Transcript Les Aciers
Les différentes familles de matériaux
Métalliques
Alliages ferreux
Aciers
Fontes
Composites
Alliages
non-ferreux
Alliages
d’Aluminium
Les alliages ferreux représentent encore une très grande proportion
dans l’utilisation des alliages métalliques (50% des métaux dans une
automobile).
-
Alliages
de titane
Alliages
de Cuivre
Chapitre I - Les aciers
-
Sommaire
Introduction et définitions
Les différentes familles d’aciers
Les traitements thermiques des aciers dans la masse
Les traitements de surface des aciers
Influence des éléments d’addition
Les aciers à outils
Les aciers inoxydables
-
Introduction et définitions
Diagramme Fer-Carbone
Trois types d’alliages : le fer pur faibles propriétés mécaniques usage industriel
les aciers et
les fontes.
-
Diagramme Fer-Carbone : généralités
Austénite
Ferrite
Les principales phases de ce système sont : l’austénite γ,
la ferrite α et
la cémentite Fe3C
-
Cémentite
Fe3C
Diagramme Fer-Carbone : variétés allotropiques du fer
Les différentes variétés allotropiques du fer
a ferrite (fer ) : jusqu’à T=906°C
o forme stable du fer
o structure cristalline cubique centrée (CC, a = 290 pm)
o solubilité du C est alors très faible (< 0,02 %)
Ferrite (x90)
’austénite (fer ) : de 906 à 1401°C
o structure cubique à faces centrées (CFC, a = 360 pm)
o solubilité du C peut alors atteindre ~ 2 % en masse
o nouvelle phase est de forme plus compacte et plus
déformable
a ferrite (fer ) : de 1401 à 1528°C
o structure CC (a = 293 pm)
o forme peu importante au niveau industriel
-
Austénite (x325)
Diagramme Fer-Carbone : aciers
Définition :
Les aciers sont des alliages
dont la teneur en carbone
reste inférieure à 2% (en
masse).
En pratique, on ne trouve
qu’exceptionnellement des
aciers à plus de 1,2% C
Aciers
% en masse de C < 2%
Diagramme Fer-Carbone : constituants des aciers
Constituants des aciers recuits
La ferrite α à T ambiante c’est du fer presque pur, dont les propriétés sont :
• Faible limite d'élasticité (Re = 150 MPa)
• Faible résistance mécanique (Rm = 280 MPa environ et dureté HV = 80)
• Grande ductilité (A = 35 %)
• Densité ρ = 7,86 g.cm-3
La cémentite Fe3C ( 6,67 % C) est un carbure de fer à ductilité quasi nulle
(comportement fragile), les propriétés sont :
• Limite d’élasticité supérieure à 2 000 MPa (dureté voisine de HV = 700)
• Densité ρ = 7,82 g.cm-3
La perlite est un mélange biphasé de ferrite (88,3 % m) et de cémentite (11,7 % m)
• Microstructure sous forme de lamelles fines alternées (perlite lamellaire)
• Propriétés mécaniques intéressantes : - ductilité issue de la ferrite et
- limite d’élasticité issue de la cémentite
• Résistance mécanique (Rm (MPa) = 180 + 3800 λ–1/2, avec λ distance interlamellaire
en nm)
• Ductilité (A = 10 %)
• Plus stable à la corrosion
Diagramme Fer-Carbone : fontes
Définitions :
Les fontes sont des alliages
dont la teneur en carbone est
supérieure à 2% en masse
Les fontes subissent
toujours la transformation
eutectique (vers 1130°C)
Fontes blanches :
Le carbone se retrouve
toujours sous forme de
cémentite
Fontes
(2% < %m C < 6,67%)
Fontes grises :
Le carbone se retrouve sous
forme de graphite libre
(carbone pur) et de
cémentite
Diagramme Fer-Carbone : aciers
Alliage particulier :
point eutectoïde
Aciers
% en masse de C < 0,2%
Il correspond
au point eutectoïde du
diagramme Fe-C (- autres
éléments).
teneur en carbone ~ 0,8%
(teneur variable selon la
présence d’autres éléments
d’alliages).
Alliage eutectoïde.
Diagramme Fer-Carbone : aciers
Aciers hypo-eutectoïdes :
Les aciers subissant au
cours de leur
refroidissement la réaction
eutectoïde (% C > 0,02%) et
dont la teneur en carbone est
inférieure à 0,8%
point eutectoïde
Aciers hyper-eutectoïdes :
Les aciers dont la teneur en
carbone est supérieure à
0,8%
Hypo-eutectoïde Hyper-eutectoïde
Aciers
Diagramme Fer-Carbone : acier
Constitution et répartition des constituants
L’acier eutectoïde (0,8% en masse de C)
o Hautes températures, l’alliage ne contient que la phase d’austénite
o Lors du refroidissement, aucun changement avant d’atteindre la T eutectoïde (~ 727°C)
o En dessous de cette T la totalité de l’austénite est précipitée en perlite
L’acier hypo-eutectoïde (8.10-3 à 0,8% en masse de C)
o Hautes T : l’alliage ne contient que la phase d’austénite
o En refroidissant 2 phases coexistent : l’austénite et la ferrite
o En dessous de T eutectoïde, la totalité de la phase d’austénite se
transforme en perlite alors que la phase de ferrite ne subit que peu
de modification
o Ces aciers sont les plus utilisés industriellement
L’acier hyper-eutectoïde (0,8 à 2% en masse de C)
o Idem à haute T
o Au refroidissement, formation d’une seconde phase (cémentite)
o En dessous de T eutectoïde, l’austénite restante se transforme en perlite
o Ces aciers sont peu utilisés industriellement (très fragiles)
Les Différentes familles d’acier
Les aciers : les différentes familles
Les différentes familles :
Les aciers d’usage général
Aciers ordinaires
Aciers au carbone non alliés
Les aciers faiblement alliés
Les aciers alliés
Aciers à outils alliés
Aciers maraging ou (martensite-aging)
Aciers inoxydables
Aciers réfractaires
Aciers au manganèse
Les aciers d’usage général : aciers ordinaires
Composition :
Teneur maximale de 0,25 % en masse de C
Présence de différents éléments d’additions (faible quantité)
Propriétés :
Bonne soudabilité
Insensibles aux traitements thermiques
Amélioration des propriétés par écrouissage
Limites d’élasticité intéressantes
Utilisation :
Aciers de construction d’usage général
Aciers de décolletage à bas carbone
...
