Transformation de l'acier pendant le refroidissement - Widmanstatten 1. Formation de la structure Widmanstatten Dans la production actuelle, les aciers hypoeutectoïdes dont la teneur en carbone (ωc) est inférieure à 0,6% et les aciers hypereutectoïdes dont la teneur en carbone est supérieure à 1,2% sont refroidis à l'air après la coulée, le laminage à chaud et le forgeage. Le cordon de soudure ou la zone affectée thermiquement est refroidi soit par [...]
Dans la production actuelle, l'acier hypoeutectoïde avec une teneur en carbone (ωc) inférieure à 0,6% et l'acier hypereutectoïde avec une teneur en carbone supérieure à 1,2% sont refroidis à l'air après la coulée, le laminage à chaud et le forgeage. Les cordon de soudure ou la zone affectée thermiquement est refroidie à l'air ou, lorsque la température est trop élevée, rapidement refroidie. Il en résulte la croissance et la précipitation de ferrite pré-eutectoïde ou de cémentite pré-eutectoïde à partir du joint de grain de l'austénite le long de certains plans cristallins de l'austénite, à la manière d'une aiguille.
Au microscope métallographique, on peut observer la présence de ferrite ou de cémentite aciculaires presque parallèles ou régulièrement disposées et la structure perlite entre elles. Cette structure est appelée Widmanstätten, et la figure suivante illustre les Widmanstätten de la ferrite et de la cémentite.
La ferrite de Widmanstatten se forme par un mécanisme de cisaillement, similaire au processus de la baïnite. Il en résulte un échantillon convexe.
En raison de la vitesse de refroidissement élevée lors de la formation, la ferrite ne peut précipiter que le long d'une surface cristalline spécifique de austénite et présente une relation d'orientation cristalline avec sa phase mère, l'austénite.
La formation de ferrite aciculaire peut se produire directement à partir de l'austénite ou la ferrite en réseau peut être précipitée le long des joints de grains de l'austénite et croître parallèlement dans le cristal.
Lors de la formation de la ferrite de Widmanstatten, le carbone se diffuse de part et d'autre de la ferrite dans la phase mère, l'austénite, ce qui entraîne la formation d'une couche d'oxyde d'aluminium. teneur en carbone de l'austénite entre les aiguilles de ferrite augmente continuellement et finit par se transformer en perlite.
La ferrite Widmanstatten formée par le mécanisme de transformation de la baïnite est en fait une baïnite sans carbone.
La formation de la structure Widmanstatten dépend de la teneur en carbone, de la taille des grains d'austénite et de la vitesse de refroidissement (température de transformation) de l'acier.
La figure suivante illustre la température de formation et la plage de teneur en carbone pour différentes ferrites et cémentites. Comme le montre la figure, la structure Widmanstatten (zone W) ne peut se former qu'à des vitesses de refroidissement relativement rapides et dans une plage spécifique de teneur en carbone.
Pour l'acier hypoeutectoïde, si la fraction massique de carbone dépasse 0,6%, il devient difficile de former la structure de Widmanstatten en raison de sa teneur élevée en carbone et de la faible probabilité de formation d'une zone pauvre en carbone.
Les recherches montrent que pour l'acier hypoeutectoïde, la structure de Widmanstatten ne peut se former que lorsque la teneur en carbone se situe dans une fourchette étroite de ωc = 0,15% à 0,35% et que la vitesse de refroidissement est rapide, avec une taille de grain d'austénite fine.
Plus le grain d'austénite est fin, plus il est facile de former de la ferrite en réseau, mais pas la structure de Widmanstatten. En revanche, plus le grain d'austénite est grossier, plus il est facile de former la structure de Widmanstatten et plus la plage de teneur en carbone requise pour la former s'élargit.
Ainsi, la structure Widmanstatten est typiquement observée dans l'acier avec une structure de grain d'austénite grossière.
