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La science de la transformation martensitique pendant le étanchage
Table of Contents
La transformation martensitique représente l'un des phénomènes les plus fascinants et les plus significatifs du point de vue industriel en métallurgie et en science des matériaux. Cette transformation joue un rôle central dans l'évolution microstructurale et la plasticité de nombreux matériaux d'ingénierie, changeant fondamentalement la façon dont les métaux fonctionnent sous contrainte, usure et conditions extrêmes.
Le processus de transformation martensitique a révolutionné des industries allant de la fabrication automobile à l'ingénierie aérospatiale, la construction et la production d'outils. Il s'agit d'un processus qui se produit en fractions de seconde et qui peut pourtant changer radicalement les propriétés d'un métal.Cette exploration complète se transforme en mécanismes fondamentaux, changements cristallographiques, principes thermodynamiques et applications pratiques de la transformation martensitique lors de l'extinction, fournissant une compréhension approfondie de ce processus métallurgique critique.
Comprendre la transformation martensitique : les fondamentaux
Contexte historique et découverte
La transformation structurelle du refroidissement rapide du fer et de l'acier a été étudiée pour la première fois par Adolf Martens à la fin du 19e siècle. La découverte de martensite remonte au métallurgiste allemand Adolf Martens, qui a identifié la phase éponyme à la fin du 19e siècle. Depuis cette découverte révolutionnaire, la compréhension de la transformation martensitique a évolué de façon significative, passant d'observations empiriques à des modèles théoriques sophistiqués soutenus par des techniques de caractérisation avancées.
Le terme « martensite » a été inventé à l'origine pour décrire le constituant rigide et finement dispersé qui émerge dans les aciers soumis à un refroidissement rapide, et a évolué pour englober le produit résultant de ces transformations de manière plus inclusive. Ce qui a commencé par une observation spécifique dans l'acier s'est élargi pour inclure des transformations similaires dans de nombreux autres systèmes de matériaux.
Définition de la transformation martensitique
La transformation martensitique est une transition de phase sans diffusion qui se produit dans les alliages – surtout dans l'acier – lorsqu'ils sont rapidement refroidis à partir de températures élevées.Cette définition met en évidence plusieurs caractéristiques critiques qui distinguent la transformation martensitique des autres transformations de phase en métallurgie.
Contrairement aux autres transformations de phase caractérisées par la diffusion des atomes, la transformation martensitique se produit par un déplacement coopératif des atomes sur de très courtes distances. Cette différence fondamentale de mécanisme conduit à des cinétiques radicalement différentes et à des microstructures résultantes par rapport à des transformations contrôlées par diffusion.
Il s'agit d'une transition de phase solide et solide de premier ordre, avec une nature déplaçante (sans diffusion atomique) consistant en une déformation homogène du réseau conduisant à la nouvelle structure cristalline. Le caractère déplaçant signifie que les atomes se déplacent de manière coordonnée, militaire, plutôt que par diffusion aléatoire, ce qui explique pourquoi certains les qualifient de transformations militaires, contrairement aux changements de phase basés sur la diffusion civile.
La nature sans diffusion de la transformation
Le caractère sans diffusion de la transformation martensitique est l'une de ses caractéristiques les plus déterminantes. La transformation est sans diffusion parce que la vitesse de l'interface est plus grande que la capacité des atomes, comme le carbone, à se disperser, et par conséquent, le carbone reste piégé dans une solution solide, et la nouvelle phase se forme par une déformation chorégraphiée coordonnée du réseau plutôt que par un mouvement atomique stochastique.
La martensite a exactement les mêmes compositions que la phase d'austénite-carbone à l'état de solution solide dans l'ancienne austénite reste à l'état de solution solide dans la martensite, et les atomes de carbone occupent précisément les mêmes sites octaédriques dans la martensite que dans les sites octaédriques dans la matrice d'austénite cubique centrée sur la face sans diffusion.
La croissance de la phase martensite nécessite très peu d'énergie d'activation thermique car le processus est une transformation sans diffusion, qui entraîne un réarrangement subtil mais rapide des positions atomiques, et qui a été connu pour se produire même à des températures cryogéniques.Cette faible exigence d'énergie d'activation explique pourquoi la transformation martensitique peut se produire à des vitesses extrêmement élevées et à des températures très basses où la diffusion serait essentiellement gelée.
Changements cristallographiques pendant la transformation martensitique
De l'Austenite à la martensite: la transition structurelle
La transformation martensitique en acier implique un changement fondamental de la structure cristalline. Bain (1924) a proposé un mécanisme pour la transformation de l'austénite cubique centrée sur la face vers la martensite tétragonale centrée sur le corps dans les aciers dans lesquels le changement structurel a été considéré comme étant provoqué par une déformation homogène du réseau parent. Ce modèle de souche Bain a été affiné au cours des décennies mais demeure central pour comprendre les aspects cristallographiques de la transformation.
La transformation commence lorsque l'austénite, phase stable à haute température de l'acier, est rapidement refroidie, et la structure cubique de l'austénite centrée sur la face est transformée en une structure tétragonale déformée. À la suite de l'extinction, l'austénite cubique centrée sur la face se transforme en une forme tétragonale fortement tendue appelée martensite, sursaturée avec du carbone.
