Qu'est-ce qui rend la martensite si essentielle au renforcement de l'acier, et comment ses différentes formes influencent-elles ses propriétés ? Cet article explore les diverses morphologies de la martensite, y compris la martensite en lattes, en paillettes, en papillons et ε', ainsi que leurs caractéristiques uniques. En comprenant ces variations, vous comprendrez comment chaque type influence les propriétés mécaniques de l'acier, ce qui est essentiel pour les applications exigeant une résistance et une ténacité spécifiques.
La structure martensitique obtenue par trempe joue un rôle essentiel dans la résistance et la ténacité de l'acier.
Toutefois, en raison des variations dans le type, la composition et les conditions de traitement thermique de l'acier, la morphologie, la structure fine interne et la susceptibilité aux microfissures de la martensite trempée peuvent varier de manière significative.
Ces changements ont un impact profond sur les propriétés mécaniques de la martensite.
Il est donc impératif d'avoir une compréhension approfondie des caractéristiques morphologiques de la martensite et de comprendre les divers facteurs qui influencent sa morphologie.
La morphologie et la structure fine de la martensite ont été largement étudiées à l'aide de la microscopie électronique à transmission en couche mince.
La recherche a révélé que, bien que la morphologie de la martensite dans l'acier puisse être diverse, ses caractéristiques peuvent généralement être classées dans les catégories suivantes :
La martensite en lattes est une structure de martensite courante qui se forme dans l'acier à faible ou moyen carbone, l'acier maraging, l'acier inoxydable et d'autres alliages à base de fer.
La figure 1 illustre la structure typique de la martensite en lattes dans l'acier doux.
Fig. 1 Bande martensitique 100X à faible teneur en carbone Acier allié (0,03% C, 2% Mn)
La microstructure de certains aciers est constituée de nombreux groupes de lattes, c'est pourquoi on parle de martensite en lattes.
Dans certains cas, la latte n'est pas facilement exposée ou attaquée et apparaît plutôt sous forme de blocs, d'où son nom alternatif de martensite en bloc.
La sous-structure principale de ce type de martensite étant la dislocation, elle est communément appelée martensite de dislocation.
La martensite en grappe est composée de plusieurs groupes de lattes, chaque groupe de bandes étant constitué de plusieurs bandes de taille approximativement égale, disposées grossièrement parallèlement les unes aux autres dans une direction particulière.
La figure 2 met en évidence la dislocation à haute densité à l'intérieur des lattes, caractéristique de la martensite des lattes.
Fig. 2 Microstructure de transmission en couche mince d'un matériau à faible teneur en oxygène. acier allié au carbone (0,03% C, 2% Mn) 20000X
En outre, des jumeaux de transformation de phase peuvent exister dans les lattes, mais ils sont généralement localisés et ne sont pas présents en quantités significatives, et ils ne constituent pas non plus la principale forme de structure fine.
La relation d'orientation cristalline entre la martensite en lattes et son parent austénite est généralement appelée relation de Kurdjumov-Sachs (K-S), le plan de l'habitude étant (111)γ.
Cependant, dans le cas de l'acier inoxydable 18-8, le plan d'habitude de la martensite en lattes est (225)γ.
La figure 3 illustre les caractéristiques cristallographiques de la microstructure de la martensite de la latte, telles qu'elles ont été déterminées par la recherche.
Fig. 3 Schéma des caractéristiques cristallographiques de la microstructure de la martensite en lattes
Une grande zone composée de faisceaux de martensite disposés en parallèle est appelée groupe de lattes et est désignée par A.
Un seul grain d'austénite primaire peut contenir plusieurs groupes de lattes, généralement de 3 à 5.
Chaque groupe de bandes peut être divisé en plusieurs régions parallèles, comme la région B illustrée dans la figure.
Dans certains cas, lorsque certaines solutions sont utilisées pour la corrosion, seule la limite du groupe de lattes est visible, ce qui donne à la microstructure un aspect en bloc, d'où le nom de martensite en bloc.
Lorsque des techniques de gravure colorée sont utilisées, telles que 100cc HCl + 5g CaCl2 + 100cc CH3CH, des tons noirs et blancs peuvent être observés dans le groupe des lattes.
Les régions de même tonalité correspondent à des lattes de martensite de même orientation et sont appelées "faisceaux homotropes".
Selon la relation d'orientation Kurdjumov-Sachs (K-S), la martensite peut présenter 24 orientations différentes dans l'austénite mère, dont six orientations qui peuvent générer de la martensite en lattes en parallèle (voir figure 4).
Fig. 4 Martensite (111) dans l'acier γ Orientation possible lors du formage sur le plan
Un faisceau isopathique fait référence à un faisceau de lattes qui ont été transformées à partir d'une des lattes.
Plusieurs faisceaux parallèles et colinéaires se combinent pour former un groupe de bandes.
Certains chercheurs suggèrent qu'au sein d'un groupe de lattes, seuls deux groupes peuvent alterner leurs positions.
Par conséquent, un groupe de lattes est généralement composé de deux groupes de faisceaux de lattes alignés qui alternent l'un avec l'autre, et peuvent également alterner l'un avec l'autre aux limites de grains à grand angle. Toutefois, dans certains cas, le groupe de lattes est principalement composé d'un seul type de faisceau homotrope, comme illustré en C dans la figure 3.
Un faisceau aligné est constitué de bandes disposées parallèlement, comme illustré en D dans la figure 3.
Ce scénario peut être observé au microscope électronique, comme le montre la figure 5.
Fig. 5 Quelques microstructures dans le faisceau isotrope de martensite en lattes dans l'alliage Fe-0.2% C (micrographie électronique à transmission)
D'après les résultats de la recherche sur l'alliage Fe-0.2% C, la distribution de la largeur de bande est une distribution log-normale, comme le montre la figure 6.