(1) Le Widmanstatten est un type de structure surchauffée dans l'acier qui peut avoir un impact négatif sur les propriétés mécaniques de l'acier. Il s'agit notamment d'une réduction de la résistance aux chocs et de la plasticité, ainsi que d'une augmentation de la température de transition fragile, ce qui rend l'acier plus vulnérable aux fractures fragiles.
(2) Il est largement reconnu que la résistance et la résilience de l'acier ne sont réduites de manière significative que lorsque le grain d'austénite est grossi, qu'une structure de ferrite grossière ou de cémentite Widmanstatten apparaît et que la matrice est sérieusement fragmentée.
Cependant, lorsque le grain d'austénite est relativement fin, même s'il y a une petite quantité de ferrite aciculaire dans la structure Widmanstatten, les propriétés mécaniques de l'acier ne seront pas affectées de manière significative. Ceci est dû à la sous-structure plus fine et à la densité de dislocation plus élevée de la ferrite dans la structure Widmanstatten.
(3) La réduction des propriétés mécaniques de l'acier due à la structure de Widmanstatten est toujours liée au grossissement des grains d'austénite. Si la structure de Widmanstatten apparaît dans l'acier ou l'acier moulé et réduit ses propriétés mécaniques, la première étape consiste à déterminer si elle est causée par le grossissement des grains d'austénite dû à des températures de chauffage élevées.
(4) Pour les aciers qui sont sujets à la structure Widmanstatten, celle-ci peut être évitée ou éliminée par un contrôle approprié du processus de laminage, la réduction de la température finale de forgeage, le contrôle de la vitesse de refroidissement après le forgeage, ou la modification du processus de traitement thermique, comme par exemple trempe et revenuLe grain peut être affiné par la normalisation, le recuit ou la trempe isotherme.
1. La définition
(1) Transformation martensitique : La transformation de phase non diffuse qui a lieu lorsque l'acier est rapidement refroidi à partir de l'état austénitique pour empêcher sa décomposition diffuse (en dessous de l'état austénitique). Point MS) est connue sous le nom de transformation martensitique.
Il est important de noter que la transformation est caractéristique de la martensite et que les produits de la transformation sont tous désignés sous le nom de martensite.
(2) Martensite : Par essence, la martensite dans l'acier est une solution solide interstitielle où le carbone est sursaturé en α-Fe.
2. Le cristal structure de la martensite
La structure cristalline martensitique peut prendre les formes suivantes :
3. Microstructure de la martensite
Il existe deux formes principales de martensite dans l'acier : la martensite en lattes (martensite de dislocation) et la martensite lamellaire (également connue sous le nom de martensite en aiguilles).
(1) Martensite en lattes
La martensite est une structure martensitique courante que l'on trouve dans l'acier à faible teneur en carbone, l'acier à teneur moyenne en carbone, l'acier maraging, l'acier inoxydable et d'autres alliages à base de fer.
a) Morphologie structurelle : latte de martensite (D) → faisceau de martensite (B-2 ; C-1) → groupe de lattes (3-5) → latte de martensite.
b) Les lattes denses sont généralement séparées par de l'austénite résiduelle à forte teneur en carbone.
La présence de cette fine couche d'austénite résiduelle peut améliorer de manière significative les propriétés mécaniques de l'acier.
c) Il y a un grand nombre de dislocations dans la martensite en lattes, et la distribution de ces dislocations n'est pas uniforme.
Elle forme une sous-structure cellulaire, appelée cellule de dislocation, c'est pourquoi elle est également appelée martensite de dislocation.
(2) Martensite lamellaire
La martensite lamellaire se trouve dans l'acier à haute teneur en carbone (ωC > 0,6%), l'acier inoxydable au nickel (ωNi = 30%) et certains métaux et alliages non ferreux.
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(a) Morphologie structurelle : La morphologie spatiale de la martensite lamellaire a la forme d'une lentille convexe.
En raison de la découpe de l'échantillon pendant le polissage, sa section transversale apparaît comme une aiguille ou une feuille de bambou au microscope optique.