Désignation :
EN S 235
Écriture selon la
norme NF EN 10020
Limite d’élasticité
(MPa)
Lettre identifiant
l’emploi de l’acier
Exemple :
EN S235 : acier de construction
Re = 235 MPa
EN E335 : acier de construction mécanique
Re = 335 MPa
Les aciers d’usage général : aciers au carbone non alliés
Aciers pour cémentation : (< 0,2 % C)
traitements superficiels d’enrichissement en
carbone, d’où une couche trempable et
durcissante
Désignation :
Aciers pour traitements thermiques de trempe et
de revenu pour des teneurs en carbone moyennes
de 0,25 à 0,6 %
Écriture selon la
norme NF EN 10020
EN C 30
Lettre identifiant
l’emploi de la
désignation à partir
des compositions
chimiques
Aciers à teneurs élevées en carbone
ils sont réservés pour des usages exigeant des
hautes résistances, grande dureté, tenue à l’usure
Aciers microalliés à haute limite d'élasticité
teneurs moyennes en carbone,
faibles additions (moins de 0,1 %) et des
traitements très contrôlés
Aciers à très haute résistance à très bas carbone
valeurs élevées de Re et de Rm, une bonne
ductilité (A > 13 %) et une résilience élevée
Teneur en carbone
(30 0,3% en
masse de C)
Exemple :
EN C25E (ancien XC25) : acier non allié
ayant 0,25% de C avec une indication
supplémentaire définie dans le fascicule
FDR 10260 (info traitement thermique)
Les aciers faiblement alliés
Dans cette famille, la règle est qu’aucun
élément n’atteigne 5 %
L’apport des éléments d’alliage va permettre
d’augmenter la résistance mécanique et
d’augmenter la profondeur de trempe
Selon le choix des éléments d’alliage, on
favorise :
- La limite d’élasticité (Si pour les ressorts)
- La résistance à l’usure (Mn et Si)
- La résistance aux chocs (Ni-Cr, Ni-Cr-Mo)
Désignation :
EN 36 CrNiMo 16
Écriture selon
la norme NF
EN 10020
Teneur en
carbone (36
0,36% en masse
de C)
Relativement accessibles par leur prix
Matériaux de choix pour la construction
mécanique
Valeurs de ces
teneurs
affectées d’un
chiffre
multiplicateur
fonction de
l’élément
Symbole chimique
dans l’ordre croissant
des teneurs
Exemple :
EN 36CrNiMo16 : acier allié à 0,36% en
masse de C, 4% de chrome et contenant du
nickel et du molybdène.
Les aciers faiblement alliés
Influence des éléments d’additions sur les propriétés
C
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Les aciers alliés
Les teneurs en éléments d’alliage peuvent
dépasser 5 %
Les performances et les prix sont plus
élevés
On distingue les groupes suivants :
Aciers à outils alliés
Aciers maraging ou (martensite-aging)
Aciers inoxydables
Aciers réfractaires
Aciers au manganèse
Désignation :
EN 2 Ni18Co8Mo5TiAl
Écriture selon
la norme NF
EN 10020
Symbole chimique
suivi de de sa teneur
affectée d’un chiffre
multiplicateur
fonction de l’élément
Teneur en carbone (2
0,02% en masse de C)
Eléments
Multiplicateur
Exemple :
Cr, Co, Mn, Ni, Si,W
4
Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr
10
N, P, S
100
B
1000
EN 2 Ni18Co8Mo5TiAl :
acier allié à 0,02% en masse de C,
4,5% en masse de Nickel,
2% en masse de Cobalt,
0,5% en masse de Molybdène
et contenant du titane et de l’aluminium.
Les aciers alliés : aciers à outils alliés
Les aciers à outils alliés :
Pour le travail à froid
Pour le travail à chaud
Les aciers rapides (pour usinage, formage, filage à froid) :
- Dureté à l’ambiante supérieure à 60 HRc
- Maintien d’une dureté et d’une ténacité élevées à chaud addition importante
d’éléments carburigènes (W, Mo, V) associés au chrome (qui améliore la trempabilité)
et au cobalt
- Élaboration et traitements thermomécaniques complexes
- Résistance au frottement, à l’usure, et à la fatigue est améliorée par des traitements
superficiels
Les aciers alliés : aciers maraging
Les aciers maraging
Ils profitent du fort hystérésis de la transformation austénite-ferrite des alliages fer-nickel
Composition :
- ~ 18% de Ni
- Quelques % de Co et de Mo
- Très peu de C (0,02%)
- Un peu de Ti et Al
Après traitement thermique:
- Limite d'élasticité et ductilité moyennes
- Usinage facile
- du durcissement par un traitement de revenu (durcit la martensite par
de composés intermétalliques de type Ni3Mo, Ni3Ti ou NiAl )
- Ténacité reste bonne
précipitation
Un soin tout particulier est porté au traitement de revenu afin d’obtenir un durcissement
structural maximal
Les aciers alliés : aciers inoxydables
Les aciers inoxydables
résistance à la corrosion aux températures basses et moyennes dans les milieux plus ou
moins agressifs.
Ils représentent une production annuelle d’environ 1,2 millions de tonnes en France, soit
un doublement en 15 ans.
L’élément d’alliage pilote est le chrome, dont la teneur doit toujours être > à 12 %
formation d’un film de passivation en surface
Les aciers inoxydables se classent en divers sous-groupes selon la microstructure :
- Inox ferritiques
- Inox martensitiques
- Inox austénitiques
- Inox austénoferritique
Les aciers alliés : aciers inoxydables
Les aciers inoxydables se classent en divers sous-groupes selon la microstructure :
Inox ferritiques : - Avec très peu de carbone
- Un peu de Mn (éviter la formation de martensite par trempe)
- Structure cubique centrée faible durcissement par écrouissage
Inox martensitiques : - Trempabilité excellente à l’air
- Excellente résistance au revenu jusqu’à 350°C
- T > 350°C : durcissement secondaire (dû au chrome)
perte de ténacité et de ductilité jusqu’à 550°C
- T > 550°C : température de début du survieillissement
Inox austénitiques : - Traitement de trempe sévère austénite métastable à T ambiante
- Ecrouissable
Inox austénoferritique : - Moins de fragilité que les ferritiques
- Limite d'élasticité plus élevée que les austénitiques
- Susceptibles de durcissement structural
Les aciers alliés : aciers réfractaires et aciers au manganèse
Les aciers réfractaires
- Aciers inoxydables résistant à l’oxydation à chaud (T 800 à 1000°C)
- Résistance au fluage acceptable à ces température
- Élément d’addition principal est le chrome
Les aciers au manganèse
Le prototype est l’acier Hadfield, avec 12 % Mn,
1 % C et
0,5 % Si
- Structure austénitique métastable
- Durcissement superficiel exceptionnel par choc (transformation de l’austénite en martensite
comme pour les aciers inox austénitiques)
- Ténacité remarquable
- Difficulté d’usinage est contournée par des procédés de moulage, pour obtenir des pièces
résistant à l’usure
Les Traitements thermiques
Les traitements thermiques des aciers
Objectif : améliorer les performances des aciers
Moyen : traitements thermiques intéressant si les paramètres des traitements sont
parfaitement maîtriser
Idée :
les propriétés des aciers sont liées à leurs microstructures. Les traitements
thermiques est de faire évoluer la microstructure en fonction des besoins
d’utilisation
de l’acier.