Fig. 6 Distribution des bandes pour la technologie des films et des répliques
Comme le montre la figure, la largeur des lattes ayant la fréquence d'apparition la plus élevée est comprise entre 0,15 et 0,20μm, et la courbe de distribution est fortement biaisée en faveur des lattes de plus petite taille. Cependant, une petite proportion de lattes ont une largeur de 1 à 2μm.
La figure 7 montre que les plus grosses lattes sont souvent réparties dans le faisceau de lattes, ce qui est une caractéristique essentielle de la microstructure du faisceau de lattes.
Fig. 7 Microstructure de la martensite en lattes dans l'alliage Fe-0.2% C (micrographie électronique à transmission)
Les résultats expérimentaux indiquent que le changement de la température d'austénitisation modifie la taille des grains d'austénite mais n'a qu'un impact minime sur la distribution de la largeur de la latte.
Toutefois, la taille du groupe de lattes augmente avec la taille du grain d'austénite, tandis que le rapport entre les deux reste à peu près constant. Ainsi, le nombre de groupes de lattes générés dans un grain austénitique reste généralement inchangé.
Des mesures au microscope électronique à couche mince montrent que la surface de la limite de la latte par unité de volume de martensite est d'environ 65 000 cm²/cm³.
La surface des limites cristallines à petit angle dans le faisceau de lattes est environ 5 fois supérieure à celle des limites cristallines à grand angle.
Dans l'alliage Fe-Cr-Ni basé sur l'acier inoxydable 18-8, il est possible de générer à la fois de la martensite en lattes et de la ε'-martensite (réseau hexagonal très serré), ce qui donne une microstructure très différente de celle de l'alliage Fe-C, comme le montre la figure 8.
Fig. 8 Microstructure de l'alliage Fe-15% Cr-12&Ni (Ms=- 90 °) lath martensite (corrosion à l'eau régale, glycérine)
La structure ne contient pas de groupes de lattes ou de faisceaux sympositionnels ; elle est plutôt créée comme un groupe de lattes mince entourant une feuille de ε'-martensite (comme le montrent les bandes parallèles de la figure).
Néanmoins, la structure microscopique électronique de cette martensite est identique à celle que l'on trouve dans les alliages Fe-C et Fe-Ni.
Une autre structure de martensite typique dans les alliages de la série du fer est la martensite lamellaire, que l'on trouve couramment dans les aciers trempés à haute et moyenne teneur en carbone et dans les alliages à haute teneur en Ni Fe Ni.
La structure lamellaire typique de la martensite en acier à haute teneur en carbone est présentée à la figure 9.
Fig. 9 Structure de trempe surchauffée de l'acier T12A 400X (chauffé à 1000 ℃, trempé à l'eau)
Ce type spécifique de martensite est connu sous différents noms, tels que la martensite lenticulaire, en raison de sa forme biconvexe semblable à une lentille. Elle est également appelée martensite aciculaire ou martensite en forme de feuille de bambou, car lorsqu'elle est observée au microscope en croisant la surface de broyage de l'échantillon, elle apparaît comme des structures en forme d'aiguille ou de feuille de bambou.
La sous-structure de la martensite lamellaire est principalement composée de jumeaux, c'est pourquoi elle est également appelée martensite jumelle. La microstructure de la martensite lamellaire est caractérisée par le fait que les lamelles ne sont pas parallèles entre elles.
Lorsqu'un grain austénitique de composition uniforme est refroidi à une température légèrement inférieure à Ms, la martensite formée en premier traverse tout le grain austénitique et le divise en deux moitiés. Cela limite la taille de la martensite formée ultérieurement, ce qui se traduit par une martensite lamellaire de taille variable. Comme le montre la figure 10, les lamelles de martensite formées ultérieurement ont tendance à être plus petites.
Fig. 10 Microstructure de la martensite lamellaire
La taille des paillettes dépend presque entièrement de la taille des grains d'austénite.
La martensite feuilletée est souvent visible avec une arête moyenne évidente (voir Fig. 11).
Fig. 11 Martensite en écailles (avec arête centrale évidente, l'acier T12 est cémenté à 1200 ℃ pendant 5 heures et trempé à 180 ℃).
Actuellement, la règle de formation des crêtes médianes n'est pas bien définie.
Le plan d'habitude de la martensite lamellaire est soit (225) γ, soit (259) γ. La relation d'orientation avec la phase mère est soit la relation Kurdjumov-Sachs (K-S), soit la relation Xishan.
Comme le montre la figure 12, la martensite contient de nombreuses lignes fines qui sont des cristaux de Luan de transformation, tandis que les fines nervures en bandes dans la partie centrale du joint sont des crêtes moyennes.
Fig. 12 Structure TEM de la martensite lamellaire
L'existence d'un cristal de Lüders de transformation est une caractéristique importante de la martensite lamellaire.
L'espacement des cristaux de Lüders est d'environ 50 Å et ne s'étend généralement pas jusqu'à la limite de la martensite.
Le bord de la feuille présente un réseau complexe de dislocations, dont on pense généralement qu'il s'agit de dislocations à vis disposées régulièrement dans la direction [111] α'.
Le cristal de Lüders de transformation dans la martensite lamellaire est généralement un cristal de Lüders (112)α'.
Cependant, dans l'alliage Fe-1.82% C (c/a=1.08), un cristal de Lüders (110) se mélangera à un cristal de Lüders (112)α'.
En fonction de la sous-structure interne de la martensite lamellaire, celle-ci peut être divisée en deux zones : la zone de transformation jumelle (partie centrale) centrée sur l'arête centrale et la zone sans jumeaux (dans la partie environnante de la lamelle, il y a des dislocations).
La proportion de zones jumelles varie en fonction de la composition de l'alliage.
