Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi l'acier présente parfois des défaillances inattendues ? Dans cet article de blog éclairant, nous allons plonger dans le monde fascinant des défauts de l'acier. En tant qu'ingénieur mécanicien expérimenté, je ferai la lumière sur les différents types de défauts qui peuvent compromettre la résistance et les performances de l'acier. Découvrez les causes cachées de ces imperfections et apprenez à les identifier et à les prévenir. Préparez-vous à acquérir des connaissances inestimables qui changeront à jamais votre vision de l'acier !
Les défauts de l'acier font référence à diverses anomalies survenant à la surface ou à l'intérieur de l'acier au cours de sa production ou de son utilisation et susceptibles d'avoir une incidence sur ses performances et sa qualité.
Les défauts de surface les plus courants dans l'acier sont les fissures, les rayures, les plis, les oreilles, les croûtes (peau épaisse), les cicatrices de soudage et les bavures d'extrémité. En outre, il existe des défauts de surface typiques tels que les oxydes de laminage, les taches, les fissures, les surfaces piquées et les inclusions.
Les causes des défauts de l'acier sont diverses : dommages importants ou usure de la rainure du rouleau du type trou précédent, métaux étrangers tombant sur les pièces laminées et pressés dans la surface de l'acier, ou défauts sur la surface de la pièce laminée de la passe précédente. L'atmosphère oxydante pendant le chauffage entraîne également l'oxydation de l'acier, formant des oxydes tels que FeO, Fe2O3, Fe3O4 à la surface de la pièce.
Les techniques de détection des défauts de l'acier se divisent principalement en deux catégories : la détection visuelle manuelle traditionnelle et la détection automatisée basée sur la vision par ordinateur. Ces dernières années, les méthodes basées sur l'apprentissage profond, comme YOLOv5 et YOLOv7, ont été largement appliquées à la détection automatisée des défauts de surface de l'acier.
Certains défauts spécifiques, comme le banding, peuvent être éliminés par la méthode du recuit de diffusion à haute température. Ce procédé consiste à chauffer à plus de 1050℃ pour permettre une diffusion uniforme des atomes de carbone, éliminant ainsi le banding.
Les défauts de l'acier n'affectent pas seulement les propriétés physiques de l'acier, mais peuvent également présenter des risques pour la sécurité lors de l'utilisation. La détection et le traitement des défauts de l'acier sont donc essentiels pour garantir la qualité de l'acier et la sécurité de son utilisation.
Les raisons et les mécanismes spécifiques des défauts de l'acier comprennent principalement les points suivants :
Défauts de surface : Ces défauts comprennent les fissures, les rayures, les plis, les oreilles, etc. La formation de fissures peut être due à des bulles sous la surface du lingot d'acier, à des fissures non nettoyées et à des inclusions non métalliques qui se rompent ou s'étendent pendant le laminage, ainsi qu'à des fissures internes dans le lingot d'acier qui s'étendent et s'exposent à la surface pendant le laminage. En outre, des facteurs tels que des conditions de refroidissement incohérentes des deux côtés de la plaque d'acier, une température inégale de la pièce laminée, une déformation inégale pendant le processus de laminage et un refroidissement par pulvérisation d'eau irrégulier sur le chemin du rouleau de la bande d'acier peuvent également causer des défauts de surface.
Défauts internes : Il s'agit notamment des résidus de retrait, de la délamination, des taches blanches, de la ségrégation, des inclusions non métalliques, du relâchement, etc. Ces défauts sont principalement dus à des raisons liées à l'équipement, au processus et à l'exploitation au cours du processus de fabrication de l'acier.
Défauts de forme et de taille : Ces défauts peuvent être liés à des problèmes de contrôle de la taille lors de la production de l'acier. Bien que le mécanisme de génération spécifique ne soit pas détaillé dans les informations que j'ai recherchées, on peut en déduire qu'il est lié au contrôle de la température, à la distribution de la pression et à d'autres facteurs au cours du processus de production.
Autres facteurs : Par exemple, les défauts causés par l'équipement, le processus et les opérations pendant la fusion et le laminage (forgeage) de l'acier au carbone, y compris les croûtes, les inclusions non métalliques, etc. En outre, l'impact de facteurs irrésistibles tels que les propriétés des matériaux et la technologie de traitement dans la production de l'acier peut également entraîner différents types de défauts à la surface, tels que des écailles de laminage, des taches, etc.