La martensite est une solution solide supersaturée de carbone dans le fer qui a une structure tétragonale centrée sur le corps, une forme déformée de fer bcc. La distorsion tétragonale provient de la présence d'atomes de carbone piégés dans les sites interstitiaux de la structure centrée sur le corps. Il est intéressant de noter que le carbone dans la solution solide interstitielle étend uniformément le réseau fer fcc, mais avec le fer bcc, l'expansion est non symétrique, donnant lieu à une distorsion tétragonale.
La déformation de la souche et du réseau de Bain
La souche Bain transforme correctement la structure cristalline de l'austenite en celle de la martensite, et lorsqu'elle est combinée à une rotation rigide appropriée du corps conduit à la relation d'orientation correcte.
Du point de vue cristallographique, le changement de structure cristalline se produit par une déformation homogène du réseau, mais un cisaillement invariant supplémentaire du réseau, par glissement ou par jumelage, ainsi qu'une rotation rigide du corps doivent également être considérés pour maintenir invariant le plan d'habit. Cette théorie phénoménologique de la transformation martensitique fournit un cadre mathématique pour lier toutes les caractéristiques cristallographiques des phases parent et produit.
Les transformations martensitiques sont provoquées par un mouvement de l'interface entre les phases parent et produit, et à mesure que l'interface avance, les atomes du réseau parent réalignent dans la structure martensite plus énergétiquement favorable. Le déplacement des atomes est relativement petit (moins d'un espacement interatomique) en magnitude et aucun changement de composition ne se produit.
Habit Plans et Structure d'Interface
L'interface entre la phase mère (austenite) et la phase produit (martensite) est constituée par un plan invariant désigné comme plan d'habitude (en général, avec des indices de Miller irrationnels), et la transformation se produit par le mouvement du plan d'habitude. Le plan d'habitude est une caractéristique cristallographique qui reste non perturbée et non perlée pendant la transformation.
Les lattes ont un plan d'habitude bien défini et elles se produisent normalement sur plusieurs variantes de ce plan à l'intérieur de chaque grain, et le plan d'habitude n'est pas constant mais change à mesure que la teneur en carbone augmente. Cette variation du plan d'habitude avec composition reflète l'équilibre changeant des souches et des énergies impliquées dans la transformation.
Les plaques martensites se forment instantanément pendant le refroidissement rapide et l'interface austénite/martensite se déplace à des vitesses proches de la vitesse du son dans le métal. Cette vitesse extraordinairement élevée est possible parce que l'interface de transformation doit être très mobile et pouvoir se déplacer sans aucun besoin de diffusion, et l'interface doit être glissale.
Changements de volume et déformation de la couche
La martensite a une densité inférieure à l'austenite, de sorte que la transformation martensitique entraîne un changement relatif du volume. Cette transformation soudaine conduit à une expansion du volume et une augmentation significative de la dureté. L'expansion du volume est généralement de l'ordre de 2-4% selon la teneur en carbone.
La déformation du cisaillement, qui a une magnitude d'environ 0,26 et qui détermine la forme des plaques de martensite, est beaucoup plus importante que le changement de volume. Outre un changement de symétrie cristalline, la transformation entraîne une déformation (principalement un cisaillement sur le plan d'habitude) ainsi qu'un changement de volume.
Le cristal martensite formé juste est déplacé en partie au-dessus et en partie sous la surface de l'austénite parent par le cisaillement, et la surface horizontale originale de l'austénite est inclinée en nouvelle orientation par la transformation du cisaillement et est facilement considérée comme un relief de surface qui se produit.
Le procédé de mise sous pression : refroidissement rapide pour la formation de martensites
Qu'est-ce que le Quenching ?
Dans la science des matériaux, l'extinction est le refroidissement rapide d'une pièce de travail dans l'eau, le gaz, le pétrole, le polymère, l'air ou d'autres fluides pour obtenir certaines propriétés de matériau.
Le refroidissement consiste en un refroidissement rapide d'un métal pour ajuster les propriétés mécaniques de son état d'origine et pour effectuer le processus de trempe, un métal est chauffé à une température supérieure à celle des conditions normales, généralement quelque part au-dessus de sa température de recrystallisation mais au-dessous de sa température de fusion. Le refroidissement est une étape cruciale dans le traitement thermique de l'acier, où l'objectif est de refroidir rapidement la phase austénitique (obtenue par chauffage de l'acier à une température spécifique) pour le transformer en martensite.
Dans la métallurgie, l'extinction est le plus souvent utilisée pour durcir l'acier en induisant une transformation martensite, où l'acier doit être refroidi rapidement par son point eutectoïde, la température à laquelle l'austenite devient instable. La clé pour réussir l'extinction est d'atteindre un taux de refroidissement assez rapide pour supprimer les transformations contrôlées par diffusion tout en favorisant la transformation martensitique.