Dans les alliages Fe-Ni, plus la teneur en Ni est élevée (plus le taux d'oxydation est faible), plus le taux d'oxydation est élevé. Mme point), plus la zone jumelle est étendue.
D'après des recherches sur l'alliage Fe-Ni-C, même pour un alliage de même composition, la proportion de la zone jumelle augmente avec la diminution du point Ms (causée par exemple par le changement de la température d'austénitisation).
Cependant, la densité des jumeaux de transformation ne change pratiquement pas et l'épaisseur des jumeaux reste d'environ 50 Å.
La martensite en lattes et la martensite lamellaire sont les deux morphologies de martensite les plus courantes dans l'acier et les alliages.
Leurs caractéristiques morphologiques et cristallographiques sont énumérées dans le tableau 1.
Tableau 1 Types et caractéristiques de la martensite dans les alliages fer-carbone
| Caractéristiques | Martensite en lattes | Martensite lamellaire | |
| Surface habituelle | （111） γ | （225） γ | （259） γ |
| relation d'orientation | Relation K-S (111) γ lll（110） α '【110】 γ 【111】 α.' | Relation K-S (111) γ lll（110） α '【110】 γ 【111】 α.' | Xishan relation (111) yll (110) α.' 【211】 γ ll【110】 α.' |
| Température de formation | M>350℃ | M≈200~100℃ | M.<100℃ |
| Composition de l'alliage% C | <0.3 | 1~1.4 | 1.4~2 |
| Fermé à 0,3~1 | |||
| Histomorphologie | Les lattes sont généralement disposées en groupes parallèles depuis la limite du grain d'austénite jusqu'à l'intérieur du grain, et la largeur de la latte est généralement de 0,1~0,2 μ, la longueur inférieure à 10 μ. Un grain austénitique contient plusieurs groupes de lattes. Il existe des joints de grains à petit angle entre les corps de lattes et des joints de grains à grand angle entre les groupes de lattes. | La feuille de lentille convexe (ou aiguille, feuille de bambou) est légèrement plus épaisse au milieu, la lamelle primaire est plus épaisse et plus longue, et elle traverse les grains d'austénite, tandis que la lamelle secondaire est plus petite. Entre les lamelles primaires et la limite des grains d'austénite, l'angle entre les lamelles est important et elles entrent en collision les unes avec les autres pour former des microfissures. | Sur la même gauche, il y a une arête moyenne au centre de la tranche, et des tranches minces avec une distribution en zigzag sont communes entre les deux tranches primaires. |
| Structure de l'entreprise | Réseau de dislocations (enchevêtrement), la densité des dislocations augmente avec le temps. teneur en carboneUne petite quantité de fines jumelles peut parfois être observée à 1012cm/cm3. | Les jumeaux fins d'une largeur d'environ 50 ｜ forment les régions de Lie et de jumeaux de transformation avec l'arête centrale comme centre. Lorsque le point M diminue, la région de jumeaux de transformation augmente, et le bord de la feuille est un réseau complexe de dislocations. Le plan de jumelage est (112) α ※, la direction de jumelage est [11I] α ' | |
| Processus formatif | Nucléation par refroidissement, de nouvelles feuilles de martensite (lattes) sont produites uniquement pendant le refroidissement. | ||
| La vitesse de croissance est faible, et une latte est formée en environ 10-4s | La vitesse de croissance est élevée, et une feuille est formée en environ 10-7s | ||
| Il n'y a pas de transformation "explosive", et le taux de transformation par refroidissement est d'environ 1%/℃ à moins de 50% de la quantité de transformation. | Lorsque M<0 ℃, il y a une transformation "explosive", et la nouvelle feuille de martensite ne se produit pas uniformément avec la baisse de température, mais en raison de l'effet d'auto-déclenchement, elle se forme en groupes (en forme de "Z") continuellement et massivement dans une très petite plage de température, accompagnée d'une augmentation de température de 20~30 ℃. | ||
3.1 Martensite papillon
Dans les alliages Fe Ni ou Fe Ni C, lorsque la martensite se forme dans une certaine plage de température, une martensite à la morphologie particulière apparaît, comme le montre la figure 13.
Fig. 13 Microstructure de la martensite plate
La forme tridimensionnelle de cette martensite est une tige mince, et sa section est en forme de papillon, d'où son nom de martensite papillon.
On a découvert que la martensite papillon se forme dans l'alliage Fe-31% Ni ou Fe-29% Ni-0,26% C dans la plage de température de 0 à -60 ℃.
Des études au microscope électronique ont confirmé que sa sous-structure interne comprend des dislocations de haute densité, sans jumeaux visibles.
La relation cristallographique avec la phase mère adhère généralement à la relation K-S. La martensite papillon se forme principalement entre 0 et -20 ℃, coexistant avec la martensite lamellaire entre -20 et -60 ℃.
On peut observer que, pour les deux systèmes d'alliage susmentionnés, la plage de température de formation de la martensite papillon se situe entre la plage de température de formation de la martensite en lattes et de la martensite lamellaire.
La jonction de deux ailes de martensite papillon est très similaire à l'arête médiane de la martensite lamellaire. On suppose que la martensite (probablement jumelée) qui se développe à partir d'ici vers les deux côtés selon des orientations différentes aura la forme d'un papillon.
La partie conjointe de la martensite papillon ressemble à la partie conjointe de deux morceaux de martensite formés par une explosion, mais elle ne contient pas de structure jumelle, ce qui est différent de la martensite en feuille.
Du point de vue de la structure interne et de la microstructure, la martensite papillon est similaire à la martensite latte, mais elle ne se présente pas en rangées.
À l'heure actuelle, de nombreux aspects de la martensite papillon ne sont pas encore clairs. Toutefois, sa morphologie et ses propriétés se situent entre la martensite en lattes et la martensite lamellaire, ce qui en fait un sujet intéressant à explorer.
