Le processus de transformation de l'austénite pendant le traitement thermique

Pendant le processus de traitement thermique, la transformation de l'austénite (γ - Fe, structure cubique à faces centrées, une solution solide de carbone dans le γ - Fe) est l'étape centrale qui détermine la microstructure finale et les propriétés des matériaux d'acier. Elle se compose principalement de deux étapes : la formation de l'austénite (austénitisation) et la transformation par refroidissement de l'austénite. Voici une description détaillée du processus de transformation et de ses caractéristiques : 

I. Formation de l'Austénite (Austénitisation)

L'austénitisation fait référence au processus où l'acier est chauffé au --dessus de sa température critique (Ac₁ ou Ac₃), et la perlite (un mélange de ferrite et de cémentite) se transforme en austénite. Son essence est la transformation de la structure cristalline de la structure cubique centrée (ferrite) à la structure cubique à faces centrées (austénite) par diffusion atomique. Elle est divisée en quatre étapes :

1. Nucléation de l'austénite

Lorsqu'il est chauffé au -dessus de la température Ac₁, l'austénite se nucléé d'abord à l'interface entre la ferrite et la cémentite dans la perlite. C'est parce que l'interface a une énergie élevée (existence d'énergie de distorsion) et que la concentration de carbone est inégale (la teneur en carbone dans la ferrite est faible, tandis que celle dans la cémentite est élevée), répondant aux conditions thermodynamiques et cinétiques pour la nucléation.

2. Croissance de l'austénite

Les cristaux d'austénite formés continuent de croître en "absorbant" la ferrite et le cémentite de la zone environnante :

La ferrite (cubique centré sur les sommets) se transforme en austénite (cubique centré sur les faces) grâce à un réarrangement atomique ;

Le cémentite (Fe₃C) se décompose en atomes de carbone et de fer, et les atomes de carbone diffusent dans l'austénite (la solubilité du carbone dans l'austénite est beaucoup plus élevée que dans la ferrite).

3. Dissolution des carbures résiduels

Lorsque la perlite se transforme complètement en austénite, si la température de chauffage est suffisamment élevée ou si le temps de maintien est suffisamment long, le cémentite incomplètement décomposé (carbures résiduels) continuera de se dissoudre dans l'austénite jusqu'à disparaître complètement.

4. Homogénéisation de la composition de l'austénite

En raison de la distribution inégale de la concentration de carbone dans l'austénite initiale (teneur en carbone plus élevée dans la zone de cémentite et plus faible dans la zone de ferrite), une homogénéisation de la composition par diffusion des atomes de carbone est nécessaire, formant finalement une austénite de composition uniforme. 

II. Transformation de refroidissement de l'austénite

La transformation de refroidissement de l'austénite est un aspect clé dans le traitement thermique (le cœur des procédés tels que la trempe, le recuit et la normalisation), et les produits de transformation dépendent de la vitesse de refroidissement et de la température de transformation. Elle peut être divisée en deux grandes catégories : la transformation isotherme (transformation à une température constante) et la transformation de refroidissement continu (transformation pendant le refroidissement continu). Correspondant à différents produits de transformation.

1. Transformation isotherme (Basée sur la courbe TTT)

La transformation isotherme consiste à refroidir rapidement l'austénite à une certaine température (en dessous de A₁) et à la maintenir à cette température pour achever la transformation dans des conditions de température constante. La loi de transformation peut être décrite par la courbe TTT (courbe de cinétique de transformation isotherme). En fonction de la température de transformation, les produits peuvent être classés en trois types :

(1) Transformation en perlite (Zone de haute température, de A₁ à 550°C)

Mécanisme de transformation : Transformation de type diffusion (à la fois les atomes de fer et les atomes de carbone subissent une diffusion).

Forme du produit : Un mélange en couches de ferrite (α-Fe) et de cémentite (Fe₃C), connu sous le nom de perlite.

En fonction du degré d'affinement de l'espacement lamellaire, il peut être classé comme suit :

Perlite : L'espacement lamellaire est relativement large (espacement > 0,5 μm), facilement distinguishable au microscope optique ;

Spéroidite : L'espacement lamellaire est relativement fin (0,1 - 0,5 μm), nécessitant une observation au microscope à haute puissance ;

Troostite : L'espacement lamellaire est extrêmement fin (<0,1 μm), seulement distinguishable au microscope électronique.

