plus fine des unités microstructurales ;
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d’une densité assez élevée de dislocations créées lors de la transformation de l’austénite ;
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d’un durcissement par précipitation liés aux carbures de fer.
Comme dans le cas des aciers martensitiques, les aciers bainitiques à haute résistance peuvent être utilisés après un traitement de revenu pour améliorer la ténacité. Ces aciers, dont la teneur en carbone typique est proche de 0,1 %, contiennent des additions de quelques dixièmes de pourcent de chrome, de molybdène et de nickel.
D’un point de vue microstructural, nous avons vu (figure 6) que la bainite apparaît pour des vitesses de refroidissement intermédiaires entre celles permettant d’obtenir des structures martensitiques et celles plus lentes qui laissent les constituants d’équilibre se former. La microstructure et la limite d’élasticité d’un acier après refroidissement depuis le domaine austénitique dépendent de la trempabilité du métal et de la vitesse de refroidissement.
Lors de cette étape, la chaleur sensible et la chaleur latente de transformation sont évacuées...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - VAN BOHEMEN (S.) - Bainite and martensite start temperature calculated with exponential carbon dependence. - Mater.Sci.Technol. 28, p. 489 (2012).
-
(2) - GOLDSCHMIDT (H.) - Interstitial alloys (Composés interstitiels). Butterworths. - Londres, 632 p. (1967).
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(3) - WESTBROOK (J.) - Intermetallic compounds (Composés intermétalliques). - John Wiley, New York, 663 p. (1967).
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(4) - VILARS (P.), CALVERT (L.D.) - Pearson’s handbook of crystallographic data for intermetallic phases (Manuel de données cristallographiques des phases intermétalliques). - 4 vol., American Society for Metals (1991).
-
(5) - Strukturbericht – Zeitschrift für Kristallographie, Akademisch Verlagsgesellschaft. - Leipzig (1939).
-
(6) - PICKERING (F.B.) - Physical...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Site du Bureau de Normalisation des Aciers (BN Aciers)
https://www.a3ms.fr/ (pages consultées en janvier 2016)
HAUT DE PAGE1.1 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
Fédération Française de l’Acier (FFA)
Office technique pour l'utilisation de l'acier (Construire Acier)
Réseau National de Métallurgie (SF2M)
HAUT DE PAGE1.2 Laboratoires (liste non exhaustive)
Laboratoires universitaires français actifs en métallurgie
http://sf2m.fr/RNM_competences/Answers/RNM_compet.aspx
Centres de recherche ArcelorMittal
http://corporate.arcelormittal.com/what-we-do/research-and-development/research-centres
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