Introduction : Schéma de phase fer-carbone dans le traitement thermique

Pour toute personne travaillant avec l'acier, le diagramme de phase fer-carbone est un outil indispensable. Il cartographie la relation entre la température, la teneur en carbone et les phases présentes dans les alliages fer-carbone. Les processus de traitement de la chaleur tels que recuit, normalisation, extinction et tempérament dépendent d'un contrôle précis de la température. La compréhension de l'endroit où se trouvent les points critiques de transformation permet aux ingénieurs de concevoir des cycles de chaleur qui produisent des propriétés mécaniques spécifiques comme la dureté, la ténacité ou la ductilité.

Le diagramme lui-même est vieux de plus d'un siècle, mais il reste fondamental dans la métallurgie. Il montre les phases stables à l'équilibre: liquide, delta ferrite, austénite, ferrite et cémentite (Fe3C). La clé pour utiliser le diagramme réside dans la reconnaissance des réactions invariantes — péritectiques à 1495°C (pour une teneur en carbone proche de 0,09%), eutectiques à 1147°C (pour un liquide transformant en austénite et cémentite en fonte), et surtout pour les aciers, la réaction eutectoïde à 727°C où l'austénite se décompose en perlite (ferrite et cémentite).

Quelles sont les températures critiques?

Les températures critiques sont des valeurs spécifiques le long de l'axe de température où les changements de phase commencent ou se terminent. Dans le contexte du traitement thermique de l'acier, ce sont les températures auxquelles se produisent des transformations qui peuvent être contrôlées pour modifier la microstructure.

  • Ac1 – La température à laquelle l'austenite commence à se former à partir de ferrite pendant le chauffage (également appelée température critique inférieure pour les aciers).
  • Ac3 – La température à laquelle la transformation de la ferrite en austénite est complète pendant le chauffage. Pour les aciers hypereutectoïdes, on appelle souvent la ligne Acm, où la cémentite se dissout en austénite.
  • A1 – Température d'eutectoïde d'équilibre (727°C pour les aciers au carbone uni), où la perlite se forme pendant le refroidissement lent.
  • A3 – La ligne d'équilibre séparant la région (austenite + ferrite) de la région austénite monophasée pour les aciers hypoeutectoïdes.

Ces températures sont marquées par un sous-titre -type -C-C-(chauffage) ou -R-(refroidissement) pour indiquer si elles sont mesurées pendant le chauffage ou le refroidissement, car l'hystérie se produit. Dans la planification du traitement thermique, vous travaillez généralement avec Ac1 et Ac3 pour le chauffage, et utilisez des diagrammes de transformation isotherme (TTT) ou de refroidissement continu (CCT) pour les chemins de refroidissement qui s'écartent de l'équilibre.

Lecture des températures critiques clés à partir du diagramme

La température de l'eutectoïde (A1)

La température critique la plus fondamentale est l'eutectoïde à 727°C. C'est la ligne horizontale sur le diagramme qui converge avec toutes les lignes de teneur en carbone. A cette température et à une teneur en carbone de 0,76%, l'austénite se transforme en narite (mélange de ferrite et de cémentite lamellaire). Pour tout acier, A1 représente la température au-dessous de laquelle la ferrite et le cémentite existent en phases d'équilibre; au-dessus, l'austénite apparaît. Lorsque vous chauffez un acier au-dessus de A1, le narite (ou tout mélange ferrite-carbidure) commence à se convertir en austénite.

Température critique inférieure (Ac1) et température critique supérieure (Ac3)

Pour les aciers hypoeutectoïdes (carbone < 0.76%), the Ac3 temperature lies above the A1 line on a sloping boundary. For example, a 0.2% carbon steel has an Ac3 around 860°C. Between Ac1 and Ac3, the steel is a mixture of austenite and ferrite; only above Ac3 is it fully austenitic. For hypereutectoid steels (carbon > 0,76%), la limite équivalente est la ligne Acm, où le cémentite se dissout en austénite. Dans ces aciers, l'austénitisation complète se produit au-dessus de Acm, qui peut être proche de 1100°C pour un acier au carbone de 1,2 %, mais de nombreux traitements thermiques conservent intentionnellement une certaine cémentite non dissoute pour la résistance à l'usure.