Trois types de traitements thermiques :
Traitements dans la masse : - trempes
- revenus
Traitements de surface = trempes superficielles
Recuits (adoucissement et régénération)
Les traitements thermiques des aciers dans la masse
Austénitisation
L’austénitisation a pour objet de mettre en solution le carbone et, éventuellement, les
éléments d’alliage précipités sous forme de carbures. Pour ce faire, il est nécessaire de se
placer dans les conditions où le carbone est soluble dans le fer c’est-à-dire de provoquer, par
chauffage, la transformation du fer en fer
L’austénitisation comporte deux étapes :
- Un chauffage jusqu’à la température dite température d’austénitisation ;
- Un maintien à cette température
La T d’austénitisation est supérieure d’environ 50°C à T limite d’austénisation homogène
Chauffage lent en particulier pour les grosses pièces
Limiter le gradient thermique entre la peau et le cœur
Limiter les contraintes
Les traitements thermiques des aciers dans la masse
Trempe
Les transformations se font hors équilibre diagramme d’équilibre non respecté ici
Objectif : empêcher la précipitation du carbone au cours du retour depuis la température
d’austénitisation jusqu’à la T ambiante, et cela dans la plus grande partie possible de
la
section de la pièce.
Pour obtenir la transformation : Austénite Martensite vitesse de refroidissement
rapide
Vitesse pas assez rapide : Austénite Perlite ou Bainite
Pour un acier donné, les deux facteurs qui vont conditionner le résultat de la trempe sont :
- La trempabilité de l’acier dans les conditions d’austénitisation adoptées
- Les conditions de refroidissement de l’austénite
Les traitements thermiques des aciers dans la masse : trempe
Trempabilité
Définition
La trempabilité de l’acier caractérise les possibilités de réalisation de la structure
martensitique, sans précipitation de carbone, par rapport aux conditions technologiques dans
lesquelles peut être réalisée la trempe
La trempabilité est caractérisée à l’aide des diagrammes de transformation en
refroidissement continu (diagramme TRC) et indirectement, à l’aide des courbes Dureté (HV)
= f (conditions de refroidissement) et, plus pratiquement, à l’aide des courbes Jominy
Plus la trempabilité d’un acier est grande :
Plus est grande la section des pièces dans lesquelles, pour des conditions de
refroidissement données, on peut provoquer la transformation martensitique à cœur
Moins il est nécessaire de refroidir rapidement une pièce de dimensions données
pour engendrer la transformation martensitique à cœur
Les traitements thermiques des aciers dans la masse : trempe
Essai de Jominy : essai normalisé permettant la mesure de la trempabilité
Méthode fixe tous les paramètres qui influent sur la profondeur de la trempe
(conditions de refroidissement, taille et géométrie de l’échantillon)
Échantillon normalisé : forme cylindrique de 25,4 mm de diamètre et 100 mm de longueur
100 mm
Après une austénitisation dont la durée et la
température sont prédéfinies, l’échantillon est
sorti du four et monté rapidement sur le
support de l’appareil.
L’extrémité inférieure de l’échantillon est
alors refroidit par un jet d’eau où la
température et le débit sont précisément
déterminés.
25,4 mm
Les traitements thermiques des aciers dans la masse : trempe
Essai de Jominy :
Une fois l’échantillon à température ambiante, on meule un plat de 0,4 mm de profondeur
afin de réaliser des mesures de duretés
La dureté est mesurée par un indenteur Rockwell
sur les premiers 50,8 mm de l’échantillon avec un pas
de 1,6 mm sur une distance de 12,8 puis un pas de 3,2
mm sur 38 mm restant
Courbe de trempabilité
Les traitements thermiques des aciers dans la masse : trempe
Conditions de refroidissement lors de la trempe
la trempe par immersion de la pièce dans un milieu qui extrait la chaleur contenue dans
celle-ci, ce milieu peut être :
gazeux : air, gaz (N2, Ar, H2, He, etc.)
liquide : eau, huiles et bains de sels fondus (l’eau et les huiles peuvent contenir
des additifs qui modifient leur pouvoir refroidissant)
mixte : brouillard (gaz + liquide atomisé), lit fluidisé (gaz + solide pulvérulent)
Le refroidissement en chaque point d’un volume d’acier dépend :
des propriétés thermiques du métal
de la géométrie de la pièce (forme, dimensions, etc.)
de la position du point considéré dans la section de la pièce
des propriétés thermiques du milieu de trempe et de certaines de ses propriétés
physiques (viscosité notamment)
de la température du milieu de trempe
des conditions dans lesquelles se déroule l’échange thermique entre pièce et
milieu de trempe (volume et agitation du milieu de trempe, état de surface de la
pièce, etc.)
le praticien va devoir tenir compte d’un très grand nombre de paramètres
Les traitements thermiques des aciers dans la masse : trempe
Trempe à l’eau
Milieu de refroidissement le moins cher et refroidissement le plus énergiques
Vitesse de refroidissement n’est pas constante, v maximale lorsque T de surface ~ 300°C
responsable de la formation de tapures
En fonction de la géométrie de la pièce, des bulles de vapeur à la surface
ralentissent local du refroidissement du métal naissance de points doux
Bonne circulation de l’eau / précautions de mise en place
Donc, l’exécution d’une bonne trempe à l’eau exige le contrôle permanent :
- De la température de l’eau
- De l’agitation des pièces
- De la circulation de l’eau et de son renouvellement éventuel
Modification volontairement du pouvoir refroidissant de l’eau en incorporant divers produits
:
- sa sévérité de trempe en mettant en solution des sels
- sa sévérité de trempe en lui ajoutant des polymères organiques
Les traitements thermiques des aciers dans la masse : trempe
Trempe à l’huile
Une grande variété d’huiles de trempe existe, on les distingue par :
- L’huile de base (minérale ou synthétique)
- Les additifs contenus
Vitesse de refroidissement n’est pas constante, v maxi. lorsque T de surface ~ 400-600°C
viscosité de l’huile diminue quand sa T du pouvoir refroidissant
contrôle permanent de la T du bain
Éviter la présence d’eau dans un bain d’huile : eau qui v de refroidissement à haute T
mais v à basse T apparition de tapures
Utilisation de la trempe à l’huile la mise en œuvre de moyens de prévention et de lutte
contre les incendies
Après trempe à l’huile, nécessité de dégraisser les pièces
Les traitements thermiques des aciers dans la masse : trempe
Trempe au gaz
Les conditions de refroidissement dépendent ici :
- De la nature du gaz (et essentiellement de sa capacité thermique)
- De la température du gaz
- De la pression du gaz
- De la vitesse relative du gaz par rapport à la surface de la pièce
L’utilisation d’un gaz neutre évite toute altération chimique de la surface de la pièce.