L'étape austenitatrice
Avant que l'extinction ne puisse se produire, l'acier doit d'abord être chauffé à la région de phase austénitique. La première étape consiste à chauffer l'acier et à lui permettre de tremper à une température supérieure à la température de transition eutectique, qui est la température à laquelle les atomes de carbone peuvent se répandre à travers le fer, ce qui permet au fer de passer d'une structure cristalline cubique centrée sur le corps (BCC) à une austénite cubique centrée sur le visage (FCC).
Pour la plupart des applications, la température d'austénitisation est d'environ 25-30°C au-dessus de la température Ac3. Le métal peut être maintenu à cette température pendant un temps déterminé afin que la chaleur «souffle» le matériau. Ce temps de trempage assure la transformation complète en austénite et l'homogénéisation de la microstructure avant l'extinction.
La température et le temps austénisants sont des paramètres critiques qui influencent les propriétés finales de l'acier trempé. Des températures austénisantes plus élevées peuvent dissoudre plus de carbures et produire une austénite plus uniforme, mais des températures excessives peuvent conduire à la croissance du grain, ce qui peut nuire aux propriétés mécaniques.
Taux de refroidissement critique et diagrammes CCT
Un taux de refroidissement plus rapide que son taux de refroidissement critique évite la transformation de l'austénite par des processus de diffusion (en narite et/ou en bainite), mais se transforme plutôt en martensite, un produit de transformation de cisaillement moins répandu. Le taux de refroidissement critique est le taux de refroidissement minimal requis pour éviter la formation de produits de transformation non martensitiques.
Un extinction très rapide est essentiel pour créer la martensite, et pour un acier autectoïde au carbone de section fine, si l'extinction commençant à 750 °C et se terminant à 450 °C se produit en 0,7 seconde (un taux de 430 °C/s) aucune narite ne se formera, et l'acier sera martensitique avec de petites quantités d'austénite conservée. Ceci illustre les taux de refroidissement extrêmement rapides nécessaires pour la transformation complète de la martensite en aciers au carbone uni.
Les diagrammes de transformation continue du refroidissement (CCT) sont des outils essentiels pour comprendre et contrôler le processus d'extinction. Ces diagrammes montrent les phases qui se forment en fonction du taux de refroidissement et fournissent des conseils sur les taux de refroidissement nécessaires pour atteindre des microstructures spécifiques.
Prévenir les transformations indésirables
Le refroidissement rapide « gele » essentiellement la structure austénitique à haute température avant qu'elle ne puisse se transformer en phases d'équilibre.
La vitesse de refroidissement empêche les atomes de se réorganiser comme ils le feraient pendant le refroidissement lent. Pendant le refroidissement lent, l'austenite se transformerait en ferrite et en cémentite (pearlite) ou en baïnite, selon la plage de température. Ces transformations impliquent la diffusion d'atomes de carbone et de fer et se traduisent par des microstructures plus douces.
Si le taux de refroidissement est plus lent que le taux critique de refroidissement, une certaine quantité de perlite se formera, en commençant par les limites de grain où elle se développera dans les grains jusqu'à ce que la température Ms soit atteinte, alors l'austenite restante se transforme en martensite à environ la moitié de la vitesse du son en acier.
Médias de mise à jour : sélection et caractéristiques
Étanchement de l'eau
L'eau est un agent de refroidissement très complet, offrant le taux de refroidissement maximum le plus élevé de tout liquide, et elle est également abondante et moins chère que les autres agents de refroidissement.
Cependant, l'extinction de l'eau présente des inconvénients importants. En raison de l'intensité du refroidissement, les bulles (également appelées poches de vapeur) peuvent se former sur l'acier et entraîner des différences thermiques entre les pièces, mettant la pièce en danger de contraintes et de distorsion indésirables. L'eau refroidit l'acier plus rapidement, mais pour les aciers à haute teneur en carbone et en alliage, cela peut provoquer des fissures, ce qui explique pourquoi l'huile est utilisée à la place.
La solution pour cette occurrence naturelle est d'agiter le bain de refroidissement, en maintenant efficacement l'eau en mouvement pour briser les bulles, également appelées barrières de vapeur, qui servent comme une sorte d'isolation, en maintenant la pièce de travail plus chaude qu'elle ne devrait l'être et en interrompant le processus d'extinction.
Il s'agit du processus d'extinction le plus agressif, qui fournit le taux de refroidissement le plus rapide, et il convient aux métaux qui nécessitent une dureté maximale, mais qui peut également augmenter les risques de fissuration et de distorsion. La sévérité de l'extinction de l'eau le rend impropre aux géométries complexes ou aux aciers fortement alliés où le risque de fissuration est élevé.
Découpe de l'huile
L'extinction par l'huile permet un refroidissement plus lent que l'extinction par l'eau, réduisant ainsi le risque de fissuration et de distorsion du processus d'extinction. L'huile réduit les gradients thermiques pendant le refroidissement, ce qui réduit la contrainte interne et améliore la stabilité dimensionnelle tout en soutenant un durcissement efficace dans de nombreux aciers au carbone et alliages.
