La relation entre la teneur en carbone et la formation de martensites dans les aciers trempés
Introduction: Le rôle critique du carbone dans le durcissement de l'acier
L'acier reste l'alliage technique le plus utilisé et ses propriétés mécaniques sont fondamentalement contrôlées par le traitement thermique. Parmi les différents procédés de traitement thermique, le refroidissement rapide de la phase austénite produit la martensite, une microstructure qui donne une dureté et une résistance exceptionnelles. La teneur en carbone de l'acier est le facteur le plus influent qui régit la formation de martensite, sa structure finale et les propriétés qui en résultent.
Fondements de la formation de martensite
La martensite est une phase métastable formée par une transformation sans diffusion, entraînée par cisaillement, de l'austénite cubique centrée sur la face (CFC) à une structure tétragonale centrée sur le corps (BCT). L'extinction rapide (taux de refroidissement de l'ordre de 100°C/s à 1000°C/s selon la teneur en carbone) supprime la diffusion des atomes de carbone, les piégeant dans les sites interstitiaux du réseau de fer. Cette supersaturation du carbone déforme le réseau cubique en un réseau tétragonal, le rapport c/a augmentant linéairement avec la teneur en carbone. La transformation se produit athermalement – la fraction de martensite dépend uniquement de la température inférieure à la température de départ (Ms) de la martensite, et non pas du temps.
La morphologie de la martensite est fonction de sa morphologie aciculaire (comme la nébulosité), de sa densité élevée de dislocation et d'une fine sous-structure de jumeaux ou de lattes. La morphologie elle-même dépend de la teneur en carbone : les aciers à faible teneur en carbone (inférieur à 0,4% C) ont tendance à former la martensite lattée avec des plaques parallèles, tandis que les aciers à haute teneur en carbone (au-dessus de 0,6% C) produisent la martensite de la plaque avec un motif de zigzag caractéristique.
Comment la teneur en carbone se transforme en martensite
Le carbone comme élément d'alliage interstitiel
Pendant le extinction, le carbone ne peut pas se diffuser assez rapidement pour former du cémentite (Fe3C) ou d'autres carbures; il reste au contraire piégé, imposant une distorsion tétragonale sévère. Le degré de tétragonalité (rapport c/a) augmente d'environ 1,0 à 0%C à environ 1,08 à 1,2 %C. Cette distorsion est responsable de l'extrême dureté de la martensite.
La relation entre la teneur en carbone et la température de Ms est critique et bien établie : chaque augmentation de 0,1 % de carbone réduit Ms d'environ 30-40°C. Des formules empiriques comme l'équation d'Andrews donnent :
Ms (°C) = 539 – 423(%C) – 30,4(%Mn) – 17,7(%Ni) – 12,1(%Cr) – 7,5(%Mo) + ...
Ainsi, un acier au carbone simple avec 0,8 %C a une Ms d'environ 200°C, tandis qu'un acier 0,2 %C a une Ms d'environ 500°C. La température de finition martensite (Mf) est généralement de 200 à 250°C sous Ms, bien que dans les aciers à haute teneur en carbone Mf puisse tomber sous la température ambiante, ce qui entraîne la rétention de l'austénite.
Taux de refroidissement critique et dureté
Pour former la martensite, le taux de refroidissement doit dépasser le taux critique de refroidissement (CCR) – le taux minimum qui évite les transformations de diffusion en nacréite ou en baïnite. La teneur en carbone influence fortement le CCR. Le carbone plus élevé déplace le nez de la perlite du diagramme de la transformation de refroidissement continu (CCT) à plus long terme, ce qui facilite l'obtention de la martensite complète avec des quenches plus lentes (p. ex., huile au lieu d'eau).
| Carbon Content (wt%) | Typical Ms (°C) | Hardenability | Preferred Quenchant |
|---|---|---|---|
| 0.05 – 0.25 | 450 – 500 | Low | Water |
| 0.30 – 0.50 | 350 – 450 | Moderate | Water (small sections) or oil |
| 0.60 – 0.80 | 200 – 350 | High | Oil or polymer |
| 0.90 – 1.20 | 100 – 200 | Very high | Oil or martempering |
Note : Les ajouts d'alliages peuvent modifier considérablement ces gammes. Pour plus de détails, voir ASM International=s ressources de traitement thermique.
Teneur en carbone et propriétés mécaniques de la martensite
Dureté et force
La dureté de la martensite sous forme de charbon est à peu près linéaire avec une teneur en carbone allant jusqu'à environ 0,8 %C. Une équation classique est :
Hardité (HRC) -60 μ(%C) + 20 (pour la teneur en carbone jusqu'à 0,8 %)
Au-delà de 0,8%C, les plateaux de dureté sont en solution parce que le carbone supplémentaire reste en solution, mais la tétragonalité croissante conduit à la microcraquage et à la rétention de l'austénite. La résistance à la traction augmente de la même façon, passant d'environ 1000 MPa pour une martensite de 0,2%C à plus de 2 500 MPa pour une martensite à haute teneur en carbone.