3.2 Martensite feuilletée
Cette martensite a été découverte dans un alliage Fe-Ni-C qui présente un point Ms exceptionnellement bas. Elle se présente sous la forme d'une bande très fine en trois dimensions, les bandes se croisant et présentant des torsions, des branches et d'autres formes uniques, comme le montre la figure 14c.
Fig. 14 Alliage Fe-Ni-C refroidi au point Ms
Microstructure de la martensite formée à la même température
La structure microscopique électronique de cette martensite est illustrée à la figure 15.
Fig. 15 Structure microscopique électronique de la martensite lamellaire (Fe-31%, Ni0.23% C, Ms=- 190 ℃, refroidie à - 196 ℃)
Le matériau examiné est une martensite Luan complète composée de (112) cristaux α' Luan sans arête centrale, ce qui la distingue de la martensite lamellaire.
Il a été observé que la morphologie de la martensite du système Fe-Ni-C passe de lenticulaire à lamellaire lorsque la température de formation diminue.
Dans l'alliage Fe-Ni-C avec une teneur en carbone d'environ 0,25% et Ms = -66 ℃, la structure est une martensite lamellaire explosive, comme le montre la figure 14a.
Lorsque Ms diminue jusqu'à -150 ℃, une petite quantité de martensite lamellaire commence à apparaître, comme le montre la figure 14b.
Au point où Ms chute à -171 ℃, la structure entière est composée de martensite lamellaire (voir figure 14c).
Il a été constaté que la température de transition entre la feuille de verre et la feuille mince augmente avec la teneur en carbone.
Lorsque la teneur en carbone atteint 0,8%, la zone de formation de la martensite lamellaire est inférieure à -100 ℃.
Lorsque la température de transformation diminue, la transformation de la martensite lamellaire entraîne non seulement la formation continue de nouveaux feuillets de martensite, mais aussi l'épaississement des anciens feuillets de martensite.
L'épaississement des anciennes feuilles de martensite n'est pas visible dans la martensite lamellaire.
3.3 ε' Martensite
Toutes les martensites mentionnées ci-dessus ont une structure cubique centrée sur le corps (α') ou carrée centrée sur le corps.
Dans les alliages où l'énergie des failles d'empilement est faible dans l'austénite, une martensite ε' hexagonale dense peut également se former.
Ce type de martensite est prédominant dans les alliages à forte teneur en Mn-Fe-C.
Cependant, l'acier inoxydable 18-8 représenté par les alliages Fe-Cr-Ni coexiste souvent avec de l'α'-martensite.
ε' est également mince, comme le montre la figure 16.
Le long de la surface (111) γ, widmanstatten est observée, avec une sous-structure caractérisée par de nombreuses failles d'empilement.
Fig. 16 Microstructure martensitique de l'alliage Fe-16.4% Mn (corrosion par l'alcool nitrique)
La présence d'éléments d'alliage dans l'acier a un impact crucial sur la forme de la martensite.
Un exemple courant est que la forme de la martensite dans les alliages Fe-C et Fe-Ni passe du lattis à l'écaille au fur et à mesure que la teneur en alliage augmente. Par exemple, dans l'alliage Fe-C, en dessous de 0,3% de carbone, la martensite est en forme de latte, tandis qu'au-dessus de 1% de carbone, elle devient en forme de flocon. Dans la plage de 0,3% à 1,0% de carbone, les deux formes de martensite peuvent être présentes.
Cependant, différentes sources peuvent présenter des concentrations incohérentes qui déclenchent la transition de la martensite en lattes à la martensite lamellaire. Cette variabilité est liée à l'effet de la vitesse de trempe, une vitesse de trempe plus élevée entraînant une concentration minimale de carbone plus faible requise pour la formation de martensite double.
La figure 17 illustre l'impact de la teneur en carbone sur le type de martensite, le point Ms et la quantité d'eau de refroidissement. austénite retenue dans les alliages Fe-C.
Fig. 17 Effet de la teneur en carbone sur le point Ms, la teneur en martensite de la latte et le point Ms. austénite retenue (acier au carbone trempé à température ambiante)
La figure montre que l'acier dont la teneur en carbone est inférieure à 0,4% ne contient pratiquement pas d'austénite retenue.
Lorsque la teneur en carbone augmente, le point Ms diminue tandis que la quantité de martensite à cristaux de Luan et d'austénite retenue augmente.
Le tableau 2 résume la relation entre la morphologie de la martensite et la composition des alliages de fer binaires.
Tableau 2 Morphologie de la martensite des alliages binaires de Fe
|
Système d'alliage |
Martensite en lattes |
Martensite lamellaire |
Martensite | |||||
|
Composition de l'alliage (%) |
Point M (℃) |
Composition de l'alliage (%) |
Point M (℃) |
Composition de l'alliage (5%) | ||||
|
Zone Y étendue |
Fe-C Fe-N Fe-Ni Fe-Pt Fe-Mn Fe-Ru Fe-Ir Fe-Cu Fe-Co |
<1.0 <0.7 <29 <20.5 <14.5 7.5~19 20~48 2~6 0~1 1~24 |
700~200 700~350 700~25 700~400 700~150 600~200 550~40 – 700~620 620~800 |
0.6~1.95 0.7~2.5 29~24 24.6 – – – – – – |
500~40 350~100 25~195 -30 – – – – |
– – – – 14.5~27 11~17 35~53 – – – | ||
|
Réduction de la zone Y |
Fe-Cr Fe-Mo Fe-Sn Fe-V Fe-W |
<10 <1.94 <1.3 <0.5 <0.3 |
700~260 700~180 |
– – – – – |
– – – – – |
– – – – – | ||
Le tableau montre que tous les éléments d'alliage de la zone γ sont transformés en martensite en lattes.