Les matériaux constituent la base de la production d'outils durables. Au cours de la production, différents types de défauts de matériaux sont fréquemment rencontrés.
Aujourd'hui, nous allons vous éclairer sur les 16 types de défauts de l'acier afin que vous soyez prudent lors de la sélection des matières premières.
Après avoir effectué un test d'attaque à l'acide sur de l'acier, on a découvert que certaines zones de la surface de l'échantillon n'étaient pas denses et présentaient des vides visibles.
Ces vides, qui apparaissent comme des taches sombres avec des nuances de couleur inégales par rapport aux autres zones, sont connus sous le nom de porosité.
Lorsque la porosité est concentrée dans la partie centrale de l'échantillon, on parle de porosité centrale, tandis que si elle est uniformément répartie sur la surface, on parle de porosité générale.
Les normes GB/T9943-2008 pour l'acier à outils à haute vitesse et GB/T1299-2014 pour l'acier à outils contiennent toutes deux des dispositions spécifiques concernant la porosité de l'acier, mais les fournitures dépassent souvent la norme.
La porosité a un impact significatif sur la résistance de l'acier et ses principaux risques sont les suivants :
La porosité affectant les performances de l'acier, l'acier à outils est soumis à des exigences strictes en ce qui concerne les niveaux de porosité admissibles.
Les figures 1 et 2 illustrent le W18Cr4V (abrégé en W18) de φ90 mm. matières premières sidérurgiquesLe tableau suivant montre les motifs de porosité et de fissuration de la porosité après un traitement de décapage à chaud avec du HCl 1:1.
La figure 3 montre l'image d'une fraise à fente en acier W18Cr4V qui a subi une fissuration sévère due à l'érosion pendant le traitement thermique, comme le montre l'attaque thermique avec 1:1HCl.
Figure 1 Porosité centrale
Figure 2 Fissures de l'acier à porosité centrale lors du forgeage des billettes
Figure 3 Fissures dans le matériau de la fraise à rainurer dues à la porosité pendant le traitement thermique
Lors de la coulée d'un lingot, l'acier liquide se condense et se rétracte dans la partie centrale, formant un trou tubulaire appelé retassure.
Généralement, la retassure se trouve près de la masselotte dans la tête du lingot et doit être éliminée lors du formage de la billette.
Toutefois, la partie qui ne peut être complètement éliminée est appelée résidu de rétraction.
Bien que l'idéal soit d'éliminer complètement le retrait, les aciéries privilégient souvent l'efficacité de la production et laissent un résidu, ce qui entraîne des conséquences irréversibles pour les processus ultérieurs.
La figure 4 montre un acier W18 de φ70 mm présentant des résidus de retrait et une porosité importante, comme le montre la gravure à chaud avec du HCl 1:1.
La figure 5 montre un acier W18 de φ70 mm avec des résidus de retrait qui ont formé des fissures après le laminage, comme le montre le décapage à chaud avec du HCl 1:1.
Il y a quelques années, une entreprise a été confrontée à des résidus de retrait lors du sciage d'acier M2 de φ75mm.
Figure 4
Figure 5 : Fissures causées par le retrait de l'acier W18
Les fissures longitudinales à la surface des matières premières de l'acier rapide sont fréquentes.
Il peut y avoir plusieurs causes à cela, comme par exemple :
(1) Lors du laminage à chaud, une concentration de contraintes peut se produire pendant le processus de refroidissement, entraînant des fissures le long des lignes de rayures en raison de l'élimination incomplète des fissures superficielles ou des rayures causées par les trous de matrice.
(2) De mauvais trous de matrice ou des vitesses d'alimentation élevées pendant le laminage à chaud peuvent entraîner des plis, qui provoquent des fissures le long des lignes de pliage lors du traitement ultérieur.
(3) Des fissures peuvent apparaître pendant le laminage à chaud si la température d'arrêt du laminage est trop basse ou si la vitesse de refroidissement est trop rapide.
(4) Des fissures superficielles sont fréquemment observées sur les aciers plats W18 de 13 mm × 4,5 mm laminés par temps froid en hiver, ce qui indique que les fissures peuvent également être influencées par les conditions climatiques.