Ductilité et ténacité
La martensite est intrinsèquement fragile en raison de son treillis supersaturé, de fortes contraintes internes et de la présence de régions jumelées (surtout dans les aciers à haute teneur en carbone). L'allongement à la fracture passe de ~10-15% dans la martensite à faible teneur en carbone à moins de 1% dans la martensite à haute teneur en carbone.
Austenite conservée
La haute teneur en carbone stabilise l'austenite à des températures plus basses, ce qui signifie que la température de Mf peut tomber sous l'air ambiant. Par conséquent, une fraction de l'austenite reste non transformée après le trempement. Par exemple, un acier de 1,0 %C peut retenir 10-30 % d'austenite. Cette phase plus douce peut réduire la dureté globale et causer une instabilité dimensionnelle.
Incidences pratiques sur le traitement
Sélection de la méthode de mise à jour
- Aciers à faible teneur en carbone (0,02-0,3 % C): Refroidissement rapide (p. ex., saumure glacée ou eau) pour atteindre le CCR; même alors, la martensite complète ne peut être atteinte que dans des sections minces.
- Aciers au carbone moyen (0,3-0,6 % C):[ L'extinction d'eau est courante, mais l'huile peut être utilisée pour les alliages avec une meilleure dureté.
- Les aciers à haute teneur en carbone (0,6-1,2% C): L'extinction par l'huile est typique pour éviter les fissures dues aux chocs thermiques.
Réponse températrice
La température de la martensite provoque des précipitations de carbures de transition (ε-carbide dans le carbone inférieur, le cémentite dans le carbone supérieur), la récupération des dislocations et la réduction des contraintes résiduelles. La chute de dureté astroncée pendant la tempérance est plus prononcée pour les aciers au carbone plus élevés, car plus de carbone sursaturé est disponible pour former des carbures.
Éléments d'alliage et leur interaction avec le carbone
L'ajout d'éléments d'alliage modifie la transformation de la martensite de plusieurs façons :
- Nickel et Manganèse: Baisser la température de Ms, augmentant la tendance à retenir l'austénite.
- Chromium et molybdène: Améliorer la dureté, permettant l'extinction de l'huile pour les aciers à haute teneur en carbone. Ils favorisent également la formation de carbure pendant la tempérance.
- Vanadium et Titanium:[ Former des carbures fins qui épinglent les limites du grain et raffinent la taille du paquet martensite.
- Silicon: Retards adoucissants pendant la tempérance, bénéfiques pour les aciers à ressort.
Pour une discussion approfondie des effets de l'alliage, voir l'article de la Materia totale sur la dureté.
Choisir le bon contenu en carbone pour les applications
Les ingénieurs adaptent la teneur en carbone aux exigences de service :
- Carbone faible (0,05-0,25% C) – Aciers à durcissement de boîtier:[ Le noyau reste dur; la surface est carburée à 0,8-1,0% C et trempée pour produire un boîtier dur et résistant à l'usure.
- Carbone moyen (0,3-0,5% C) – Aciers trempés et trempés: Offre la résistance, la ténacité et la fatigue pour les essieux, les barres de raccordement, les boulons et les pièces de machine.
- High Carbon (0,6-1,2% C) – Aciers résistants à l'usure et à l'outillage: Fournir une dureté maximale après trempe et tempérage, mais avec un soulagement de stress soigneux. Utilisé pour les matrices, couteaux, rasoirs, outils de formage à froid et fils de ressort.
- Carbone ultra-haut (1,2-2,0% C) – Applications spéciales: Rarement utilisé en raison de sa fragilité extrême; peut être traité par métallurgie de poudre ou des traitements thermiques spécialisés pour les composants de haute tenue.
Conclusion
La teneur en carbone de l'acier est la variable principale qui contrôle la formation de martensites, sa structure cristalline et les propriétés mécaniques qui en découlent. De la modification de la température de Ms et du taux critique de refroidissement à la dictée de dureté, de ductilité et de rétention d'austénite, le rôle du carbone est fondamental pour les agents de traitement de la chaleur et les ingénieurs de conception. En comprenant l'interaction entre le carbone, les éléments d'alliage et les paramètres d'extinction, les fabricants peuvent fournir systématiquement des aciers avec une performance optimisée – que l'objectif soit la dureté rasée pour une lame, la résistance à la fatigue pour un équipement automobile ou la résistance à l'impact pour un outil minier.
Pour plus de détails sur les techniques modernes de traitement thermique, voir la bibliothèque technique du magazine et les normes pertinentes de ASTM International.