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RÉSUMÉ
Le transfert de l'azote en phase ferritique s'accompagne de précipitation de nitrures qui assurent le durcissement et le développement de contraintes de compression : mécanismes de diffusion-précipitation. Une analyse des mécanismes a pu être effectuée par une approche combinant simulation thermodynamique et cinétique et observations microstructurales (METHR). Cette caractérisation met en évidence la précipitation de nitrures de chrome substitués en fer. Cette approche globale montre que la simulation est particulièrement efficace.
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Jacky DULCY : Ingénieur de recherche CNRS, Ingénieur civil des Mines
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Michel GANTOIS : Professeur à l'École Nationale Supérieure des Mines et à l'École Européenne en Génie des Matériaux, Nancy
INTRODUCTION
La formation des couches de combinaison ε et γ′ par traitement thermochimique de nitruration des alliages ferreux s'accompagne d'une diffusion de l'azote dans la phase ferritique à des températures inférieures à 570 °C. Il se forme à partir de l'interface couche de combinaison-matrice ferritique un gradient de concentration en azote. La formation de ce gradient de concentration en azote s'accompagne de phénomènes de précipitation de nitrures dont la structure cristallographique, la composition, la morphologie et la répartition dépendent de la composition de l'acier et de la température à laquelle s'effectue la diffusion de l'azote. Cette précipitation établissant le gradient de concentration en azote se traduit par l'apparition d'un gradient de dureté et de contraintes de compression, qui ont pour conséquence un accroissement de la résistance mécanique de la surface et de la résistance aux différents phénomènes de fatigue. La connaissance des mécanismes de précipitation et de durcissement est fondamentale pour optimiser, d'une part la composition des aciers (nature et concentration des éléments d'alliages), et d'autre part les paramètres du traitement de nitruration (composition de l'atmosphère gazeuse, température, etc.) qui conditionnent le transfert d'azote à la surface de l'acier.
Les connaissances les plus récentes sur les équilibres thermodynamiques, et les mécanismes de transfert de matière, ainsi que sur les méthodes d'études microstructurales par microscopie électronique à haute définition, ont été mises en œuvre conjointement pour élucider tous ces mécanismes et permettre d'en faire une présentation rationnelle et utile à leur compréhension et leur exploitation pratique.
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4. Conclusions
Le durcissement superficiel d'aciers alliés sur des profondeurs de l'ordre de 1 millimètre peut être obtenu à l'aide d'un traitement de nitruration en phase ferritique. L'objectif est d'obtenir une dureté élevée, une mise en compression de la surface et une absence de fragilité en vue d'accroître la résistance superficielle aux sollicitations mécaniques et thermiques.
Le transfert de l'azote en phase solide ferritique s'accompagne dans les aciers alliés de mécanismes de précipitation de nitrures dont la nature et la morphologie dépendent étroitement de la composition de l'alliage et des conditions qui contrôlent les transferts de matière.
Ces mécanismes extrêmement complexes de diffusion-précipitation en système polyphasé ont pu ces dernières années être analysés de façon rationnelle dans le cadre d'une approche globale : thermodynamique, cinétique et microstructurale.
Cette analyse rationnelle résulte de la confrontation permanente entre les prévisions des simulations thermodynamiques et cinétiques (logiciel Thermo-calc et Dictra), et les études expérimentales des microstructures à l'aide de la microscopie électronique par transmission à haute définition, associée à l'analyse chimique par spectrométrie de dispersion d'énergie des rayons X.
Cette approche rationnelle a permis d'obtenir des résultats extrêmement importants tant sur le plan théorique que sur le plan pratique pour la mise en œuvre industrielle des traitements de nitruration.
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Sur le plan théorique, l'accord remarquable entre les observations expérimentales et les prévisions des logiciels de simulation Thermo-Calc et Dictra permet de valider les hypothèses sur lesquelles ils sont construits :
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pour Thermo-Calc, l'équilibre entre les phases qui permet d'en calculer la composition et la proportion à partir de la connaissance de leur fonction de Gibbs ;
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pour Dictra, l'équilibre local à l'interface précipité matrice et application de la loi de Fick-Onsager issue de la thermodynamique des processus irréversibles.
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Sur le plan pratique, Thermo-Calc et Dictra sont deux outils de simulation particulièrement utiles pour la mise au point de nouveaux alliages et de nouveaux traitements de nitruration.
Les études microstructurales conjointes ont permis d'expliquer :
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les modes de durcissement associés aux différents précipités....
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - DULCY (J.), GANTOIS (M.) - Progrès dans la connaissance des mécanismes de transfert appliqués aux traitements thermiques - Revue de Traitement Thermique, n° 360, p. 25-31 (2005).
-
(2) - DULCY (J.), GANTOIS (M.) - Progrès dans la connaissance des mécanismes de transfert appliqués aux traitements thermiques - Revue de Traitement Thermique : n° 368, p. 31-45 (2006).
-
(3) - GINTER (C.) - Influence des éléments d'alliage sur les mécanismes de nano-précipitation et sur les mécanismes de durcissement d'alliages modèles (Fe-Cr et Fe-Cr-C) et d'aciers industriels nitrurés - Thèse de Docteur de I.N.P.L., Nancy (juin 2006).
-
(4) - VAN WIGGEN (P.C.), ROZENDAAL (H.C.F), MITTEMEIJER (E.J.) - The nitriding behaviour of iron-chromium-carbon alloys - Journal of Materials Science, p. 4561-4582 (1985).
-
(5) - SOMERS (M.A.J.), LANKREIJER (R.M.), MITTEMEIJER (E.J.) - Excess nitrogen in ferrite matrix of nitrided binary iron-bases alloys - Philosophical Magazine A, vol. 59, p. 353-378...
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