Cependant, aucune fissure n'est observée lorsque la même nuance d'acier et la même spécification sont laminées à d'autres moments.
La figure 6 montre la fissure superficielle d'un acier W18 de φ30 mm, d'une profondeur de 6 mm, telle qu'elle apparaît lors de la gravure à chaud avec du HCl 1:1.
Figure 6 Fissure superficielle
Au cours du processus de laminage à chaud de l'acier rapide, une déformation excessive peut entraîner une augmentation de la température centrale au lieu d'une diminution. Cela peut conduire à la formation de fissures dans le centre du matériau en raison de la contrainte thermique.
La figure 7 montre la fissure centrale dans un acier W18 de φ35 mm (gravé avec du HCl 1:1).
Les fissures centrales dans les matières premières de l'acier rapide sont courantes dans les usines d'outillage, mais elles sont nuisibles car elles sont invisibles et ne peuvent pas être détectées au toucher. La seule façon d'observer ces fissures est la détection des défauts.
Figure 7 Fissure centrale
La distribution inégale des éléments chimiques dans un alliage au cours du processus de solidification est connue sous le nom de ségrégation. Ce phénomène peut avoir un impact significatif sur les performances de l'acier, en particulier en cas de répartition inégale d'impuretés telles que le carbone.
La ségrégation peut être divisée en microségrégation, ségrégation par densité et ségrégation régionale.
La ségrégation par densité se produit en raison des différences de densité des phases constitutives de l'alliage, ce qui fait que les éléments les plus lourds descendent et les plus légers flottent pendant la solidification. La ségrégation régionale est causée par l'accumulation locale d'impuretés dans les lingots ou les pièces coulées.
La figure 8 montre un échantillon métallographique trempé d'acier W18 (gravé à l'aide d'une solution d'alcool HNO3 4%), qui révèle un motif en forme de croix.
Une analyse plus poussée de la composition chimique a montré que la partie matricielle présentait une teneur en eau plus faible. teneur en carbonetandis que la partie en forme de croix avait une teneur en carbone plus élevée.
Cette forme en croix est le résultat d'une ségrégation carrée causée par la ségrégation des composants en carbone et en alliage au cours du processus de laminage.
Une ségrégation régionale importante peut affaiblir la résistance de l'acier et le rendre plus susceptible de se fissurer pendant le travail à chaud.
Figure 8 Ségrégation en forme de croix (3×)
Le degré de décomposition des carbures eutectiques dans l'acier rapide (HSS) au cours du processus d'élaboration de l'acier rapide. presse à chaud Ce processus est appelé non-uniformité du carbure. Plus la déformation est importante, plus le degré de fracture du carbure est élevé et plus le niveau de non-uniformité du carbure est faible.
Lorsque les carbures de l'acier sont fortement dégradés, par exemple sous la forme de rubans grossiers, de mailles ou d'une accumulation importante de carbures, cela a un impact significatif sur la qualité de l'acier. Il est donc essentiel de contrôler soigneusement la non-uniformité des carbures pour garantir la qualité des outils en acier rapide.
La figure 9 illustre l'effet de la non-uniformité du carbure sur la résistance à la flexion de l'acier W18.
Comme le montre la figure, la résistance à la flexion des nuances 7-8 présentant une non-uniformité n'est que de 40-50% des nuances 1-2, réduisant la résistance à 1200-1500MPa, ce qui est seulement équivalent au niveau des nuances de ténacité plus élevées dans les carbures cémentés. La performance horizontale est d'environ 85% de la performance verticale.
La concentration et la distribution en bandes des carbures peuvent également entraîner une trempe inégale des grains et une dissolution inégale des carbures, entraînant respectivement une tendance accrue à la surchauffe et une réduction de la capacité de durcissement secondaire.
La figure 9 illustre l'impact de la non-uniformité du carbure sur la résistance à la flexion de l'acier rapide W18Cr4V.
On peut constater qu'un manque d'uniformité du carbure peut entraîner des fissures et une surchauffe pendant le travail à chaud, provoquant la défaillance de l'outil fini lors de son utilisation.
La figure 10 illustre la fissure de trempe causée par des carbures zonaux grossiers dans l'acier W18 (gravé avec une solution d'alcool HNO3 4%).