Les aciers au carbone, les aciers alliés et les aciers à outils dépendent souvent de l'extinction de l'huile parce que le refroidissement contrôlé soutient la dureté constante. L'extinction de l'huile est particulièrement avantageuse pour les aciers alliés où les éléments d'alliage réduisent le taux de refroidissement critique, rendant le refroidissement plus lent de l'huile suffisante pour atteindre la transformation martensitique.
Le liquide d'extinction est généralement inférieur à 80°C pour l'huile et à la température ambiante pour les liquides d'extinction à base d'eau (eau, saumure et polymère).La température du milieu d'extinction affecte ses caractéristiques de refroidissement, avec des températures plus élevées qui entraînent généralement des taux de refroidissement plus lents.
Étanchement de la saumure
La saumure est un mélange d'eau et de sel, et la saumure se refroidit plus rapidement que l'air, l'eau et l'huile. La raison en est que le mélange de sel et d'eau décourage la formation de globules d'air lorsqu'il est placé en contact avec un métal chauffé, ce qui signifie que plus de la surface du métal sera recouverte avec le liquide, par opposition aux bulles d'air.
L'utilisation d'une solution d'eau salée est plus rapide et plus sévère, suivie par l'eau douce, le polymère, l'huile et l'air forcé est plus lent. L'extinction par la saumure fournit l'extinction la plus sévère et est utilisée lorsque la dureté maximale est nécessaire et le risque de fissuration est acceptable.
Étanches en polymères
Les ignifugeants sont des solutions à base d'eau qui permettent des vitesses de refroidissement réglables basées sur la concentration, et les systèmes de polymères sont souvent choisis lorsque les magasins ont besoin de flexibilité pour plusieurs nuances d'acier dans le même fonctionnement.
Les agents de refroidissement polymère offrent un refroidissement plus uniforme que l'eau tout en offrant un refroidissement plus rapide que l'huile. Ils sont particulièrement utiles pour les pièces à géométries complexes où un refroidissement uniforme est essentiel pour minimiser la distorsion. La capacité d'ajuster les caractéristiques de refroidissement en changeant la concentration rend les agents de refroidissement polymère polyvalents pour les installations qui traitent une variété de nuances d'acier et de géométries de parties.
Gaz et extinction de l'air
L'extinction par gaz ou par air consiste à refroidir le métal dans l'air ou à utiliser des gaz inertes comme l'azote, et elle offre le taux de refroidissement le plus lent de tous les milieux d'extinction, réduisant ainsi le risque de choc thermique et de distorsion.
L'extinction par gaz est principalement utilisée pour les aciers fortement alliés où le taux de refroidissement critique est très faible en raison de la présence d'éléments carbure-formant puissants. Ces aciers peuvent atteindre une transformation martensitique même avec les taux de refroidissement lents fournis par l'extinction par gaz. Même le refroidissement de tels alliages lentement dans l'air a la plupart des effets souhaités de l'extinction; l'acier à grande vitesse affaiblit beaucoup moins du cycle thermique dû à la coupe à grande vitesse.
Sévérité et Agitation de l'extinction
La sélection des agents d'extinction joue un rôle crucial dans le processus d'extinction, et leurs propriétés thermiques influent de façon significative sur la vitesse, la sévérité et les vitesses de refroidissement, et les propriétés thermiques – conductivité thermique, densité et viscosité – influencent grandement l'efficacité du transfert de chaleur de la partie chauffée vers le milieu d'extinction et la rapidité de refroidissement de la partie (taux de refroidissement).
Une agitation adéquate est essentielle pour assurer une extinction et un contrôle uniformes des vitesses de refroidissement pendant le traitement thermique, et l'agilité contribue à obtenir des propriétés de matériau et une stabilité dimensionnelle cohérentes dans les pièces trempées en assurant une distribution uniforme de la température et en améliorant l'efficacité du transfert thermique.
La température du bain est un autre facteur crucial pour le «processus d'extinction approprié», car elle affecte directement le coefficient de transfert de chaleur (HTC) et les vitesses de refroidissement des pièces qui sont trempées.
Températures de transformation : Ms et Mf
Température de démarrage de la martensite (Ms)
La réaction martensitique commence au cours du refroidissement lorsque l'austénite atteint la température de départ de la martensite (Ms), et l'austénite mère devient mécaniquement instable. La température de Ms est un paramètre critique qui définit quand la transformation martensitique peut commencer pendant le refroidissement.
La réaction commence à une température martensitique de départ (Ms) qui peut varier sur une large plage de température allant de 500 °C à une température bien inférieure à la température ambiante, selon la concentration d'éléments d'alliage stabilisants γ dans l'acier.
La température de Ms n'est pas affectée par le taux de refroidissement, c'est une propriété thermodynamique déterminée par la composition de l'austenite. Cependant, la quantité de martensite qui se forme à une température donnée inférieure à Ms dépend du taux de refroidissement.
La température de finition de la martre (Mf)
À mesure que l'échantillon est trempé, un pourcentage de plus en plus important de l'austenite se transforme en martensite jusqu'à ce que la température de transformation inférieure soit atteinte, Mf, au moment où la transformation est terminée.
A cette température, toute l'austenite aurait dû se transformer en martensite, mais souvent, en pratique, une petite proportion de l'austenite ne se transforme pas, et des fractions de volume plus grandes d'austenite sont conservées dans certains aciers fortement alliés, où la température Mf est bien inférieure à la température ambiante.