Au fur et à mesure que la concentration d'éléments d'alliage dans la zone P élargie augmente, le point Ms général diminue de manière significative, accompagné d'un changement dans la morphologie de la martensite.
Par exemple, dans les alliages binaires tels que Fe-C, Fe-N, Fe-Ni, Fe-Pt et autres, la morphologie de la martensite se transforme de latte en flocon avec l'augmentation de la teneur en éléments de l'alliage.
Cependant, l'ajout de Mn, Ru et Ir peut réduire considérablement l'énergie des failles d'empilement de l'austénite, ce qui entraîne une modification de la morphologie de la martensite, qui passe de la latte à la martensite ε', avec une augmentation de la teneur en éléments d'alliage dans les alliages de fer binaires.
Les alliages Fe-Cu et Fe-Co sont des exceptions parmi les éléments de la zone γ élargie.
Bien que le Cu fasse partie des éléments de la zone Y en expansion, la faible quantité de solution solide dans le Fe conduit à un point Ms relativement stable, et il montre donc la même tendance que les alliages de la zone Y en contraction.
L'alliage Fe-Co est unique par rapport aux autres alliages. Avec l'augmentation de la teneur en Co, le point Ms augmente, ce qui en fait un cas particulier.
En général, il existe différents types d'alliages éléments en acierMais si un troisième élément est ajouté à un alliage Fe-C ou Fe-Ni, une petite quantité ne modifiera pas de manière significative la morphologie de la martensite par rapport à celle de l'alliage binaire.
Comme indiqué précédemment, les alliages Fe-Ni-C peuvent former de la martensite en nappe, en papillon, en feuille de lentille et en feuille mince. La relation entre la température de formation de ces quatre formes de martensite, la teneur en carbone et le point Ms est illustrée à la figure 18.
Fig. 18 Relation entre la morphologie de la martensite, la teneur en carbone et le point Ms de l'alliage Fe-Ni-C
La figure montre que la température de formation de la martensite lenticulaire et lamellaire augmente avec la teneur en carbone.
La figure met également en évidence la zone de formation de la martensite papillon par une zone hachurée.
Le tableau 3 résume la relation entre la morphologie, la sous-structure et les caractéristiques cristallographiques de la martensite dans les alliages à base de fer.
Tableau 3 Caractéristiques de la martensite du système Fe
| Surface habituelle | relation d'orientation | Morphologie de la martensite | Deuxième type de cisaillement | Substructure dans la martensite | M. Point | Énergie de faille de l'austénite | Qualité de l'acier |
| （111） （225）（259） | K-S K-S Xishan | Latte | Jumelage par glissement | Dislocation | Haut moyen faible | Faible faible ou moyen élevé | Cuivre à faible teneur en carbone, acier à haute teneur en Mn, acier à faible teneur en Ni ; acier à haute et moyenne teneur en carbone, acier inoxydable, acier à teneur moyenne en nickel ; acier à haute teneur en Ni, acier à très haute teneur en carbone |
Dans l'acier, la martensite avec une teneur en carbone inférieure à 0,20% est généralement considérée comme ayant une structure de réseau cubique centrée sur le corps. La martensite dont la teneur en carbone est supérieure à 0,20% est considérée comme ayant une structure de réseau tétragonale centrée sur le corps.
On pense généralement que la martensite cubique centrée sur le corps dans l'acier à faible teneur en carbone est équivalente à la martensite de dislocation, tandis que la martensite tétragonale centrée sur le corps est équivalente à la martensite jumelle à haute teneur en carbone. Toutefois, dans les alliages Fe-Ni, la martensite jumelle peut également avoir une structure cubique centrée sur le corps.
Par conséquent, la relation entre la structure cristalline et la sous-structure reste incertaine.
La discussion ci-dessus couvre la loi du changement de morphologie de la martensite due à un changement de composition de l'alliage.
Actuellement, les facteurs qui influencent ce changement font l'objet de nombreux débats et il n'y a pas de consensus clair.
Il est largement admis que les changements morphologiques sont essentiellement des changements dans la sous-structure, et les points de vue les plus courants sont les suivants :
Les partisans de ce point de vue estiment que la morphologie de la martensite dépend de la température Ms.
Ils affirment que dans les alliages Fe-C, une augmentation de la teneur en carbone entraîne une diminution de la température Ms.
À des températures inférieures à une certaine plage (300-320℃), il devient plus facile de former des jumeaux de transformation et la martensite lamellaire qui en résulte.
Le tableau 4 présente la relation entre la morphologie de la martensite, les caractéristiques cristallines de l'acier au carbone, la teneur en carbone et la température Ms.
Tableau 4 Relation entre la morphologie de la martensite et les caractéristiques cristallographiques de l'acier au carbone, d'une part, et la teneur en carbone et le point Ms de l'acier, d'autre part.
| Teneur en carbone (%) | Structure cristalline | Relation d'orientation | Surface habituelle | M. Point (℃) | Morphologie de la martensite |
| <0.3 | Corps centré cubique ou carré | Relation K-S | （111） | >350 | Martensite en lattes |
| 0.3~1.0 | Carré du centroïde | Relation K-S | Bande (111), feuille (225) | 350~200 | Martensite mixte |
| 1.0~1.4 | Carré du centroïde | Relation K-S | （225） | <200 | Martensite en écailles avec jumeaux partiels et dislocations dans la sous-structure |
| 1.4~1.8 | Corps - Carré de cœur | Relation Xishan | （259） | <100 | Martensite lamellaire typique avec arête médiane évidente et arrangement en forme de "Z". |
La transformation de la morphologie de la martensite, qui passe de l'état de latte à l'état de flocon avec la diminution du point Ms, peut s'expliquer comme suit :
Le tableau 4 montre une corrélation entre la surface d'habitude et la morphologie de la martensite. On estime généralement que la température de formation de la martensite à faible teneur en carbone est élevée, le plan (111) γ étant le plan d'habitude en raison de son important cisaillement. À ces températures élevées, le glissement est plus facile à réaliser que le jumelage et il y a moins de systèmes cristallins (111) γ dans le réseau cubique à faces centrées, ce qui entraîne un nombre limité d'orientations initiales pour la formation de la martensite, conduisant à la formation de martensite en grappes au sein de la même austénite.