Figure 10 Carbure zonal grossier
Acier ayant subi un laminage à chaud ou recuit peuvent former des carbures en réseau en raison de températures de chauffage élevées, de temps de maintien prolongés qui provoquent la croissance des grains, et de processus de refroidissement lents qui entraînent la précipitation des carbures le long des joints de grains.
La présence de carbures en réseau augmente considérablement la fragilité de l'outil, le rendant plus enclin à l'écaillage. En général, les carbures en réseau complet ne sont pas acceptables dans l'acier.
L'inspection des carbures de réseau doit être effectuée après trempe et revenu.
La figure 11 montre les carbures en réseau de l'acier T12A (gravé avec une solution d'alcool HNO3 4%), tandis que la figure 12 montre la morphologie des carbures en réseau de l'acier 9SiCr (gravé avec une solution d'alcool HNO3 4%), révélant une surchauffe sévère au cours du processus de fabrication de l'acier. recuit processus.
Figure 11 Carbure à maille d'acier T12A (500×)
Figure 12 Carbure à maille d'acier 9SiCr (500×)
Les fraises à outils qui effectuent des opérations de tournage ou de fraisage en acier rapide peuvent rencontrer une substance dure et subir des dommages. Ce défaut n'est généralement pas facile à détecter lors du tournage à grande vitesse, en raison de la vitesse de coupe élevée et du bruit.
Cependant, lors du fraisage, des grumeaux et des chaos étranges peuvent être observés, tels qu'un grincement et une brûlure importante de l'outil lors du fraisage de fentes avec des forets hélicoïdaux.
Lors de l'inspection, les blocs brillants sont visibles à l'œil nu et présentent une dureté extrêmement élevée, atteignant 1225 HV, alors que les zones non dures sont dans un état de recuit normal. C'est ce que l'on appelle une "masse caked".
La présence de masses agglomérées entraîne l'endommagement de l'outil et rend la coupe difficile.
On pense que la formation de ces morceaux durs est due à la ségrégation des composants chimiques au cours du processus de fusion et qu'il peut s'agir d'une sorte de carbure composite de haute dureté ou du résultat de l'ajout de blocs d'alliages réfractaires au cours de la fusion.
La figure 13 montre la macrostructure d'une masse agglomérée dans l'acier W18 (attaquée par une solution d'alcool HNO3 4%), la substance blanche étant la masse agglomérée et les zones grises et noires représentant les rainures de la mèche.
Figure 13 La macrostructure de la masse d'acier W18 enrobée (20×)
Les inclusions sont un défaut courant dans l'acier et peuvent être classées en deux catégories : les inclusions métalliques et les inclusions en acier. non métallique inclusions.
Les inclusions métalliques se forment en raison de la fusion incomplète du ferro-alliage au cours du processus de fusion ou de la présence de particules métalliques étrangères qui restent dans le métal. lingot d'acier.
Les inclusions non métalliques sont divisées en deux types :
(1) les inclusions endogènes, qui sont principalement causées par des systèmes de coulée sales, le décollement de la boue réfractaire de l'équipement ou l'utilisation de matériaux de charge impurs ;
(2) inclusions produites et précipitées en raison de réactions chimiques au cours du processus de fusion. La figure 14 montre inclusions métalliques trouvées dans l'acier W18, tandis que la figure 15 montre des inclusions non métalliques provoquant des fissures pendant la trempe (gravure avec une solution d'alcool HNO3 4%).
Figure 14 Inclusions métalliques
Figure 15 Fissuration causée par des inclusions non métalliques pendant la trempe (400 x)
Les inclusions nuisent à la qualité de l'acier. Elles segmentent la matrice de l'acier, diminuent sa plasticité et sa résistance, rendant l'acier susceptible de se fissurer autour des inclusions lors du laminage, du forgeage et du traitement thermique.
Les inclusions peuvent également entraîner une fatigue de l'acier, ainsi que des difficultés lors de la coupe et de l'affûtage. C'est pourquoi l'acier à outils doit répondre à des exigences précises en matière d'inclusions.
Dans le processus de fusion de l'acier, une distribution inégale des carbures peut se produire en raison de la ségrégation des composants, ou lorsque les carbures dans l'alliage de fer ne sont pas complètement fondus, ce qui entraîne de grands carbures angulaires qui persistent sans être écrasés après le forgeage.