Connaît un grand développement dans le cadre de l’utilisation des fours à vide. Il permet,
avec l’utilisation de gaz performant (azote, hélium, hydrogène) sous pression et le recours à
une circulation intense, d’espérer la réalisation de conditions de refroidissement similaire à
celles obtenues avec la trempe à l’huile avec l’avantage d’une circulation plus maîtrisable du
fluide de trempe
Lorsque le gaz utilisé doit être recyclé de prévoir un moyen de refroidissement
(échangeur) qui permette d’en extraire la chaleur avant de le renvoyer au contact de la pièce
Les traitements thermiques des aciers dans la masse : trempe
Trempe au brouillard
Réalisée en projetant à la surface de la pièce un fort courant d’air dans lequel de fines
gouttelettes d’eau sont mises en suspension
Le refroidissement est dû à fois au pouvoir refroidissant de l’air en circulation et à la
vaporisation des gouttelettes d’eau lorsqu’elles entrent en contact avec la surface de la pièce
Le pouvoir refroidissant d’un tel brouillard peut être de 4 à 5 fois plus que celui de l’air
utilisé v de refroidissement obtenues sont grandes lorsque la T de la surface de la pièce est
peu élevée
Trempe en bain fluidisé
Un bain fluidisé pour la trempe est constitué par de fines particules (généralement
d’alumine) en suspension dans un courant gazeux
Trempe en bain de sels fondus
Après trempe, les pièces doivent subir un lavage intense et être protégées contre la rouille
Les traitements thermiques des aciers dans la masse : trempe
Déformations et contraintes résiduelles après trempe
Au cours de la trempe d’un acier, des changements de volume se produisent dus :
- au retrait : contraction proportionnelle liée au coefficient de dilatation du métal
- aux transformations allotropiques : gonflement dépendant des conditions dans
lesquelles se déroule la transformation
Pendant la trempe, la température n’est pas uniforme dans toute la pièce, d’où :
- la dilatation de l’acier n’est pas la même en tous points
- la transformation se produit à des instants différents dans la pièce considéré
dilatation anormale ne se manifeste donc pas au même moment en tous points
Cette absence de synchronisme des changements de volume va engendrer :
- des déformations plastiques (à haute température)
- des déformations d'élasticités et donc de contraintes (T<500°C)
apparition de fissure (tapure de trempe)
les contraintes résiduelles ne sont pas toujours nocives et que le mécanicien peut avoir
intérêt à les prendre en compte lorsqu’elles sont favorables à la tenue d’une pièce
Les traitements thermiques des aciers dans la masse : revenu
Le revenu
Objectif : Appliqué aux aciers au carbone alliés ou non alliés, après une trempe, le revenu a
pour objet de provoquer une précipitation du carbone sous une forme et dans des
conditions contrôlées afin de parvenir au durcissement optimal.
Cette opération engendre une évolution structurale depuis l’état métastable obtenu
après trempe vers un état plus proche de l’équilibre physico-chimique
Les paramètres qui définissent les conditions d’exécution d’un revenu sont :
- la température de revenu (T maximale à laquelle est porté l’acier)
- la durée du maintien de T maximale
- la loi de refroidissement à laquelle la pièce est soumise à la fin du revenu
Différents type de revenu (après trempe) existe :
le revenu de détente
le revenu habituel (ou banal)
le revenu de durcissement secondaire
Les traitements thermiques des aciers dans la masse : revenu
Le revenu de détente
- Réalisé à une température comprise entre 180 et 220°C
- Appliqué uniquement une structure totalement martensitique
- Provoque une précipitation souvent incomplète (fonction T) du C sous forme de Carbone
- Permet une diminution des contraintes interne
Évolution des propriétés
- Faible de la résistance à la traction et de la dureté
- très sensiblement la limite d’élasticité
- améliore un peu le niveau des caractéristiques de ductilité
Réalisé lorsque les conditions d’emploi exigent :
conservation des caractéristiques de résistance à leur niveau le plus élevé
sans imposer de contrainte en ce qui concerne la ductilité
Ne provoquant pas de transformation de l’austénite résiduelle (si ce n’est sa stabilisation), il
peut être précédé d’un traitement par le froid si l’on veut disposer du durcissement maximal
Les traitements thermiques des aciers dans la masse : revenu
Le revenu usuel
- Réalisé à une température comprise entre 500 et 575°C
- Provoque la précipitation complète du carbone sous forme de cémentite Fe3C
Suivant la température de revenu, ces carbures sont plus ou moins fins, dispersés et
durcissants ou globulisés, coalescés et peu durcissants
Suivant la température de revenu, dans le domaine considéré, on provoque une baisse plus
ou moins forte des caractéristiques de résistance mais aussi un relèvement très sensible des
caractéristiques de ductilité
Le revenu de durcissement secondaire
- Réalisé à une température comprise entre 600 et 675°C
- Provoque précipitation complète du C sous forme de carbures spéciaux (Cr7C3, Cr23C6, Mo2C, …)
Provoquer un durcissement important accompagné d’une des caractéristiques de ductilité
Particulièrement effectué sur les pièces devant travailler à haute T
Les traitements thermiques des aciers dans la masse : revenu
Choix des conditions de revenu après trempe
Le choix des conditions de revenu commence par la définition du type de revenu qui est
réalisé (fonction des propriétés recherchées) :
- Dureté maximale et conditions de service n’imposent pas une certaine ductilité
revenu de détente à la T 180-220°C, compatible avec les exigences de dureté
- Compromis bien déterminé entre le niveau de la résistance et un niveau de ductilité
revenu banal
- Pour les acier contenant des éléments carburigènes
revenu de durcissement secondaire
Tenir compte que la périphérie d’une pièce subit toujours un maintien à la température de
revenu plus long que celui auquel est soumis le cœur. Cette différence est d’autant plus grande
que le chauffage est plus rapide et la section de la pièce plus importante
chauffage lent et contrôlé.