Localisation des limites de la phase

Pour lire ces lignes du diagramme, suivez les étapes suivantes :

  1. Identifiez la teneur en carbone de votre alliage sur l'axe horizontal.
  2. Dessinez une ligne verticale vers le haut à partir de cette teneur en carbone.
  3. L'intersection avec la limite A3 (pour l'hypoeutectoïde) donne la température Ac3 ou Ae3. L'intersection avec la ligne horizontale A1 donne l'Ac1.
  4. Pour les aciers hypereutectoïdes, l'intersection avec la ligne Acm (à gauche de la composition eutectoïde) donne la température à laquelle le cémentite se dissout complètement. L'A1 reste la même.

Ces lectures supposent des conditions d'équilibre, seulement avec un chauffage ou un refroidissement très lent. En pratique, vous ajusterez ces valeurs en fonction des taux de chauffage et de la composition des alliages.

Comment les éléments d'alliage changent les températures critiques

Les aciers au carbone ordinaire suivent le diagramme simple, mais la plupart des aciers techniques contiennent du manganèse, du chrome, du nickel, du molybdène et d'autres éléments. Ces éléments d'alliage déplacent de façon significative les températures critiques. Par exemple, le chrome soulève les points A1 et A3 tout en stabilisant les carbures; le nickel les abaisse. Le manganèse se comporte de la même façon que le nickel en abaissant l'A3, mais il retarde aussi la transformation en perlite et en baïnite. Si vous comptez sur le diagramme fer-carbone pur pour un acier à faible teneur en alliage, vous aurez probablement mal réglé vos températures de traitement thermique.

Une règle de pouce simple : pour chaque 1% de chrome, la température A1 augmente d'environ 15-20°C. Le nickel diminue l'A1 d'environ 10°C par 1%. Le silicium augmente également A1, mais dans une moindre mesure. Pour les travaux de précision, vous devriez consulter un diagramme de phase spécifique à l'alliage ou utiliser un logiciel thermodynamique.

Méthodes expérimentales de vérification des températures critiques

Bien que le diagramme fournisse un point de départ, le traitement thermique réel nécessite une vérification.

  • Dilatométrie: Un échantillon est chauffé pendant la mesure des changements dimensionnels. Les transformations de phase provoquent des changements de volume (p. ex., la ferrite-à-austenite est une contraction). Le point d'inflexion sur la courbe de la température de longueur-versus correspond à Ac1 et Ac3.
  • Calorimétrie de balayage différentielle (DSC) ou analyse thermique différentielle (DTA):[ Ces mesures mesurent la chaleur absorbée ou libérée pendant les changements de phase.
  • Essais de dureté après extinction partielle:[ En chauffant des échantillons à diverses températures juste au-dessus de Ac1 et au-dessus de Ac3, puis extinction, vous pouvez détecter le changement de dureté comme des formes martensites de l'austénite.
  • Métallographie: Le chauffage à différentes températures, l'extinction et l'examen de la microstructure sous un microscope. La présence de ferrite ou de cémentite non transformée indique que vous êtes en dessous de Ac3 ou Acm.
  • Mesure de résistivité électrique:[ La résistivité de l'acier change avec la phase. Un changement soudain de résistivité pendant le chauffage marque la transformation.

Pour les environnements de production, la dilatométrie est la plus courante, souvent spécifiée dans des normes telles que ASTM A1033. Elle fournit des valeurs précises Ac1 et Ac3 pour le contrôle spécifique du lot.

Application des températures critiques dans le traitement thermique

Anneau

Pour les aciers hypoeutectoïdes, le recuit de procédé est effectué à environ 20-30°C sous Ac1, permettant la recristallisation sans former d'austénite. Le recuit complet nécessite un chauffage au-dessus de Ac3 (généralement 30-50°C sur) et un refroidissement lent pour produire une narite grossière. Pour les aciers hypereutectoïdes, le recuit complet est effectué au-dessus de Ac1 (dans la région austénite + cémentite) pour éviter la formation de carbures réseau.

Connaître les températures critiques vous assure de ne pas surchauffer, ce qui conduit à la croissance des grains, ou sous-chauffe, qui laisse la narite dure dans la structure.