La présence de ces carbures en vrac augmente la fragilité de l'outil et le risque de basculement.
Au cours du processus de traitement thermique, ces grands carbures et éléments d'alliage peuvent s'enrichir, ce qui peut entraîner des défauts tels qu'une surchauffe, un revenu insuffisant, voire des fissures le long des joints de grains.
La figure 16 montre une surchauffe pendant la trempe causée par la ségrégation des composants environnants des grands carbures (gravés dans une solution d'alcool HNO3 4%).
Figure 16 Surchauffe causée par la ségrégation des composants autour des carbures en vrac pendant la trempe (500×)
Dans le processus de solidification du métal liquide, la ségrégation du carbone et des éléments d'alliage peut entraîner la précipitation de grands blocs de carbure pendant le refroidissement.
Cette ségrégation, connue sous le nom de liquation, n'est pas facilement éliminée au cours du traitement ultérieur et se traduit par la présence de carbure de zostère en vrac dans le sens du laminage de l'acier.
La figure 17 montre la liqueur de CrMn, telle qu'elle a été gravée avec une solution d'alcool HNO3 de 4%.
Figure 17 Liquidation du carbure (500×)
Les aciers présentant une liquéfaction sont très fragiles, car la matrice métallique continue est perturbée, ce qui entraîne une réduction de la résistance. Auparavant, les aciers CrWMn et CrMn présentaient souvent une liqueur, et leur utilisation pour fabriquer des jauges rendait souvent difficile l'obtention d'une surface lisse.
Lorsque la température de recuit est trop élevée et le temps de maintien trop long, les carbures se décomposent facilement en carbone libre, appelé graphite, au cours du lent processus de refroidissement de l'acier.
La figure 18 montre la microstructure du carbone graphite dans l'acier T12A (gravé avec une solution d'acide alcoolique amer 4%).
Figure 18 Microstructure du carbone graphitique de l'acier T12A (500×)
La précipitation du carbone graphite diminue considérablement la résistance et la ténacité de l'acier, ce qui le rend impropre à la production de couteaux et de composants critiques. L'acier présente des fractures noires lorsqu'il contient des niveaux élevés de carbone graphite.
La présence de carbone graphite peut être déterminée par une analyse chimique qualitative et quantitative, et sa forme et sa distribution peuvent être observées par des méthodes métallographiques.
En outre, il y aura une augmentation du tissu de ferrite autour du graphite.
Le mélange de matériaux dans les entreprises de fabrication d'outils et de moules est un problème courant, résultat d'une mauvaise gestion et d'un défaut de bas niveau. Les matériaux mélangés peuvent revêtir trois aspects : acier mélangé, spécifications mélangées et numéros de four mélangés.
Le dernier est particulièrement répandu et peut être à l'origine de nombreux problèmes liés à des traitements thermiques erronés sans possibilité de recours. De temps en temps, on rencontre également des composants de matériaux d'outils non qualifiés.
Certains composants en acier rapide ne sont pas conformes à la norme GB/T9943-2008 High-speed Tool Steel, notamment en ce qui concerne la teneur élevée ou faible en carbone. Par exemple, le W6Mo5Cr4V2Co5 appartient au type HSS-E mais a une teneur en carbone inférieure à la limite inférieure de la norme.
Bien qu'il s'agisse d'un acier rapide à haute performance, sa dureté n'atteint pas 67 HRC après traitement thermique. Les aciéries doivent s'assurer que l'acier peut atteindre une dureté d'au moins 67HRC si elles appartiennent au type HSS-E.
La question de savoir si un outil doit avoir une dureté aussi élevée est une question interne à l'usine d'outils et ne relève pas de la responsabilité de l'aciérie.
Toutefois, si la dureté n'atteint pas 67HRC, c'est une faute de l'aciérie. Il existe également de nombreux cas d'acier non qualifié. acier matricé ce qui a conduit à des litiges permanents.
Le pays a établi des normes pour les décarburation de l'acierCependant, les fournisseurs d'acier livrent souvent des matériaux qui dépassent ces normes, ce qui entraîne des pertes économiques importantes pour les entreprises de fabrication d'outils.