Lorsque la température du point Ms diminue, le jumelage devient plus facile à réaliser que le glissement, et le plan d'habitude se déplace vers (225) γ ou (259) γ. Ce déplacement entraîne un nombre accru de systèmes cristallins et d'orientations initiales pour la formation de martensite, conduisant à la formation de martensite lamellaire à cristaux Li avec des feuilles adjacentes non parallèles les unes aux autres au sein de la même austénite.
Il a été établi que la formation de martensite à haute température ne peut pas aboutir à une martensite lamellaire jumelle, même si l'austénite est considérablement renforcée. Le point Ms des alliages Fe-Ni-C peut être modifié en changeant la température d'austénitisation, ce qui permet d'obtenir différents points Ms dans le même alliage.
Lorsque la température de refroidissement est légèrement inférieure au point Ms correspondant, on peut observer un changement de morphologie de la martensite, qui passe d'une forme de papillon à une forme de feuille. En outre, la diminution de la température de formation entraîne une augmentation de la zone de transformation jumelle.
La morphologie de la martensite induite par déformation formée dans le même alliage à différentes températures supérieures au point Ms a également été étudiée, révélant que la morphologie de la martensite change avec le changement de la température de déformation (c'est-à-dire la température de formation de la martensite induite par déformation). Ces résultats confirment que la morphologie de la martensite et la structure interne de ce type d'alliage sont uniquement liées au point Ms.
En outre, sous haute pression et lorsque le point Ms diminue, les jumeaux de transformation sont plus susceptibles de se produire, ce qui entraîne un changement dans la morphologie de la martensite, qui passe d'une latte à une feuille, comme le montre la figure 19. Cette preuve expérimentale confirme l'importance du point Ms.
Fig. 19 Effet d'une pression de 4000MPa sur le point Ms et la structure martensitique de l'alliage ferromagnétique
Dans le processus de formation actuel, plusieurs martensites sont produites consécutivement à des températures variables entre les points Ms et Mf.
La température à laquelle chaque cristal de martensite se forme est unique, de sorte que la structure interne et la morphologie de chaque cristal de martensite sont également distinctes.
Il est donc plus exact d'affirmer que la température de formation, plutôt que le point Ms, affecte la morphologie et la structure interne de la martensite.
Kelly et al. proposent une hypothèse selon laquelle plus l'énergie des failles d'empilement de l'austénite est faible, plus il est difficile de produire la transformation en cristaux de bainite et plus il est probable de former de la martensite en lattes.
L'acier inoxydable 18-8 et l'alliage Fe-8% Cr-1.1% C présentent tous deux de faibles énergies de défaut d'empilement. À la température de l'azote liquide, la martensite à dislocation se forme. Ce phénomène est difficile à expliquer à l'aide de l'hypothèse du point Ms, mais il peut être pris en compte par cette hypothèse.
En outre, dans la martensite lamellaire de l'alliage Fe-30~33% Ni, la zone jumelle de transformation augmente avec la teneur en Ni. Comme on sait que le Ni augmente l'énergie des failles d'empilement de l'austénite, ce phénomène expérimental confirme l'hypothèse.
Il convient de noter que ce phénomène expérimental peut également être expliqué par la théorie du point Ms, puisque le Ni diminue le point Ms.
Récemment, Davis et Magee ont proposé une hypothèse concernant la relation entre la résistance de l'austénite et la morphologie de la martensite. Ils ont utilisé une méthode d'alliage pour modifier la résistance de l'austénite et ont étudié les changements qui en résultent dans la morphologie de la martensite.
Les résultats ont révélé que la morphologie de la martensite change en fonction de la résistance de l'austénite. limite d'élasticité au point Ms, qui est d'environ 206MPa. Au-dessus de cette limite, une martensite lamellaire avec un plan d'habitude de {259} γ se forme. En dessous de cette limite, il se forme soit de la martensite en lattes avec un plan d'habitude de {111} γ, soit de la martensite lamellaire avec un plan d'habitude de {225} γ.
Par conséquent, Davis et Magee pensent que la résistance de l'austénite est le principal facteur qui affecte la morphologie de la martensite. Ils ont également étudié la résistance de la martensite. Lorsque la résistance de l'austénite est inférieure à 206MPa, si la résistance de la martensite résultante est élevée, elle se forme sous forme de martensite {225}γ. Si la résistance de la martensite est faible, la martensite {111}γ se forme.
Cette hypothèse peut être appliquée pour expliquer les changements morphologiques résultant des changements de composition de l'alliage ou du point Ms, en particulier la transformation de {111}γ en {225}γ dans les alliages Fe Ni et de {111}γ en {225}γ en {259}γ dans les alliages Fe-C.
En outre, l'hypothèse permet de comprendre clairement la formation de la martensite {225}γ, qui n'était pas bien définie dans le passé. Elle se forme lorsque l'austénite faible se transforme en martensite forte.
Alors que le carbone a des effets limités sur le renforcement de l'austénite, il a un impact significatif sur le renforcement de la martensite. La martensite {225}γ apparaît principalement dans les systèmes d'alliage à forte teneur en carbone.
Cette hypothèse repose sur les éléments suivants :
Si la relaxation de la contrainte de transformation dans la martensite se produit uniquement par déformation de maclage, la martensite résultante aura le plan d'habitude {259} γ.