Austenite conservée
Pour un acier eutectoïde (0,76 % C), entre 6 et 10 % de l'austénite, appelé austénite conservé, restera, et le pourcentage d'austénite conservé augmente de insignifiant pour moins de 0,6 % C de l'acier, à 13 % d'austénite conservé à 0,95 % C et 30 à 47 % d'austénite conservé pour un acier au carbone de 1,4 %. La quantité d'austénite retenue augmente avec la teneur en carbone parce que la teneur en carbone plus élevée diminue progressivement la température de Mf.
La résistance de la martensite est réduite à mesure que la quantité d'austénite conservée augmente. L'austénite conservée est plus douce que la martensite et peut se transformer en martensite pendant le service sous contrainte ou à basse température, ce qui peut causer une instabilité dimensionnelle.
Transformation athermale contre transformation isothermique
La réaction martensite dans les aciers se produit normalement athermalement, c'est-à-dire pendant le refroidissement dans une plage de température qui peut être définie avec précision pour un acier particulier. La transformation athermique signifie que la quantité de martensite formée dépend uniquement de la température atteinte, et non du temps retenu à cette température.
La nature athermique de la transformation martensitique reflète son caractère sans diffusion. Comme aucune diffusion n'est nécessaire, la transformation peut se faire aussi rapidement que l'interface peut se déplacer, ce qui est essentiellement instantané sur des échelles de temps pratiques. La transformation s'arrête lorsque le refroidissement s'arrête, et reprend lorsque le refroidissement continue, la fraction transformée dépendant uniquement de la température.
Facteurs influant sur la transformation martensitique
Effets du taux de refroidissement
Pour obtenir la réaction martensitique, il est généralement nécessaire de refroidir rapidement l'acier, de sorte que l'austénite métastable atteigne Mme. Si le refroidissement est trop lent, des transformations contrôlées par diffusion se produiront avant que la température de Ms soit atteinte, empêchant ainsi la transformation martensitique.
Les aciers au carbone ordinaire nécessitent des taux de refroidissement très rapides, souvent réalisables uniquement avec l'eau ou l'extinction par la saumure. Les aciers alliés ont des taux de refroidissement critiques plus faibles en raison de l'effet des éléments d'alliage dans les transformations freinant la diffusion contrôlée, permettant ainsi à l'huile ou même à l'extinction par l'air de produire des structures martensitiques.
La vitesse de refroidissement affecte également l'uniformité de la transformation dans la section transversale d'une pièce. Les sections plus épaisses refroidissent plus lentement au centre qu'à la surface, ce qui peut entraîner des microstructures mixtes avec martensite à la surface et des phases plus douces dans le noyau. C'est pourquoi la dureté – la capacité à former martensite dans toute la section transversale – est une considération importante dans la sélection de l'acier.
Composition de l'alliage et teneur en carbone
La transformation martensitique est fortement influencée par la composition chimique de l'acier, et le carbone joue un rôle crucial en augmentant la dureté de la martensite. Le carbone est l'élément le plus important affectant à la fois la température de Ms et la dureté de la martensite résultante.
La phase martensitique de l'acier est sursaturée dans le carbone et subit ainsi un renforcement de la solution solide. Les atomes de carbone piégés dans les sites interstitiaux de la structure tétragonale centrée sur le corps créent de graves distorsions de réseau qui empêchent le mouvement de dislocation, entraînant une dureté et une résistance élevées.
La teneur en carbone de l'acier est le principal facteur déterminant les températures, les temps et les niveaux de dureté et de ténacité obtenus par extinction et tempérage, et pour les aciers à faible et moyen carbone, extinction et tempérage améliore de façon significative à la fois la dureté et la résistance, et à mesure que la proportion de carbone augmente, l'acier traité thermiquement en résultant tend à être plus fragile mais plus résistant à l'usure.
Pour les aciers alliés, la présence d'éléments comme le manganèse, le chrome, le nickel et le molybdène augmente les avantages de l'extinction et de la tempérance. Ces éléments d'alliage affectent la transformation de plusieurs façons : ils réduisent la température de Ms, réduisent le taux critique de refroidissement, augmentent la dureté et peuvent former des carbures qui affectent les propriétés finales.
Dans l'acier allié avec des métaux comme le nickel et le manganèse, la température de l'eutectoïde devient beaucoup plus basse, mais les barrières cinétiques à la transformation de phase restent les mêmes, ce qui permet de tremper à une température plus basse, ce qui rend le processus beaucoup plus facile. L'acier à grande vitesse a également ajouté du tungstène, qui sert à élever des barrières cinétiques, qui, entre autres effets, donne des propriétés matérielles (durité et résistance à l'abrasion) comme si la pièce avait été refroidie plus rapidement qu'elle ne l'a vraiment fait.
Austenitisation de la température et du temps
La température et le temps austénisants avant l'extinction influencent significativement la transformation. Les températures austénisantes plus élevées entraînent généralement une dissolution plus complète des carbures, ce qui entraîne une teneur en carbone plus élevée dans l'austénite et par conséquent dans la martensite.