La dureté superficielle des outils diminue et leur résistance à l'usure est faible après la trempe pour les matériaux présentant une couche décarburée. Il est donc nécessaire d'éliminer complètement la couche décarburée pendant l'usinage afin d'éviter tout problème de qualité potentiel.
La figure 19 illustre la morphologie de la décarburation de la matière première de l'acier W18 (gravée dans une solution d'alcool HNO3 4%). La zone de décarburation est constituée de martensite trempée en forme d'aiguille, tandis que la zone non décarburée est composée de martensite trempée, de carbures et de martensite retenue. austénite.
Les figures 20 et 21 montrent la décarburation de l'acier M2 et T12, respectivement (gravure dans une solution d'alcool HNO3 4%).
Dans le cas de l'acier T12, la couche entièrement décarburée est constituée de ferrite, la zone de transition est composée d'acier trempé pauvre en carbone. martensiteLa zone non décarburée est composée de martensite trempée et de carbures.
Figure 19 Couche de décarburation austénitique (250×)
Figure 20 Décarburation de l'acier M2
Figure 21 Couche décarburée de l'acier T12A (après trempe→ revenu) (200×)
Nous avons sélectionné une barre plate en acier W18 de dimensions 13mm x 4,5mm provenant d'une entreprise spécifique et l'avons trempée dans un bain de sel à des températures de 1210℃, 1230℃, et 1270℃.
Le temps de chauffage était de 200 secondes, et la taille des grains était de 10,5, comme le montre la figure 22. La dureté après la trempe était comprise entre 65 et 65,5 HRC, mais de façon surprenante, la dureté a diminué après le revenu à 550℃ pendant trois fois.
Cette anomalie est appelée "anecdote".
Figure 22 Trempe de l'acier W18 Grade 10.5 (500×)
Il semble que le carbure nous joue un tour, c'est-à-dire que lorsqu'il est chauffé, il ne se dissout pas dans l'eau. austénite et ne précipite pas pendant le processus de trempe.
Il s'agit simplement de l'impossibilité d'entrer ou de sortir, alors où est le durcissement secondaire ?
L'origine du problème est que le carbure nous taquine, ce qui signifie qu'il ne se dissout pas dans l'austénite pendant le chauffage et qu'il n'y a pas de précipitation pendant le processus de trempe.
Il s'agit simplement de l'impossibilité d'entrer ou de sortir, alors d'où vient le durcissement secondaire ?
Les défauts de surface sont facilement visibles à l'œil nu :
Les impacts spécifiques des défauts de l'acier sur les propriétés physiques de l'acier comprennent principalement les aspects suivants :
Changements de dureté et de plasticité : Sous l'influence de certains facteurs, la résistance de l'acier peut augmenter, mais en même temps, la plasticité et la ténacité diminuent, ce qui entraîne une fragilité accrue, un phénomène connu sous le nom de durcissement. Ce phénomène se produit généralement sous l'effet de charges répétées, lorsque la limite d'élasticité augmente et que l'on entre dans la phase plastique.
Effets sur la résistance à l'usure et à la fatigue : Les défauts de qualité de surface n'affectent pas seulement l'aspect esthétique des bandes d'acier laminées à chaud, mais peuvent également avoir des effets négatifs sur leurs propriétés mécaniques et leur résistance à la corrosion, y compris la résistance à l'usure et à la fatigue.
Usure des outils et surfaces non lisses : La présence de jeu dans le matériau peut entraîner une usure excessive et des surfaces non lisses des outils fabriqués à partir de ce matériau. C'est pourquoi l'acier à outils est soumis à des exigences strictes en ce qui concerne le niveau acceptable de relâchement.
Dispersion de la microstructure et des défauts : La ténacité de l'acier dépend principalement de la dispersion de la microstructure et des défauts (en évitant les défauts concentrés), plutôt que de la composition chimique. La ténacité subit des changements importants après le traitement thermique.
Effets du recuit et du traitement de normalisation : Le recuit peut réduire la dureté de l'acier, améliorer la plasticité, affiner les grains, éliminer les défauts structurels causés par le moulage, le forgeage et le soudage, homogénéiser la structure et la composition de l'acier et soulager les contraintes internes et l'écrouissage de l'acier. La normalisation a des effets similaires sur les grandes pièces coulées, forgées et soudées.