Lorsque la relaxation de la contrainte de transformation s'effectue en partie dans l'austénite par le mode de glissement et en partie dans la martensite par le mode de maclage, la martensite aura le plan d'habitude {225} γ.
Si la martensite subit également un mode de glissement, le plan d'habitude sera {111} γ.
Les résultats expérimentaux suggèrent que cette hypothèse est partiellement correcte, mais des recherches supplémentaires sont encore nécessaires à l'avenir.
Il convient de noter que la résistance de l'austénite et de la martensite, telle qu'elle est décrite dans cette hypothèse, est étroitement liée à divers facteurs tels que la composition de l'alliage, le type, le point Ms, l'énergie des défauts d'empilement austénitiques, et d'autres encore. Par conséquent, cette hypothèse ne peut être considérée comme isolée.
Cette hypothèse souligne que la structure interne de la martensite est principalement déterminée par le mode de déformation au cours de la transformation, qui est principalement contrôlé par la contrainte de cisaillement critique de glissement ou de jumelage.
La figure 20 illustre l'effet de la contrainte de cisaillement critique du glissement ou du jumelage de la martensite et de la température de Ms et Mf sur la formation de la morphologie de la martensite.
Fig. 20 Diagramme schématique de l'influence de la contrainte de cisaillement critique et de la température Ms Mf sur la morphologie de la martensite causée par le glissement ou le jumelage de la martensite
Les flèches de la figure représentent les directions potentielles de mouvement pour les lignes correspondantes, qui sont causées par des changements dans la composition de l'alliage. Le déplacement des lignes entraîne le déplacement de l'intersection des courbes jumelles de glissement.
La figure montre que pour l'acier à faible teneur en carbone (où les points Ms et Mf sont tous deux élevés), la contrainte de cisaillement critique requise pour le glissement est inférieure à celle requise pour le maclage, ce qui entraîne la formation d'une martensite lamellaire avec une forte densité de dislocations. Inversement, pour l'acier à haute teneur en carbone (où les points Ms et Mf sont tous deux faibles), la contrainte de cisaillement critique requise pour le maclage est faible, ce qui entraîne la formation d'une martensite lamellaire avec un grand nombre de macles.
Dans le cas d'une teneur moyenne en carbone, les points Ms et Mf sont indiqués sur la figure. Au cours de la transformation martensitique, la martensite en lattes se forme en premier, suivie de la martensite lamellaire. Il en résulte une structure mixte des deux types de martensite.
Bien que ce point de vue semble fondamentalement correct, les facteurs qui provoquent des changements dans la contrainte de cisaillement et la manière dont la composition de l'alliage ou le point Ms influencent la contrainte de cisaillement critique pour le glissement martensitique ou le jumelage ne sont pas encore clairs.
Certains pensent que l'augmentation de la force motrice de transformation conduit à la transformation en martensite lamellaire. Pour les alliages Fe-C, la limite de la force motrice pour le changement de morphologie de la martensite est de 1318 J/mol, et pour les alliages Fe-Ni, elle se situe entre 1255 et 1464 J/mol. D'autres pensent que l'augmentation de la teneur en C et N dans la martensite, qui provoque la mise en ordre, est étroitement liée à la transformation morphologique.
Lorsque l'acier à haute teneur en carbone est trempé, il est susceptible de former des microfissures dans la martensite.
Auparavant, on pensait que ces microfissures étaient le résultat de microcontraintes causées par l'expansion du volume au cours de la transformation martensitique.
Cependant, des observations métallographiques récentes ont révélé que la formation de microfissures est en fait due à la collision de la martensite en croissance, comme l'illustre la figure 21.
Figure 21. Schéma des microfissures formées par la collision de deux feuillets de martensite Fe-C. (La section A-A représente la section transversale d'un feuillet de martensite, qui a diffusé en deux feuillets de martensite).
La formation de martensite se produit rapidement. Lorsque des feuilles de martensite entrent en collision les unes avec les autres ou avec un joint de grain d'austénite, un champ de contrainte important est généré par l'impact.
La martensite à haute teneur en carbone étant extrêmement cassante et ne pouvant être soulagée par le glissement ou la déformation jumelée, elle est sujette à la formation de fissures d'impact.
Ce défaut inhérent augmente la fragilité de l'acier martensitique à haute teneur en carbone.
Sous l'influence d'autres facteurs de stress, tels que les contraintes thermiques et structurelles, les microfissures se transforment en macrofissures.
La présence de microfissures réduit également de manière significative la durée de vie des composants.
Les microfissures dans la martensite lamellaire de l'alliage Fe-C se produisent souvent à la jonction de plusieurs aiguilles de martensite radiales ou à l'intérieur des aiguilles de martensite, comme l'illustre la figure 22.
Fig. 22 Caractéristiques microscopiques optiques des microfissures dans la martensite de l'alliage Fe-1.39% C
La sensibilité de la formation de microfissures dans la martensite est généralement exprimée en termes de surface de microfissures par unité de volume de martensite (Sv).
Des preuves expérimentales suggèrent que la sensibilité de la martensite à la formation de microfissures est influencée par plusieurs facteurs, notamment :
Avec la diminution de la température de refroidissement de la trempe, la quantité d'austénite retenue (représentée par γR) dans la structure de l'acier trempé diminue, ce qui entraîne une augmentation de la quantité de martensite et de la sensibilité à la formation de microfissures, comme le montre la figure 23.
Fig. 23 Relation entre la sensibilité aux microfissures de la formation de martensite Fe-C et la température de trempe (1,39% C, chauffé à 1200 ℃ pendant 1 heure).
La figure 24 illustre la relation entre le degré de transformation de la martensite et la susceptibilité à la formation de microfissures.