Par conséquent, la martensite lamellaire est également connue sous le nom de martensite en forme d'aiguille ou de martensite en forme de feuille de bambou.
(b) Caractéristiques de la microstructure : Les feuillets de martensite dans la martensite lamellaire ne sont pas parallèles les uns aux autres.
Dans un grain d'austénite, la martensite formée par la première feuille s'étend souvent sur l'ensemble du grain d'austénite et se divise en deux parties, ce qui fait que la taille des feuilles de martensite formées ultérieurement devient de plus en plus petite.
(c) Taille : La taille maximale de la martensite lamellaire dépend de la taille initiale du grain d'austénite. Plus le grain d'austénite est gros, plus la feuille de martensite est grossière.
(d) Martensite cryptocristalline : Lorsque le plus gros morceau de martensite est trop petit pour être distingué au microscope optique, on parle de "martensite cryptocristalline".
La martensite obtenue par trempe normale dans la production se présente généralement sous la forme d'une martensite cryptocristalline.
(e) Sous-structure : La sous-structure de la martensite lamellaire est principalement jumelée, c'est pourquoi elle est également appelée martensite jumelle.
Les jumeaux sont généralement situés au centre de la martensite et ne s'étendent pas à la région du bord de la feuille de martensite. La région du bord contient des dislocations de haute densité.
Dans l'acier avec une teneur en carbone de ωC > 1,4%, une fine région jumelle à haute densité peut être observée dans la ligne de crête centrale de la feuille de martensite.
(f) Microfissures : La formation rapide de martensite génère un champ de contraintes considérable lorsqu'elle entre en collision avec d'autres joints de grains de martensite ou d'austénite.
La martensite lamellaire est dure et cassante, et la contrainte ne peut pas être relâchée par glissement ou déformation jumelée, ce qui la rend vulnérable aux fissures d'impact.
En général, plus le grain d'austénite est gros et plus la feuille de martensite est grande, plus il y a de microfissures après la trempe. La présence de microfissures augmente la fragilité des pièces en acier à haute teneur en carbone.
Sous l'influence de stress interneLes microfissures finissent par se transformer en macrofissures, ce qui entraîne la fissuration de la pièce ou une réduction notable de sa durée de vie.
(g) Morphologie : La morphologie de la martensite dépend principalement de la teneur en carbone de l'austénite et est liée à la température de début de transformation de la martensite (point MS) de l'acier.
Plus la teneur en carbone de l'austénite est élevée, plus les points MS et MF sont bas.
| Teneur en carbone | Forme | Température de formation (général) |
| ωC＜0.2% | martensite en lattes | Supérieure à 200 ℃ |
| ωC>0,6% | martensite en plaques | Inférieur à 200 ℃ |
| ωC=0.2%~1% | Structure mixte en lattes et en feuilles | Le cheval de planche est d'abord formé, puis le cheval de pièce est formé |
(h) Influence des éléments sur la morphologie de la martensite : Les éléments tels que Cr, Mo, Mn et Ni (qui abaissent le point MS) et Co (qui augmente le point MS) augmentent tous la probabilité de formation de martensite lamellaire.
4. Propriétés de la martensite
(1) Propriétés mécaniques : La martensite est caractérisée par une la résistance et la dureté.
(2) Effet de la teneur en carbone sur les propriétés : La dureté de la martensite dépend principalement de sa teneur en carbone.
Lorsque ωC < 0,5%, la dureté de la martensite augmente fortement avec la teneur en carbone.
Cependant, lorsque ωC > 0,6%, bien que la dureté de la martensite augmente, la dureté de l'acier diminue en raison de la présence d'une plus grande quantité d'austénite résiduelle.
(3) Influence des éléments d'alliage : Les éléments d'alliage ont un effet minime sur la dureté de la martensite, mais ils peuvent améliorer sa résistance.
