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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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Lire l’articleAuteur(s)
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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
DOI (Digital Object Identifier)
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1. Constituants des aciers
Pour faciliter la lecture, nous utilisons le mot constituant pour désigner à la fois les constituants des aciers (comme la bainite) et les phases présentes dans le diagramme d’équilibre (comme l’austénite ou la ferrite).
L’existence de deux variétés allotropiques du fer – l’austénite et la ferrite – permet d’obtenir dans les aciers une grande diversité de microstructures possédant chacune des propriétés mécaniques spécifiques. En agissant sur la composition et sur les conditions de traitements thermiques et thermomécaniques de transformation de l’austénite, le métallurgiste peut faire varier, dans une large mesure, les proportions relatives des différents constituants majeurs ainsi que leurs morphologies respectives. D’autre part, à l’aide de certains éléments d’addition, on peut provoquer, à l’intérieur des constituants majeurs, la précipitation de particules de deuxième phase qui contribuent au durcissement de l’acier. Nous présentons maintenant un rappel des constituants qui existent dans les aciers avant d’aborder les caractéristiques mécaniques des configurations microstructurales rencontrées le plus souvent dans les applications industrielles.
La résistance mécanique (Rm exprimée en MPa) se mesure en déformant un acier jusqu’à rupture et en divisant la charge maximale atteinte par la surface de l’échantillon normale à l’effort de traction.
L’allongement total (en %), ou allongement à rupture A%, mesure l’allongement de l’échantillon au moment de la rupture en traction. Ce paramètre donne une indication de la possibilité de mise en forme.
Très classiquement, on positionne les différents aciers dans un diagramme représentant la résistance mécanique Rm en fonction de l’allongement A%. Pour un mécanisme d’écrouissage donné, l’augmentation de Rm est associée à une diminution de A% comme l’illustre la figure 1. Ainsi, dans le développement d’aciers à haute performance, cherche-t-on à maximiser le produit (Rm.A%).
Pour plus d’informations sur les mécanismes des transformations de phases dans les aciers et les configurations microstructurales qui en résultent, le lecteur se reportera à l’article Transformations...
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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).
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(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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