Les traitements thermiques des aciers dans la masse : recuit
Le recuit
Objectif : éliminé toute l’histoire thermique de l’acier en ramenant le métal à l’équilibre
physico-chimique et mécanique
Principe : réalisé un cycle thermique
Chauffage à une température de recuit
Maintien isotherme à cette température
Refroidissement lent dans l’air ou le four
Propriété recherchée :
Ductilité maximale
Dureté minimale
Bonnes propriétés mécaniques
Dans la pratique, on distingue différents recuits en fonction des buts à atteindre :
- Le recuit d’homogénéisation
- Le recuit de régénération
- Le recuit complet
- Le recuit de détente
Les traitements thermiques des aciers dans la masse : recuit
Le recuit d’homogénéisation
Objectif : réduire les hétérogénéités de composition chimique engendrées par le procédé de
solidification
Pour réduire ces hétérogénéités, on fait intervenir la diffusion en portant l’acier à haute
température (T > 1100°C) et en le maintenant à cette température pendant le temps nécessaire
pour obtenir le résultat souhaité
Le maintien est suivi d’un refroidissement assez rapide, provoquant généralement un fort
grossissement des grains, nécessité d’affiner ultérieurement (réalisation d’un recuit de
régénération
Le recuit de régénération
Objectif : affiner le grain de l’acier après que celui-ci ait subi un grossissement excessif à la
suite d’une surchauffe accidentelle ou d’un recuit d’homogénéisation par exemple
L’affinement des grains de l’acier est possible grâce à la transformation et au
processus de germination et de croissance de l’austénite
Le maintien à T maximale du cycle assurer la mise à T uniforme de la pièce
A T ambiante la structure de l’acier est constituée de ferrite (ou de cémentite) et de perlite
Les traitements thermiques des aciers dans la masse : recuit
Le recuit complet
Objectif : homogénéiser la structure d’un acier non allié ou faiblement allié ; il permet aussi
d’affiner le grain de cet acier
Il se définit essentiellement par son cycle thermique qui comporte :
- une austénitisation (conditions identique que celle qui précède la trempe)
- un refroidissement à l’air libre
Un des intérêts de ce recuit est d’obtenir un matériau dont l’usinage et la déformation à
froid est facilité
Le recuit de détente
Objectif : diminuer les contraintes résiduelles préalablement générées par des cycles
thermiques ayant créé, des gradients thermiques et donc des déformations hétérogènes (à
l’occasion d’opération de formage, de soudage ou de traitements thermiques)
Un traitement de relaxation comporte :
- un chauffage relativement lent (limiter les contraintes liées au gradients
thermiques) à
la température choisie
- un maintien à la température choisie
- un refroidissement relativement lent (limiter les nouvelles contraintes liées au gradients
thermiques)
Les Traitements de surface
Les traitements de surface des aciers
Les traitements thermiques dans la masse améliorent les propriétés mécaniques des aciers
mais ils diminuent la ténacité du matériau
Suivant l’utilisation de la pièce élaborée, ce sont surtout les propriétés de surface qui
prédomine (ex : résistance à l’usure). Pour ces cas, le traitement de surface est préféré afin que
le cœur de la pièce conserve une bonne ténacité et que la peau soit plus résistante
Les traitements de surface sont généralement appliqué sur des aciers ordinaires ou des
aciers peu chargé en éléments d’addition puisque la bonne aptitude à la trempabilité du
matériau n’est alors plus une exigence (contrairement aux traitements dans la masse vu
précédemment)
Deux types de traitements de surface peuvent être identifiés :
- les trempes superficielles modifie la structure de la peau des pièces
- les traitements thermochimiques modifient la composition de la peau des pièces
Les traitements de surface des aciers : trempes superficielles
Les trempes superficielles
Consistent à austénitiser rapidement la peau de la pièce suivie d’une trempe
Un revenu est bien souvent réalisé à la suite de cette trempe
Ce traitement porte sur quelques millimètres d’épaisseur de la pièce
Le chauffage peut se réaliser à partir de cinq méthodes :
- à la flamme (au chalumeau)
- par induction en moyenne ou haute fréquence
- par faisceau laser
- par faisceau d’électrons
- par torche plasma
Les aciers à moyenne teneur en C se prêtent bien à ce traitement
Les traitements de surface des aciers : trempes superficielles
Trempe à la flamme (au chalumeau)
Procédé:
la surface de la pièce est portée en quelques secondes au-delà de 900°C à l’aide d’un
chalumeau ou d’un jeu de brûleurs judicieusement répartis, puis trempée plus ou moins
violemment selon l’épaisseur relative chauffée et la trempabilité de l’acier
La profondeur durcie peut varier entre un millimètre et la pleine section de la pièce
(typiquement jusqu’à 75 mm) selon la durée d’interaction de la flamme et l’efficacité du
refroidissement vis-à-vis de la trempabilité de l’acier
Les différents procédés de trempe à la flamme sont soit :
- de type stationnaire
- soit de type au défilé (« de proche en proche »)
trempe générale instantanée
d’une surface de révolution
trempe au défilé ou
de proche en proche
Les traitements de surface des aciers : trempes superficielles
Trempe avec chauffage par induction en moyenne ou haute fréquence
l’application dominante de l’induction MF demeure le durcissement superficiel localisé
utilisé pour réaliser des revenus sommaires (qq minutes à T < 300°C) ou des recuits
(chauffage vers 900°C/ refroidissement naturel) sur des parties de pièce à défragiliser
Procédé:
La partie de pièce à traiter est soumise, en statique ou au défilé au
champ électromagnétique d’un inducteur alimenté en courant de HF,
typiquement quelques kHz à 400 kHz . Il en résulte des courants
surfaciques induits (courants de Foucault) s’opposant à la variation du
flux inducteur et échauffant la pièce par effet Joule et conduction
thermique
Le refroidissement naturel pas suffisant une trempe sous douche
d’eau, celle-ci se substituant à l’inducteur (procédé statique) ou
opérant juste derrière l’inducteur (procédé au défilé).
durcissements martensitiques sur des épaisseurs superficielles
(~ 0,5 à 5 mm) et des structures intermédiaires assurant la transition
entre la dureté de la martensite et celle du substrat
Schéma de principe d’une
trempe statique ou au défilé
Les traitements de surface des aciers : trempes superficielles
Durcissements en phase solide par faisceau laser, faisceau d’électrons, ou torche plasma
chauffer la pièce par interaction directe de la peau avec les photons d’un faisceau laser, les
électrons d’un faisceau électronique, ou le plasma d’une torche
Procédé:
Pour réaliser des durcissements localisés par transformation allotropique, on peut soit :
- balayer la surface avec un faisceau relativement focalisé
- déplacer avec ou sans recouvrement de petites fenêtres irradiées
Il est néanmoins difficile de maîtriser de très fortes densités de puissance compte tenu des
instabilités d’interaction et des risques de début de fusion en extrême surface
Après passage du faisceau, le refroidissent rapidement par conduction vers le cœur de pièce
resté froid, conduit à une auto-trempe martensitique
zone traitée : quelques dixièmes de millimètre
Les traitements de surface des aciers : trempes superficielles
Par faisceau laser
Utilisation d’une source continue à laser gazeux CO2 , ou un laser solide Nd-YAG.
Longueur d’onde du rayonnement : 10,6 μm
enduire la surface à traiter (phosphatation,
spray de graphite, peinture)
pour améliorer l’absorption et donc le faible
rendement de l’interaction,
Longueur d’onde du laser YAG (1,06 μm)
permet d’éviter le revêtement et autorise
des transferts de puissance flexibles par
fibre optique
Avantages par rapport à l’induction:
- zones affectées thermiquement réduites
- d’autoriser une dureté plus forte liée à une structure plus fine
En revanche, les surfaces relativement étendues ne peuvent être traitées que par
recouvrement de pistes durcies relativement étroites (~ 40 mm pour une source CO2 de 25 kW
et 7 mm pour 1,5 kW)
zones adoucies par revenu (présence des contraintes résiduelles)
Les traitements de surface des aciers : trempes superficielles
Par faisceau faisceau d’électrons
Le durcissement par faisceau d’électrons (ou bombardement électronique) est comparable
au durcissement par laser, mais avec un meilleur rendement d’interaction (jusqu’à 90%)
Les faisceaux d’électrons peuvent être facilement mis en forme et défléchis à HF (balayage
ponctuel, linéaire ou surfacique) par voie électromagnétique pilotée par calculateur
meilleur distribution des fortes densités d’énergie.