Normalisation

La normalisation implique le chauffage à une température d'environ 50-80°C au-dessus de l'ac3 (pour hypoeutecoïde) ou au-dessus de Acm (pour hypereutecoïde) et puis le refroidissement de l'air. L'objectif est de raffiner la taille des grains et de produire une structure uniforme de la narite fine. Si la température de chauffage est trop basse, une ferrite reste non dissoute et la microstructure finale est patchée.

Rembourrage (Hardening)

Pour durcir l'acier en formant la martensite, il faut d'abord la chauffer dans la région austénite, au-dessus de l'ac3 pour les nuances hypoeutectoïdes. La pratique typique est de chauffer environ 30-60°C au-dessus de l'ac3 pour assurer la dissolution complète de la ferrite et des carbures. Pour les aciers hypereutectoïdes, le durcissement est fait de la région (austenite + cémentite) (au-dessus de l'ac1 mais pas au-dessus de l'ac3) parce que la cémentite non dissoute améliore la résistance à l'usure et empêche le grossissement des grains.

Après le trempement, la température de départ de la martensite (Ms) est critique, mais elle n'apparaît pas sur le diagramme d'équilibre. Ms dépend de la teneur en carbone et de l'alliage. Ms plus de carbone et la plupart des éléments d'alliage (sauf le cobalt) plus bas Ms. Vous devez consulter un diagramme TTT ou CCT pour obtenir des renseignements sur la vitesse de refroidissement, mais la température d'austénitisation elle-même est réglée en lisant le diagramme de phase fer-carbone.

Tempérer

La température critique inférieure fixe la limite supérieure : ne jamais tempérer au-dessus de l'ac1 ou vous risquez de former de l'austénite fraîche lors du chauffage, ce qui créera une martensite non tempérée lors du refroidissement. La température inférieure à l'ac1 permet la décomposition de la martensite en martensite trempée, réduisant les contraintes internes et améliorant la ductilité. Le diagramme d'équilibre vous rappelle que ci-dessus A1, la perlite ou la baïnite se formerait lors du refroidissement, ruineant l'effet durcissant.

Étapes pratiques pour la planification du traitement thermique

Sur la base de tout ce qui a été discuté, voici une procédure pour planifier un traitement thermique à l'aide du diagramme de phase fer-carbone et des températures critiques:

  1. Déterminez la teneur en carbone de votre acier. Vérifiez les spécifications de l'alliage (p. ex., 1040 a 0,40%C, 1095 a 0,95%C). Confirmez avec l'analyse chimique si nécessaire.
  2. Localiser les limites de phase appropriées Utilisez le diagramme d'équilibre pour trouver les températures A1 et A3 (ou Acm) pour cette teneur en carbone. Par exemple, un acier de 1040 a A1 = 727°C, A3 -79°C.
  3. Ajustez pour les éléments d'alliage. Si l'acier contient >0,5 % Mn, 1 % Cr, etc., appliquez des facteurs de correction à partir des fiches de données de traitement thermique. Une meilleure approche consiste à utiliser la norme ASTM pour la détermination de l'ac1 et de l'ac3 par dilatommétrie si les données de lot ne sont pas disponibles.
  4. Sélectionner le type de traitement thermique. Pour le durcissement, régler la température d'austénitisation à Ac3 + 50°C (pour hypoeutécoïde) ou Ac1 + 50°C (pour hypereutécoïde). Pour le recuit, utiliser Ac3 + 30°C ou Ac1 – 20°C selon la qualité.
  5. Déterminer le temps de maintien. La pratique typique est d'une heure par pouce d'épaisseur, mais ajuster pour la taille de la section et la préchauffage du four.Les températures critiques ne définissent que les limites thermiques; le temps doit être suffisant pour dissoudre les carbures et homogénéiser l'austenite.
  6. ]Le diagramme de phase ne présente pas de cinétique, donc référencez un CCT pour l'alliage spécifique pour déterminer le taux de refroidissement nécessaire pour éviter la nalitite ou la baïnite et atteindre la martensite.
  7. Vérifier les résultats. Utiliser des tests de dureté, de métallographie ou de dilatommétrie pour confirmer que la microstructure cible a été atteinte. Sinon, ajuster la température ou le temps en fonction de l'écart par rapport aux points critiques prévus.