Des températures d'austénitisme excessives peuvent provoquer une croissance des grains d'austénite, ce qui a plusieurs effets sur la transformation. Les grains d'austénite plus grands peuvent abaisser légèrement la température de Ms et affecter la morphologie de la martensite.
Le temps de trempage à la température austénisation doit être suffisant pour assurer une transformation complète en austénite et l'homogénéisation de la composition. Le trempage insuffisant peut entraîner une transformation incomplète et des propriétés non uniformes.
Microstructure antérieure
La microstructure présente avant l'austénitisme peut affecter la transformation. Les structures fines nailites ou sphéroïdisées se transforment en austénite plus rapidement et à des températures plus basses que les structures nailistiques grossières.
La microstructure antérieure affecte également la taille du grain d'austénite qui se développe pendant l'austénitisation. Les structures initiales fines tendent à produire des grains d'austénite plus fins, qui peuvent être bénéfiques pour les propriétés mécaniques.
Morphologie et microstructure martensite
Lath Martensite
Pour l'acier à 0-0,6 % de carbone, la martensite a l'apparence de lame et est appelée lame martensite. La martensite est la morphologie prédominante dans les aciers à carbone faible et moyen. Elle se compose de lames parallèles ou de plaques disposées en paquets ayant des orientations cristallographiques similaires.
Chaque grain d'austénite se transforme par la formation soudaine de plaques minces ou de lattes de martensite de caractère cristallographique frappant. Les lattes ont généralement quelques centaines de nanomètres de largeur et plusieurs micromètres de longueur. Au sein de chaque grain d'austénite antérieur, plusieurs paquets de lattes se forment avec différentes orientations correspondant à différentes variantes cristallographiques.
La martensite lattée présente une densité de dislocation élevée, généralement de l'ordre de 10^15 à 10^16 m^-2. Ces dislocations sont générées pour tenir compte du changement de forme associé à la transformation. La densité de dislocation élevée contribue de manière significative à la résistance de la martensite lattée, en plus de la solution solide renforçant du carbone.
Plaque Martensite
Pour l'acier avec plus de 1% de carbone, il formera une structure semblable à une plaque appelée martensite de plaque, et entre ces deux pourcentages, l'aspect physique des grains est un mélange des deux. La plaque martensite forme dans les aciers à haute teneur en carbone et se caractérise par des plaques plus grandes, en forme de lentille qui peuvent couvrir des grains entiers d'austenite.
La martensite de la plaque contient une densité élevée de jumeaux plutôt que des dislocations. Les jumeaux se forment pour accueillir le changement de forme et sont généralement très fins, de l'ordre de quelques nanomètres d'épaisseur. La structure jumelée contribue à l'extrême dureté de la martensite à haute teneur en carbone mais aussi à sa fragilité.
La transition de la couche de la couche de la couche de la couche de martensite à la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de la couche de
Variantes cristallographiques
D'une orientation donnée de la phase mère, plusieurs variantes de martensite avec des orientations différentes sont possibles. Le nombre de variantes possibles dépend de la symétrie des phases mère et produit. Pour la transformation FCC-BCT en acier, il y a 24 variantes cristallographiques possibles.
Pendant la transformation, plusieurs variantes se forment généralement à l'intérieur de chaque grain d'austénite. La transformation induite par la température développe une microstructure martensitique multivariante avec auto-accommodation, c'est-à-dire que la déformation associée à une plaque martensite est compensée par la variante voisine, ne donnant pas un changement de forme macroscopique nette.
Propriétés mécaniques de Martensite
Dureté et force
Un acier, rapidement refroidi à l'état austénitique, se transforme généralement en martensite, structure très dure, qui est la base du durcissement des aciers. Le résultat est une nouvelle phase – martensite – qui a une structure cristalline déformée et donne au matériau une dureté élevée.
La transformation martensitique fer-carbone génère une augmentation de dureté. La dureté de la martensite augmente avec la teneur en carbone, allant d'environ 200 HV pour la martensite très basse en carbone à plus de 900 HV pour la martensite haute en carbone. Cette augmentation spectaculaire de dureté avec la teneur en carbone reflète la distorsion croissante du réseau et le renforcement de la solution solide.
Dans les aciers au carbone, à mesure que la quantité de martensite augmente, la dureté et la résistance augmentent, mais la dureté diminue, et l'ampleur de ces effets dépend fortement de la teneur en carbone de l'acier. La haute résistance et la dureté de martensite le rendent idéal pour les applications nécessitant une résistance à l'usure et une résistance élevée.
La fragilité et le besoin de tempérer
Souvent, après le trempement, un alliage de fer ou d'acier sera excessivement dur et fragile en raison d'une surabondance de martensite. Après le trempement, l'acier est extrêmement dur mais très fragile, et comme la plupart des applications pour l'acier ont besoin d'un mélange de dureté et de ténacité, cette fragilité doit être réduite, et cela se fait par tempérament.