(4) Dureté : La martensite présente différents niveaux de dureté et résistancequi sont principalement obtenus par le renforcement de la solution, le renforcement de la transformation de phase et le renforcement du vieillissement.
Les détails sont les suivants :
Renforcement de la solution solide : La présence d'atomes interstitiels dans l'espace octaédrique du réseau en phase α crée une distorsion carrée dans le réseau, ce qui génère un champ de contraintes.
Ce champ de contraintes interagit fortement avec les dislocations, renforçant ainsi la résistance de la martensite.
Renforcement par transformation de phase : Au cours de la transformation en martensite, des défauts de réseau de haute densité se forment dans le cristal. Les dislocations de haute densité dans la martensite en lattes et les jumeaux dans la martensite lamellaire inhibent le mouvement des dislocations, renforçant ainsi la martensite.
Renforcement par vieillissement : Après la formation de la martensite, le carbone et l'oxygène sont éliminés. éléments d'alliage se diffusent, ségrégent ou précipitent sur les dislocations ou d'autres défauts du réseau, épinglant les dislocations et rendant plus difficile leur déplacement, renforçant ainsi la martensite.
(5) Résistance de la martensite : Plus la taille du groupe ou de la feuille de martensite est petite, plus la résistance de la martensite est élevée. En effet, l'interface de phase de la martensite entrave le mouvement des dislocations, et plus le grain d'austénite d'origine est petit, plus la résistance de la martensite est élevée.
La plasticité et la ténacité de la martensite dépendent principalement de sa sous-structure. La martensite jumelée présente une résistance élevée, mais une faible ténacité, tandis que la martensite à dislocation présente à la fois une résistance élevée et une bonne ténacité.
(6) Volume de martensite : Parmi les différentes structures de l'acier, l'austénite a le plus petit volume spécifique et la martensite le plus grand volume spécifique.
Ainsi, l'expansion du volume de l'acier pendant la trempe est un facteur majeur dans la génération de grandes quantités d'acier. stress interneLa pièce peut se déformer et même se fissurer.
La force motrice de la transformation de la martensite, comme d'autres transformations de phase solide, est la différence d'énergie libre chimique par unité de volume entre la nouvelle phase (martensite) et la phase mère (austénite). La résistance à ce changement de phase est également influencée par l'énergie d'interface et l'énergie de déformation générées lors de la formation de la nouvelle phase.
Malgré la présence d'une interface cohérente entre l'austénite et la martensite, l'énergie d'interface est faible. La grande énergie de déformation cohérente, causée par la différence significative de volume spécifique entre la martensite et l'austénite et la nécessité de surmonter la résistance au cisaillement et de générer de nombreux défauts de réseau, conduit à une énergie de déformation élastique accrue et à une grande résistance à la transformation de la martensite. Par conséquent, une surfusion suffisante est nécessaire pour garantir que la force motrice de transformation dépasse la résistance à la transformation, ce qui permet la transformation de l'austénite en martensite.
La température de départ de la transformation de la martensite, désignée par "ms", est définie comme la température à laquelle la différence d'énergie libre entre la martensite et l'austénite atteint la force motrice minimale requise pour la transformation.
La martensite est une transformation de l'austénite sous-refroidie qui se produit à basse température.
Par rapport à la transformation de la perlite et de la bainite, la transformation de la martensite présente les caractéristiques suivantes :
La transformation en martensite se produit lorsque l'austénite est sous-refroidie. À ce moment, l'activité des atomes de fer, des atomes de carbone ou des éléments d'alliage est très faible, de sorte que la transformation a lieu sans diffusion. Il n'y a qu'une reconstruction des règles du réseau, et il n'y a pas de changement de composition entre la nouvelle phase et la phase mère.
Le cisaillement désigne la déformation causée par deux forces parallèles proches, de taille égale et de direction opposée, agissant sur le même objet. Pendant la transformation de la martensite, la surface supérieure de l'échantillon pré-poli s'incline et devient convexe, ce qui démontre que la transformation de la martensite est directement liée aux propriétés macroscopiques de la phase mère et que la martensite se forme par cisaillement.