Mise en jeux des puissances élevées (plusieurs centaines de kW), ce qui autorise le
traitement de larges surfaces en un seul balayage
La nécessité d’opérer sous vide (< 0,1 Pa) peut exiger des surfaces particulièrement
propres, mais, en contrepartie, la qualité des surfaces traitées permet d’éviter des opérations
de finition
Les traitements de surface des aciers : trempes superficielles
Par torche plasma
Les torches à plasma à arc transféré (PTA) permettent des durcissements de surface de
pièces sans atteindre la fusion car il est possible de moduler la densité de puissance distribuée
par la colonne plasma en jouant sur la distance frontale de la pièce
La pièce à traiter est portée à un potentiel positif par rapport à la cathode de la torche : le jet
de plasma est alors entièrement parcouru par le courant torche-pièce constituant ainsi une
résistance de transfert faible et modulable de l’énergie électrique
La très forte densité d’énergie de la colonne plasma autorise, en fonction des paramètres
courant et tension, de contrôler la profondeur traitée entre 0,5 et 10 mm
Pour les chauffages relativement plus profonds et grossiers des torches plasma à arc
soufflé où le jet de plasma sortant de la tuyère lèche directement la pièce (réglage de la
distance frontale plus critique)
Le faible coût des torches PTA et les larges facilités d’automatisation et de robotisation de
leur déplacement intéressant pour des moyennes séries de pièces exigeant moins de
précision de traitement que celles intéressées par le laser ou le faisceau d’électrons
Les traitements de surface des aciers : traitements thermochimiques
Les traitements thermochimiques
Consistent à modifier la microstructure de la peau de la pièce en réalisant un gradient de
composition chimique
Bien souvent, ce gradient de composition s’effectue par diffusion d’un métalloïde (C, N, ou
les deux)
Les profondeurs atteintes ~ 1 ou 2 mm.
Les traitements les plus connus sont des traitements de cémentation (consiste à faire
pénétrer superficiellement du carbone ou de l’azote (ou les 2) dans un acier afin de le
transformer en surface en un acier fortement carburé susceptible d'être trempé :
Carburation (diffusion du carbone)
Nitruration (diffusion de l’azote)
Carbonitruration (diffusion des deux)
Les traitements de surface des aciers : traitements thermochimiques
La carburation
Consiste à enrichir en carbone la peau de la pièce
Permet d’obtenir des surfaces dures et résistantes à l’usure à partir d’aciers à faibles teneurs
en carbone (0,1 et 0,3% de C).
L’opération de carburation s’effectue dans le domaine
austénitique (900°C). La profondeur du traitement va
dépendre du temps et de la température
Généralement à la suite de la carburation une trempe et un
revenu est réalisé afin de maximiser la dureté de la peau
Différents milieux de carburation sont possibles :
- La cémentation en caisse
- Les bains de cyanures fondus
- Les mélanges gazeux
Relation entre la profondeur totale
de cémentation et la durée totale de
l’opération à température constante
après cémentation en caisse
Les traitements de surface des aciers : traitements thermochimiques
La carburation
La cémentation en caisse :
la pièce est placée dans un mélange de charbon et de fer. Cette technique est de moins en
moins utilisée pour des raisons de coût et d’environnement
Les bains de cyanures fondus :
le milieu liquide est un bain de sels en fusion riche en produits carburants dans lequel on
immerge les pièces. Ce procédé fortement développé jusqu’aux années 70 a beaucoup
décru depuis la dernière décennie. Les raisons essentielles sont liées à l’environnement et
aux conditions de travail et principalement à la nature cyanurée de ces bains. Des
formulations sans cyanure ont été développées pour s’affranchir de cet aspect mais
l’efficacité relative de ces formules et les contraintes des bains de sels même exempts de
cyanures n’ont pas permis de maintenir la place de cette technique par rapport aux
procédés gazeux.
Les mélanges gazeux :
le traitement est réalisé dans un four étanche dans lequel on maintient une atmosphère
contrôlée constituée d’un gaz support auquel on ajoute si nécessaire, pour atteindre le
potentiel carbone souhaité, un gaz d’enrichissement en carbone
Les traitements de surface des aciers : traitements thermochimiques
La nitruration
Solubilité de l’azote dans le fer α est de 0,4% à 590°C
Sa mise en solution est réalisée entre 500 et 550°C
Les agents de nitruration le plus couramment utilisé sont l’ammoniac sous forme gazeuse et
les bains de cyanures fondus
Avant de saturer le fer l’azote tend à former des nitrures finement dispersés. Pour minimiser
la diffusion à cœur et la coalescence de ces nitrures, T basse est conseillée. La présence de ces
nitrures a pour conséquence de limiter le durcissement du métal
Les duretés superficielles obtenues après nitruration sont supérieures à celles obtenues par
carburation.
La zone traitée est de faible épaisseur : 0,2 mm pour un traitement de 10h à 525°C et 0,6
mm pour 60h à 525°C. Ces faibles épaisseurs sont liées à la température du traitement
Comme la nitruration s’opère sur du fer sous la forme et que le durcissement n’est dû
qu’à la formation de nitrure aucun traitement thermique ultérieur n’est nécessaire
Les traitements de surface des aciers : traitements thermochimiques
La carbonitruration
Diffusion simultanément de carbone et d’azote en surface
Traitement très proche de la carburation s’effectue sur du fer sous la forme
Les milieux de carbonitruration sont des bains de cyanures ou des mélanges gazeux
Les propriétés de la couche traité sont intermédiaires aux propriétés des traitements de
carburation et de nitruration
Influence des éléments d’addition
Influence des éléments d’addition
Influence des éléments d’additions
Malgré les différents traitements possibles sur les aciers, les propriétés physiques
demeurent insuffisantes pour certaines utilisations
Limites des propriétés physiques
Résistance mécanique : limité à 700 MPa
Trempabilité : très faible pour les aciers au C (trempe à cœur impossible si > 15 mm
Tenue à chaud : propriétés mécanique s’effondre si T > 400°C
Résistance à l’usure : variable suivant la structure de la matrice
Résistance à la corrosion : bonne uniquement pour des aciers inoxydables
à introduire des éléments d’addition en faible quantité
(Cr, Ni, Mn, Mo, V, W …)
d’obtenir de nouveaux alliages aux propriétés améliorés
Influence des éléments d’addition
Action générale des éléments d’additions
L’action des éléments d’addition sur les caractéristiques des aciers dépend essentiellement
des deux facteurs suivants :
Type de modification apportée au domaine de stabilité de l’austénite.
Élément augmentant le domaine de stabilité de l’austénite tel que l’alliage reste sous la
forme CFC quelle que soit T.
Un tel élément est dit gammagène ; la liste des éléments gammagènes est assez limitée
puisqu’elle ne comporte que Ni, Mn et Cu
Tendance des éléments à se substituer en partie aux atomes de fer de la cémentite ou à
former des carbures.
Éléments augmentant le domaine de stabilité de la cémentite tel que l’alliage reste CC à
toutes T
Un tel élément est dit alphagène. La liste des éléments alphagènes comprend presque tous
les éléments d’alliage habituels tels que Si, Al, Cr, Mo, Ti, W
Influence des éléments d’addition
Action spécifique des éléments d’additions
L’influence des principaux éléments d’addition sur les caractéristiques des aciers est
reporté dans le tableau
Les aciers à outils
Les aciers à outils
Les aciers à outils
Les aciers à outils sont utilisés, dans tous les problèmes de mise en forme des matériaux au
sens le plus large :
- Usinage (tournage, perçage, fraisage...)