Ces microstructures entraînent une résistance et une dureté accrues pour l'acier, mais elles laissent l'acier vulnérable aux fissures et avec une grande réduction de ductilité. La fragilité de la martensite as-quenchée résulte des fortes contraintes internes, de la sursaturation du carbone et du manque de phases ductiles.
Le trempement est un processus de durcissement essentiel, qui se traduit par un acier très dur et très fragile, mais les cas d'utilisation modernes pour l'acier sont peu nombreux et éloignés, et le trempement est presque toujours suivi par des processus de traitement thermique ultérieurs qui cherchent à garder une partie de la dureté et de la résistance gagnées par le refroidissement rapide tout en augmentant la dureté et la ductilité.
Le processus de temperation
Dans ces cas, une autre technique de traitement thermique connue sous le nom de temperation est effectuée sur le matériau trempé pour augmenter la ténacité des alliages à base de fer, et la température est généralement effectuée après durcissement, pour réduire une partie de la dureté excessive, et se fait en chauffant le métal à une certaine température en dessous du point critique pendant une certaine période de temps, puis en lui permettant de refroidir dans l'air calme.
Le trempement peut aussi rendre le métal fragile, il est suivi par le tempérament, où le métal est réchauffé à une température inférieure puis refroidi à nouveau, et cette étape réduit la fragilité tout en maintenant la résistance et la ténacité. L'acier est trempé pour réduire une partie de la dureté et augmenter la ductilité, et il est chauffé pendant une période déterminée à une température qui tombe entre 400° F et 1 105° F.
Pendant la période de tempérage, la martensite supersaturée se décompose en phases plus stables, typiquement ferrites et carbures fins. Cette décomposition soulage les contraintes internes, réduit quelque peu la dureté, mais améliore considérablement la dureté et la ductilité. La température de tempérage et le temps contrôlent l'équilibre final des propriétés, avec des températures plus élevées produisant des aciers plus doux mais plus résistants.
L'acier trempé et trempé est un type d'acier qui a subi un traitement thermique en deux étapes pour améliorer ses propriétés mécaniques, où l'acier est d'abord trempé pour augmenter sa dureté et sa résistance, et qui est suivi par un refroidissement pour réduire la fragilité tout en maintenant la résistance et la ténacité.
Les tensions résiduelles et la distorsion
Le trempement peut introduire des contraintes résiduelles dans le métal en raison des vitesses de refroidissement inégales, et la surface refroidit et se contracte plus rapidement que l'intérieur, entraînant des contraintes de traction sur la surface et des contraintes de compression à l'intérieur, et si elles ne sont pas bien gérées, ces contraintes résiduelles peuvent causer des déformations, des déformations ou même des fissures.
L'expansion du volume associée à la transformation martensitique contribue également aux contraintes résiduelles. Lorsque la surface se transforme en martensite avant le noyau, la surface en expansion est limitée par le noyau encore austenitique, générant des profils de contraintes complexes.Ces contraintes peuvent entraîner une distorsion ou une fissuration, en particulier dans les parties à géométries complexes ou des concentrations de contraintes.
La transformation martensitique s'accompagne d'une expansion du réseau, ce qui produit une contrainte résiduelle de compression favorable à la surface et augmente significativement la résistance à la fatigue. Lorsqu'elle est correctement contrôlée, les contraintes résiduelles de l'extinction peuvent être bénéfiques, notamment pour la résistance à la fatigue.
Sujets avancés en transformation martensitique
Stress et martensite induite par la souche
Dans certains aciers alliés, la martensite peut être formée en travaillant l'acier à la température de Ms en s'étalant au-dessous de Ms, puis en travaillant par déformations plastiques à des réductions de la surface de section transversale entre 20 % et 40 % de l'original.
La martensite qui ne se forme qu'en appliquant une souche élastique de l'extérieur est la martensite assistée par le stress, qui peut nucléer au même endroit d'austenite si elle s'est transformée sous Ms, et la martensite qui se forme en appliquant une souche plastique de l'extérieur est appelée martensite induite par la souche et cette nucléation se trouve dans des sites préparés par déformation plastique.
La transformation martensitique peut être induite par des forces mécaniques ou par des changements de température dans un processus de refroidissement. La transformation induite par le stress est la base de l'effet de la mémoire de forme et de la superélasticité dans certains alliages.
Alliages de mémoire de forme et transformations thermoélastiques
Les transformations martensitiques thermoélastiques (TMT) se produisent dans les alliages Au-Cd, In-Tl, Ni-Ti, certains alliages à base de Cu et d'autres systèmes, et en raison des TMT et surtout de la transformation inverse, les alliages présentent des comportements thermomécaniques inhabituels et des capacités de mémoire de forme.
L'effet de la mémoire de forme se produit lorsqu'un alliage est refroidi pour former plusieurs variantes de martensite qui s'accommodent l'une l'autre sans changement de forme macroscopique, et quand une contrainte est appliquée pour faire croître une variante favorisée, la déformation résultante peut être inversée en réchauffant le matériau dans son état austénitique, rétablissant la forme originale.
Les transformations de type éclatement, typiques des aciers trempés, se produisent presque isothermalement et se caractérisent par un grand changement de volume et une grande hystérésis (des centaines de K), tandis que les transformations martensitiques thermoélastiques ont un petit changement de volume, une faible hystérésis (tens de K), et une bonne réversibilité.