La martensite et sa phase mère, l'austénite, restent cohérentes, les atomes à l'interface appartenant à la fois à la martensite et à l'austénite. L'interface de phase est une limite de grain cohérente par cisaillement, également connue sous le nom de plan d'habitude.
La transformation en martensite est un processus de transformation de phase dans lequel la nouvelle phase se forme sur des plans cristallins et des plans d'habitudes spécifiques de la phase mère et maintient sa cohérence par le cisaillement de la phase mère.
Nucléation de la martensite
La nucléation de la martensite n'est pas uniforme dans l'ensemble de l'alliage, mais se produit dans des positions favorables au sein de la phase mère, telles que les défauts de réseau, les régions de déformation ou les régions pauvres en carbone.
Processus de transformation martensitique
Comme d'autres transitions de phase à l'état solide, la transformation de la martensite se produit également par nucléation et croissance. La transformation est une migration d'atomes à courte distance et, après la formation d'un noyau cristallin, le taux de croissance est très rapide (102 à 106 mm/s) et reste élevé même à basse température.
Taux de transformation de la martensite
Le taux de transformation de la martensite est déterminé par le taux de nucléation et se termine lorsque tous les noyaux plus grands que le rayon de nucléation critique sont épuisés. Plus la surfusion est importante, plus la taille critique de nucléation est faible. Un refroidissement supplémentaire est nécessaire pour que les noyaux plus petits se nucléent et se transforment en martensite.
Pour l'industrie générale, l'acier au carbone et les acier alliéLa transformation en martensite se produit au cours d'un refroidissement continu (à température variable). L'austénite de l'acier est refroidie en dessous du point MS à une vitesse supérieure à la vitesse critique de trempe, ce qui entraîne la formation immédiate de martensite. La transformation n'a pas de période d'incubation et, avec la diminution de la température, de la martensite supplémentaire se forme, la première martensite formée ne se développant pas. La transformation martensitique augmente à mesure que la température diminue.
L'ampleur de la transformation de la martensite est uniquement déterminée par la température atteinte pendant le refroidissement et n'est pas influencée par le temps de maintien.
Austenite retenue
Si le point Ms de l'acier à haute teneur en carbone et de nombreux aciers alliés est supérieur à la température ambiante et que le point Mf est inférieur à la température ambiante, une quantité importante d'austénite non transformée subsistera après la trempe et le refroidissement à la température ambiante. austénite retenue.
Pour transformer complètement l austénite retenueIl peut être soumis à un "traitement à froid", par exemple en le plaçant dans de l'azote liquide.
Les facteurs qui influencent la quantité d'austénite retenue comprennent une teneur en carbone plus élevée et la présence d'éléments qui réduisent la MS.
Stabilisation mécanique de l'austénite retenue
La stabilisation mécanique de l'austénite fait référence au phénomène de stabilisation causé par une importante déformation plastique ou une contrainte de compression pendant la trempe. L'austénite retenue est liée à la stabilisation mécanique. L'austénite entourée de martensite est dans un état comprimé et incapable de se transformer, ce qui entraîne sa rétention.
Martensite induite par déformation (martensite déformée)
La déformation plastique de l'austénite au-dessus du point MS peut entraîner la transformation de la martensite. Plus la déformation est importante, plus la transformation de la martensite est importante. On parle alors de transformation de la martensite induite par la déformation.
La réversibilité fait référence à la capacité de certains métaux comme le fer, l'or, le nickel et d'autres métaux non ferreux à transformer l'austénite en martensite lors du refroidissement et à revenir à l'austénite lors du réchauffement sans diffusion.
Toutefois, cette transformation inverse selon le mécanisme de transformation de la martensite ne se produit généralement pas dans l'acier au carbone, car la martensite s'est décomposée en ferrite et en carbure pendant le chauffage. Ce processus est connu sous le nom de revenu.
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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