Fig. 24 Relation entre la sensibilité aux microfissures (SV) de la formation de martensite dans l'alliage Fe-1.86% C et le volume moyen (V) de chaque morceau de martensite, le nombre de feuilles de martensite dans l'unité de volume (NV) et la transformation de la martensite :
D'après la figure, la sensibilité à la formation de microfissures (Sv) augmente avec la variable de transformation de la martensite, cependant, lorsque la fraction de transformation (f) dépasse 0,27, Sv ne continue pas à augmenter.
Même si le nombre de martensites par unité de volume (Nv) augmente, la taille de la feuille de martensite formée, représentée par le volume moyen (V) d'un morceau de martensite, diminue en raison de la division continue de l'austénite.
Ainsi, la taille de la feuille de martensite (V) peut avoir une valeur critique qui affecte la sensibilité (Sv) à la formation de microfissures. Si V dépasse cette valeur critique, la sensibilité à la formation de microfissures (Sv) augmente avec la fraction de transformation.
En conclusion, la formation de fissures est principalement déterminée par la taille des feuilles de martensite. Alors que le nombre total et la surface des fissures peuvent augmenter avec la variable de transformation de la martensite, les grands feuillets de martensite formés au stade initial entraînent la formation de la majorité des fissures au cours des premiers stades de la transformation.
L'expérience montre que lorsque la longueur de la feuille de martensite augmente (c'est-à-dire que la taille maximale de la feuille augmente), la susceptibilité de la martensite à la formation de microfissures augmente également, comme le montre la figure 25.
Fig. 25 Relation entre la sensibilité à la formation de microfissures et la longueur de la feuille de martensite (le nombre à côté du point est la teneur en martensite%)
En raison de leur taille, les longues feuilles de martensite sont plus susceptibles d'être heurtées par d'autres feuilles de martensite. En outre, elles ont tendance à croiser des grains d'austénite, ce qui augmente la probabilité de rencontrer des joints de grains.
Des expériences ont montré que les microfissures se forment principalement dans la martensite grossière, tandis que la martensite fine entraîne rarement la formation de microfissures.
Par conséquent, il existe probablement une taille critique de martensite pour l'apparition de microfissures dans la martensite. De même, si la composition de l'austénite est relativement uniforme, il y aura une taille de grain critique d'austénite en dessous de laquelle les microfissures ne se produiront pas.
L'idée que de fins grains d'austénite peuvent réduire les microfissures dans l'acier à haute teneur en carbone trempé a été mise en œuvre dans la production. Cependant, on ne sait toujours pas si la sensibilité aux microfissures dépend de la taille de la feuille de martensite elle-même ou du champ de contrainte généré par la croissance des feuilles de martensite de taille critique.
Dans le cas d'une austénite homogène, la longueur des feuillets de martensite formés au stade initial est liée à la taille des grains d'austénite. Les gros grains d'austénite entraînent la formation d'une martensite grossière, plus propice à la formation de microfissures.
Les résultats expérimentaux, comme le montre la figure 26, confirment cette idée. Ils indiquent que l'acier à haute teneur en carbone est plus susceptible de se fissurer lorsqu'il est trempé à des températures plus élevées.
Par conséquent, il est généralement recommandé de choisir une température de trempe plus basse pour la trempe des aciers à haute teneur en carbone.
Fig. 26 Effet de la taille des grains d'austénite de l'acier au carbone (1.22% C) sur la sensibilité aux microfissures sur le terrain
L'effet de la teneur en carbone sur la formation de microfissures dans la martensite est illustré à la figure 27.
Fig. 27 Effet de la teneur en carbone dans la martensite sur la sensibilité aux microfissures
La figure 27 montre que la probabilité de formation de microfissures augmente avec la teneur en carbone de la martensite.
Toutefois, si la teneur en carbone de l'austénite est supérieure à 1,4%, la susceptibilité à la formation de microfissures diminue. Ce phénomène est lié au plan d'habitude du cristal au cours de la transformation martensitique.
Lorsque la teneur en carbone de l'acier dépasse 1,4%, la forme de la martensite change. Les feuilles deviennent plus épaisses et plus courtes, l'angle entre les feuilles de martensite devient plus petit, et la force d'impact et la contrainte sont réduites. Par conséquent, la sensibilité à la formation de microfissures diminue.
Le tableau 5 montre que la sensibilité à la formation de microfissures dans l'acier au carbone 1.39% diminue de manière significative avec la baisse de la teneur en carbone dans la martensite. Les données sont présentées pour une taille de grain de 3.
|
A1~Aw température (℃) |
Teneur en carbone dans la martensite (%) |
Austénite retenue (%) |
Quantité de carbure (%) |
Sensibilité à la formation de microfissures S. (mm-1) |
|
1010 910 871 857 834 799 768 732 |
1.39 1.30 1.21 1.18 1.05 1.01 0.92 0.83 |
33.5 22 15 13 12 8 9 6 |
3.9 6 6.5 12 15 17.5 20 |
18 17 13 9 10 4.5 1.5 0.15 |
L'analyse métallographique indique que la réduction de la sensibilité aux microfissures est associée à la présence de martensite en lattes à croissance plus parallèle dans la microstructure.
La martensite en latte présente une plasticité et une ténacité élevées, et le risque d'impact mutuel est réduit en raison de la croissance parallèle de la martensite en latte, ce qui entraîne une faible sensibilité aux microfissures.
Comme indiqué précédemment, l'acier à haute teneur en carbone est susceptible de se fissurer en raison de sa structure de grains d'austénite grossière et de sa teneur élevée en carbone dans la martensite. Pour atténuer ce problème, le processus de production tend à utiliser des températures de chauffage plus basses et des temps de maintien plus courts afin de réduire la teneur en carbone de la martensite et d'obtenir des grains plus fins.
En général, les aciers hypereutectoïdes, qui subissent une trempe incomplète, produisent de la martensite cryptocristalline, moins sujette à la microfissuration. C'est pourquoi ils présentent d'excellentes propriétés générales.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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