Ce processus assure des résultats reproductibles en matière de traitement thermique tout en évitant les pièges communs tels que l'austénitisation insuffisante, le grossissement des grains ou la distorsion partielle.

Erreurs courantes lors de l'utilisation de températures critiques

Plusieurs erreurs se produisent lorsque les ingénieurs se fient au diagramme de phase fer-carbone de manière incorrecte:

Ignorer la différence entre l'équilibre et les températures pratiques

Dans un vrai four, les vitesses de chauffage de 10-50°C par minute signifient que l'Ac1 réel est jusqu'à 30°C plus élevé que l'équilibre A1. Ceci est connu comme surchauffe. Si vous placez votre four à la température d'équilibre exacte, l'acier ne se transformera pas. Toujours viser Ac3 ou Ac1 plus une marge de sécurité (habituellement 30-50°C).

Surchauffe des aciers hypereutectoïdes

Le chauffage d'un acier au carbone à 1 % dans la région d'austénite monophasée (au-dessus de Acm) dissout tout le cémentite, mais il provoque aussi un grossissement des grains extrêmement élevé et une température très basse Ms, favorisant l'austénite conservée. Le durcissement de ces aciers de la région biphasée (austenite + cémentite) est préféré. Le diagramme montre clairement, mais de nombreux opérateurs visent à tort à l'austénitisation complète comme ils le feraient pour un acier à faible teneur en carbone.

Si tous les aciers ont le même A1

Une croyance commune est que A1 est toujours 727°C. Bien que cela soit vrai pour l'acier au carbone brut, les aciers alliés peuvent avoir des températures A1 allant de 700°C à près de 800°C. Par exemple, les aciers à outils comme D2 ont un A1 proche de 780°C en raison du chrome élevé.

Négligence des graduants de carbone

Si l'acier a été carburé ou décaburé, la teneur en carbone de surface diffère du noyau. Le diagramme s'applique différemment à chaque profondeur. Le traitement thermique doit tenir compte de la composition du noyau; autrement, le noyau ne peut pas durcir, ou le cas peut fondre. Un acier carburateur typique utilise une température d'austénisation inférieure pour le noyau et un potentiel de carbone plus élevé pour le cas.

Considérations avancées: Diagrammes non-équilibraires

Pour les processus de refroidissement, vous avez besoin de schémas de transformation isotherme (TTT) et schémas de transformation de refroidissement continu (CCT)[. Ces schémas sont construits pour des températures austénitantes spécifiques et des teneurs en carbone. Les températures critiques que vous avez lues dans le diagramme d'équilibre constituent le point de départ de la construction de ces schémas, ils déterminent à quelle température les produits de transformation (péarlite, bainite, martensite) se formeront au moment du refroidissement.

Pour le trempement et la tempérance, vous devez également connaître les températures de départ (Ms) et de finition (Mf) martensite. Bien que non sur le diagramme d'équilibre, Ms peut être estimé à partir de formules telles que l'équation Andrews: Ms (°C) = 539 - 423(%C) - 30,4(%Mn) - 17,7(%Ni) - 12.1(%Cr) - 7,5(%Mo). Cela renforce pourquoi la teneur en carbone obtenue à partir du contexte du diagramme de phase est vitale.

Conclusion

L'identification des températures critiques sur le diagramme de phase fer-carbone est une compétence que chaque professionnel du traitement thermique doit maîtriser. Il commence par comprendre les limites A1, A3 et Acm et comment elles changent avec la teneur en carbone et l'alliage. De là, vous appliquez des ajustements pour les vitesses de chauffage pratiques, les effets d'alliage et le processus de traitement thermique spécifique – que ce soit recuit, normalisant, durcissant ou tempérant. Le diagramme seul ne vous donne pas la cinétique, mais il vous donne les cibles thermiques. Combiné avec la dilatométrie, les données CCT, et une compréhension claire de votre alliage, vous pouvez planifier des traitements thermiques qui atteignent systématiquement les propriétés mécaniques souhaitées.