- 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)
- Moulage (coulée par gravité ou sous pression d’alliages d’Al, de Cu, de Zn et de Mg,
emballages verriers, industrie du caoutchouc, plasturgie)
- Filage et d’extrusion (aciers et alliages légers, plastiques, pâte de cellulose...).
Les aciers à outils font partie intégrante du domaine des aciers spéciaux
L’outil est sollicité au niveau de sa surface et doit supporter les contraintes les plus sévères.
ne peuvent pas être définis au moyen de lois de comportement simples
nécessite une connaissance précise des conditions de sollicitations pour le choix
Les aciers à outils
Propriétés requises
Dureté : - pour résister aux déformations de la surface lors du travail
- dureté conservée à haute température (T~600°C)
Résistance à l’usure : résistance à l’effet de rayure et au microégrènement par arrachement
de particules lors du frottement contre une autre surface
Ténacité : résistance à des chocs fréquents
Tenue à chaud : - bonne propriétés mécanique
- bonne résistance au fluage
- bonne résistance l’oxydation
Résistance aux chocs thermiques
Trempabilité :
- propriétés homogène
- résistance convenable à la surchauffe et au grossissement du grain
Caractéristiques atteintes en ajoutant un certain nombre d’éléments d’addition
Les aciers à outils
Éléments d’addition
Les éléments d’addition jouent des rôles similaires que dans les autres aciers
Spécificités :
- Les teneurs plus élevés
- Les éléments dont l’affinité est très forte avec le C (Mo,V, W) jouent ici un rôle de
premier plan en formant des carbures très stable
Ces carbures de grande dureté vont permettre d’améliorer la résistance à l’usure et au fluage
Avec des additions massives de ces éléments les teneurs en C peuvent dépasser les 2%.
Les aciers à outils
Les traitements thermiques
L’addition « massive » des éléments d’addition rend difficile l’exécution de traitements
thermiques sur les aciers à outils
La T d’austénisation est très élevée (> 1000°C) mais il faut la contrôler avec précision en
raison de la diminution du domaine d’austénisation
Chauffage par palier (faible vitesse de chauffe)
Les risques de décarburation et de croissance des grains sont importants
maintient de la pièce à la T d’auténitisation juste le temps nécessaire (T soit homogène)
La trempe comporte des risques de déformations et de tapures
Recours à une trempe douce
Les aciers à outils
Désignation et classification des aciers à outils
Les nuances d’aciers à outils sont classées, selon leur mode de travail, en quatre catégories :
les aciers à outils non alliés pour travail à froid
les aciers à outils alliés pour travail à froid
les aciers à outils pour travail à chaud
les aciers à coupe rapide
Aciers à outils non alliés pour travail à froid
Cette classe d’aciers comprend six nuances dont la teneur en C est comprise entre 0,45 et
1,20% en masse. Leur désignation comporte le symbole préfixe C, suivi d’un nombre
exprimant la teneur moyenne en carbone, en centièmes pour cent, puis de la lettre U
spécifique de la désignation d’aciers à outils (Ex : C45U)
Aciers à outils alliés pour travail à froid caractérisés par :
- des niveaux de dureté élevés à T ambiante (entre 56 et 63 HRc)
- des teneurs en C élevées (> 0,6 % en masse)
- des teneurs en éléments fortement carburigènes assez basses (maxi. qq %)
Ex : X 210Cr12 (composition : 12 % Cr, 2,1 % C)
Les aciers à outils
Désignation et classification des aciers à outils
Aciers à outils pour travail à chaud caractérisés par :
- des niveaux de dureté moyens à T ambiante (~ 44 à 55 HRc)
- une résistance à l’adoucissement relativement forte
- des teneurs en C ~ 0,3 et 0,6 %, + additions d’éléments carburigènes (chrome,
molybdène, tungstène et vanadium) et, occasionnellement une addition de cobalt.
Aciers à coupe rapide caractérisés par :
- des niveaux de dureté élevés à la T ambiante (~ 60 et 70 HRc)
- une résistance à l’adoucissement élevée
- des teneurs C > ou = à 0,8 %
- des additions importantes d’éléments carburigènes (tungstène, molybdène,
à un degré moindre de chrome
vanadium) et
Désignation abrégée définie de la manière suivante :
- débute par le symbole HS (high speed)
- les trois (quatre) chiffres donnant les teneurs moyennes en W, Mo, V (et Co) dans
cet
ordre pour les aciers sans (avec) cobalt
- lette C en fin de notation permet de distinguer la variante à teneur en C élevée
Exemples : HS18-0-1 (18 % W, 0 % Mo, 1 % V)
HS6-5-2-5 (6 % W, 5 % Mo, 2 % V, 5 % Co)
Les aciers à outils
Désignation et classification des aciers à outils
En résumé :
classification générale des aciers à outils
Les aciers inoxydables
Les aciers inoxydables
Les aciers inoxydables
Les aciers inoxydables constituent une vaste famille d’alliages métalliques qui ont tous en
commun de contenir du fer et du chrome
Suivant leur teneur en chrome dont le seuil minimal est de 10,5 % et les traitements
métallurgiques qu’ils ont subis, ils présentent un large éventail de propriétés
Constitution des aciers inoxydables
Addition de chrome d’obtenir d’excellente aptitude à résistance à la corrosion
Chrome alphagène
transformation qui se produit au chauffage dépend des teneurs en Cr et en C
5 familles d’aciers inoxydables :
- Aciers inoxydables martensitiques
- Aciers inoxydables ferritiques
- Aciers inoxydables austénitiques
- Aciers inoxydables austénoferritiques
- Aciers inoxydables à durcissement par précipité
Les aciers inoxydables
Constitution des aciers inoxydables
Pour déterminer la structure des aciers inoxydables utiliser le diagramme de Schaeffler
En ordonnée « l’équivalent nickel »
à l’action combinée et pondérée des éléments gammagènes
En abscisse « l’équivalent chrome »
à l’action des éléments alphagènes.
Les aciers inoxydables : aciers inox. martensitiques
Aciers inoxydables martensitiques
Structure et classification
Teneur maximale en C est limitée à 1,2%
Teneur en chrome est comprise entre 11,5 et 18%
Jusqu’à 6% de nickel
Jusqu’à 1,5% de molybdène.
Après trempe structure entièrement martensitique
limite d’élasticité ,
résistance à la rupture
dureté
Suivant leur composition chimique, ils sont divisés en 4 groupes
Les aciers inoxydables : aciers inox. martensitiques
Structure et classification
Nuances du groupe 1 :
- Les moins chargées en carbone
- Teneur en chrome limitée à 13,5 %
la trempe possible
- Aptitudes au soudage
Nuances du groupe 2 :
- des teneurs en chrome et en carbone.