Caractéristiques de performance : Plus l'espacement lamellaire est fin, plus la résistance et la dureté sont élevées (par exemple, la dureté de la troostite > de la spéroidite > de la perlite), mais la ténacité est généralement bonne.

(2) Transformation de bainite (Zone de température moyenne, de 550°C au point Ms)

Mécanisme de transformation : Transformation de type semi-diffusion (les atomes de fer ne diffusent pas, tandis que les atomes de carbone subissent une diffusion à courte distance).

Forme du produit : Selon la température de formation, il peut être classé comme suit :

Bainite supérieure : Formée dans la plage de 550°C à 350°C, présentant une apparence « en plume » (agencement parallèle de bandes de ferrite, avec des carbonitrures répartis entre les bandes) ;

Bainite inférieure : Formée dans la plage de 350°C au point Ms, présentant une apparence « en aiguille » (particules fines de carbonitrures uniformément réparties dans les aiguilles de ferrite).

Caractéristiques de performance : La bainite supérieure a une mauvaise ténacité (les carbonitrures entre bandes sont susceptibles de provoquer une concentration de contraintes) ; La bainite inférieure a une haute résistance (dureté de 50 - 60 HRC) et une bonne ténacité (meilleure que la bainite supérieure et la perlite), étant une excellente structure de matériau composite.

(3) Transformation martensitique (Zone basse température, en dessous du point Ms)

Mécanisme de transformation : Transformation de type non-diffusif (les atomes ne subissent que des déplacements de cisaillement, sans diffusion à longue distance), appartenant à la transformation de type « cisaillement ».

Forme du produit : Solution solide de carbone sursaturé α-Fe (structure cubique centrée), présentant des formes en aiguilles ou en plaques :

Martensite à haute teneur en carbone : Lorsque la teneur en carbone est > 1,0 %, elle présente une forme « en aiguilles » (se croisant et avec des microfissures) ;

Martensite à basse teneur en carbone : Lorsque la teneur en carbone est < 0,2 %, elle présente une forme « en plaques » (agencement parallèle, sans fissures).

Caractéristiques de performance : La dureté est extrêmement élevée (martensite à basse teneur en carbone ~ 30 - 50 HRC, martensite à haute teneur en carbone ~ 60 - 65 HRC), mais fragile (en particulier la martensite à haute teneur en carbone), et après transformation, il y aura de l'austénite résiduelle (austénite résiduelle).

Températures critiques :

Point Ms : Température de début de transformation martensitique (diminue avec l'augmentation de la teneur en carbone, fer pur Ms ≈ 910°C, avec 1,0 % de carbone, Ms ≈ 210°C) ;

Point Mf : Température de fin de transformation martensitique (avec une teneur en carbone excessive, Mf peut être inférieure à la température ambiante, entraînant de l'austénite résiduelle à température ambiante). La vitesse de refroidissement est relativement lente (par exemple la normalisation) : Dans des conditions de refroidissement à l'air, on obtient de la perlite finement lamellaire (scheelite) ;

La vitesse de refroidissement est relativement rapide (comme le refroidissement à l'huile) : Cela peut entraîner la formation de bainite (refroidissement à vitesse moyenne) ;

La vitesse de refroidissement est extrêmement rapide (comme la trempe à l'eau) : Au-delà de la "vitesse de refroidissement critique", il est directement refroidi au-dessous du point Ms, entraînant la formation de martensite (+ austénite résiduelle). 

III. Facteurs clés affectant la transformation de l'austénite

1. Composition chimique :

Teneur en carbone : Augmenter la teneur en carbone abaisse les points Ms et Mf, augmente la quantité d'austénite résiduelle ; accélère la transformation en perlite et retarde les transformations en bainite et en martensite.

Éléments d'alliage : Des éléments tels que le Cr, le Ni et le Mn abaissent le point Ms et retardent la transformation en martensite ; des éléments tels que le Si et le Mo affinent la structure de la perlite ou de la bainite.

2. Conditions d'austénitisation :

Plus la température de chauffage est élevée et plus le temps de maintien est long, plus les grains d'austénite sont grossiers, plus la composition est uniforme et plus la vitesse de transformation lors du refroidissement ultérieur est lente (les grains grossiers réduisent la vitesse de nucléation).

Vitesse de refroidissement : C'est le facteur clé qui détermine les produits de transformation (par exemple, la clé du trempe est « de refroidir rapidement pour éviter la zone de transformation perlite / bainite »). 

Résumé

Mots-clés: acier austénitique