- de la résistance à la corrosion (effet « Cr ») et de la dureté (effet « C »)
- Pas soudables mais peuvent être brasées
Nuances du groupe 3 :
- Duretés les plus mais ductilité
- Plus difficiles à élaborer
- Traitement thermique procédures strictement respectées tapures
Nuances du groupe 4 :
- teneur en nickel et teneur en carbone bonne ductilité
- teneur en molybdène résistance à la corrosion par piqûres
Les aciers inoxydables : aciers inox. martensitiques
Propriétés physiques et caractéristiques mécaniques – Traitement thermique
Pratiquement toujours utilisés à l’état trempé et revenu
Jusqu’à 300°C : - traitement de revenu modifie peu Rm et Rp0,2
- légère de l’allongement et de la résilience
A partir de 550°C, un traitement pratiqué : - Rm et Rp 0,2
- allongement (A)
et ténacité (résilience)
T entre 350 et 550°C doivent être évitées
la précipitation de carbures fins de la ténacité
et de la dureté
Les aciers inoxydables : aciers inox. martensitiques
Propriétés physiques et caractéristiques mécaniques
Les aciers inoxydables martensitiques propriétés physiques relativement homogènes
Famille la moins résistante à la corrosion
Les aciers inoxydables : aciers inox. ferritiques
Aciers inoxydables ferritiques
Structure et classification
Structure reste ferritique dans tout l’intervalle de température
ne subissent pas de transformation
Les nuances industrielles les plus utilisées peuvent être divisées en trois groupes :
Les plus utilisés
des ferritiques
Les aciers
réfractaires
Les aciers inoxydables : aciers inox. ferritiques
Aciers inoxydables ferritiques à 11 % de chrome (groupe 1)
Les nuances les plus courantes du groupe 1 ont :
- Teneur en chrome de l’ordre de 11 à 12%
- Teneur en carbone (< 0,03% et typiquement ~ 0,015%)
La plus importante (quantités produites) est la nuance X2CrTi12
Utilisée dans les lignes d’échappement des automobiles
Excellentes performances à la mise en œuvre (formage, emboutissage,
cintrage et soudage)
Résistance à la corrosion suffisante pour l’application considérée
La seconde nuance X2CrNi12
- Après traitement thermique à T~800°C
Limite d’élasticité > 320 MPa
Allongement à rupture ~30%
Structure : ferrite et carbures dispersés homogènement
- Alliage soudé
Absence de stabilisant transformation martensitique (> 90%)
La martensite à bas C excellente ténacité et une dureté
modérée
Les aciers inoxydables : aciers inox. ferritiques
Aciers inoxydables ferritiques à 17 % de chrome (groupe 2)
Les nuances du groupe 2 comprennent
- La nuance de référence X6Cr17 (16,5% Cr et 0,05% C)
- Ces dérivées obtenues par abaissement de la teneur en interstitiels (C+N)
Introduction 1 ou 2 stabilisants (Ti) + ajout de Mo
permet de fixer N et C sous la forme de nitrures (TiN) et de carbures (TiC) ou
de carbonitrures
la stabilisation doit rendre l’acier insensible à la corrosion intergranulaire
Les aciers inoxydables : aciers inox. ferritiques
Aciers inoxydables superferritiques (groupe 3)
La nuance caractéristique de ce groupe : X2CrMoTi29-4 (29% Cr, 4% Mo)
- Basse teneur en C + stabilisation par Ti bonne ténacité et résistance exceptionnelle
- Teneur en Cr risque « fragilisation à 475°C »
Ce phénomène se manifeste entre 400 et 550°C et se caractérise de la dureté et de
la ténacité lors de maintien de longues durées (plusieurs centaines heures). Il s’agit
d’un phénomène de durcissement secondaire dû à la formation de fins précipités ’
dans la matrice ferritique ou
il est déconseillé d’utiliser des aciers inoxydables ferritiques pendant de longues périodes
à des températures supérieures à 300°C.
Les aciers inoxydables : aciers inox. ferritiques
Propriétés physiques et caractéristiques mécaniques
Utilisé après traitement thermique final de recuit entre 800 et 950°C
Pas durcissables par un traitement thermique mais uniquement par écrouissage
Courbe de traction présente ~ aciers doux (partie linéaire suivie partie curviligne)
Les propriétés physiques des aciers inoxydables ferritiques sont :
Les aciers inoxydables : aciers inox. austénitiques
Aciers inoxydables austénitiques
Alliages : fer-chrome-nickel (molybdène)
Représentent 80% du marché mondial
- Structure cristallographique CFC ductilité et ténacité exceptionnelles pour une
large gamme de T
- Excellente soudabilité opératoire et métallurgique facilite la mise en oeuvre
Nuance de base X5CrNi18-10 (18% Cr, 9,5% Ni et 0,05% C)
- Couvre environ 80 % des applications des nuances austénitiques
Suivant le type d’application visé développe de nombreux alliages (éléments d’addition)
Alliages fer-chrome-manganèse-nickel
Ecrouissage plus rapidement que Fe-Cr-Ni pas déformation plastique
Les alliages Fe-Cr-Mn-Ni contenant plus de 16 % de chrome n’ont pas la même
résistance à la corrosion que les nuances austénitiques au nickel
Les aciers inoxydables : aciers inox. austénitiques
Aciers inoxydables austénitiques
Aciers inoxydables superausténitiques
Nuances destinées à résister à des milieux particulièrement agressifs
Compositions chimiques adaptées à la résistance à la corrosion du milieux spécifiques
Addition de molybdène à une teneur > 2,0 % améliorer très nettement la résistance à la
corrosion par piqûres dans les milieux chlorurés (environnements « marins ») et au contact
des acides réducteurs
Propriétés physiques et caractéristiques mécaniques
Courbe d’un acier inoxydable austénitique
- Aucune séparation entre le domaine d'élasticité et le domaine plastique
Les propriétés physiques des aciers inoxydables austénitiques
Les aciers inoxydables : aciers inox. austénoferritiques
Aciers inoxydables austénoferritiques
Aciers inoxydables superausténitiques
Alliage représentatif X2CrNiMoN22-5-3 : meilleurs compromis entre
- Bonne résistance aux corrosions intergranulaires, sous contrainte et par piqûres et
- Limite d’élasticité élevée (x2 celles des aciers inoxydables austénitiques)
Nuance X2CrNiN23-4 relativement bon marché
-Caractéristiques mécaniques élevées et bonne soudabilité
Excellent matériau de structure
Autres nuances résistance à la corrosion
Propriétés physiques et caractéristiques mécaniques
Les aciers inoxydables : aciers inox. à durcissement par précipitation
Aciers inoxydables à durcissement par précipitation
Famille d’aciers inoxydables dont les caractéristiques mécaniques sont obtenues à l’issue
d’un traitement de durcissement secondaire suivant un traitement thermique de trempe ou
d’hypertrempe
Il existe trois groupes d’aciers inoxydables à durcissement par précipitation :
- Aciers martensitiques à transformation directe
- Aciers semi-austénitiques ou à transformation martensitique indirecte
- Aciers austénitiques à durcissement par durcissement secondaire
Propriétés physiques et caractéristiques mécaniques
Les aciers inoxydables : critères de choix
Les critères de choix
Le choix d’un acier inoxydable est basé sur une série de critères :
- Résistance à la corrosion durée de vie
- Caractéristiques mécaniques (résistance mécanique, ductilité, ténacité)
- Gamme de T
Matériau de choix dans les applications « alimentaires » et « médicales »
Acier inoxydable est 100 % recyclable
Exigences:
*** élevées
** élevées
*
moyennes