Transformation martensitique dans les systèmes non ferreux
On a trouvé des preuves de leur présence dans plusieurs métaux purs tels que Fe, Co, Hg, Li, Ti, Zr, U et Pu, dans de nombreux alliages ferreux et non ferreux et dans plusieurs oxydes et composés intermétalliques tels que ZrO2, BaTiO3, V3Si, Nb3Sn, NiTi et NiAl. Les transformations martensitiques ne se limitent pas à l'acier mais se produisent dans une grande variété de systèmes de matériaux.
La transformation martensitique se produit dans de nombreux autres systèmes comme Cu-Al, Au-Cd, Fe-Ni, certaines céramiques, et ce nom générique décrit les transformations qui se produisent par cisaillement sans changement de composition chimique. Le mécanisme fondamental des déplacements atomiques coordonnés sans diffusion est commun à tous ces systèmes, même si les structures et les propriétés spécifiques du cristal diffèrent.
Recherche et caractérisation modernes
Pour résoudre ce problème de longue date, nous examinons ici un acier inoxydable austénitique AISI 304 qui a une souche/microstructure-gradient induite par l'attrition mécanique de surface, qui nous a permis de capturer dans un échantillon toutes les régions interphases clés générées pendant la transition γ(fcc) → ε(hcp) → α′(bcc), un cas prototypique de transformation martensitique induite par déformation (DIMT).
Ces observations directes permettent de vérifier pour la première fois le modèle de Bogers-Burgers-Olson-Cohen (BBOC) de 50 ans et d'enrichir notre compréhension des mécanismes DIMT. Les techniques modernes de caractérisation, y compris la microscopie électronique à transmission haute résolution et les observations à l'échelle atomique, ont fourni des indications sans précédent sur les mécanismes de transformation.
Des méthodes de calcul avancées, y compris des simulations de dynamique moléculaire et des modélisations de phase-champ, sont maintenant utilisées pour étudier la transformation martensitique au niveau atomique. Ces approches complètent les observations expérimentales et fournissent des informations sur les mécanismes de nucléation, la structure de l'interface et la cinétique de transformation qui sont difficiles à obtenir expérimentalement.
Applications industrielles et considérations pratiques
Applications des aciers trempés et trempés
L'acier trempé et trempé est largement utilisé dans les industries qui nécessitent des matériaux résistants à l'usure, comme la construction, la fabrication automobile et les machines lourdes. Il est idéal pour l'utilisation dans les industries militaires, de la machinerie, des mines, des carrières, du terrassement et de la construction, et souvent il est utilisé pour les produits exposés à un impact élevé tels que les roues d'engrenage, les bords de coupe, les seaux de terrassement, les doublures d'usure de camion à décharge, les parachutes, et plus encore.
Les éléments qui peuvent être trempés comprennent les engrenages, les arbres et les blocs d'usure. La combinaison de la dureté élevée et de la ténacité raisonnable obtenue par extinction et tempérage rend ces aciers adaptés aux applications exigeantes où la résistance à l'usure et à l'impact sont nécessaires.
Les aciers à outils représentent un autre domaine d'application important pour la transformation martensitique. Les outils de coupe, les matrices et les poinçons dépendent de la dureté extrême de la martensite à haute teneur en carbone pour la résistance à l'usure.
Contrôle de la qualité et surveillance des processus
Grâce à une compréhension et un contrôle complets de facteurs tels que la composition de l'acier, la sélection des étanchéifications, l'épaisseur de la section de pièce, l'agitation et la température du bain, les fabricants peuvent optimiser le processus d'extinction, ce qui entraîne une transformation uniforme en martensite et permet d'atteindre les propriétés de matériau souhaitées.
Quelle que soit la taille, les réservoirs d'extinction doivent pouvoir maintenir des températures de refroidissement à l'intérieur d'une plage de températures étroitement contrôlée, et les réservoirs d'extinction du groupe Eagle sont surveillés par un équipement numérique de surveillance de la température dans un service de traitement de la chaleur dédié pour s'assurer que les températures de refroidissement sont bien conformes aux normes fixées par l'ASTM et/ou d'autres exigences du client.
Les installations modernes de traitement thermique utilisent des systèmes de surveillance et de contrôle sophistiqués pour assurer des résultats d'extinction cohérents. La surveillance de la température, les essais de propriétés d'extinction et la vérification de la dureté sont des mesures de contrôle de la qualité standard.
Défis et prévention des défauts
Les milieux mal choisis augmentent les fissures, les distorsions et la dureté inégale, qui augmentent tous les niveaux de ferraille et de retravail. La fissuration est l'un des défauts les plus graves qui peuvent survenir pendant le traitement thermique. Elle résulte de contraintes excessives générées pendant le refroidissement, en particulier lorsque le refroidissement est trop rapide ou lorsque des concentrations de contrainte existent.
Si la pièce n'est pas trempée immédiatement (habituellement dans les 90 minutes suivant l'extinction), elle peut être sujette à une fissuration. Une fissuration retardée peut survenir des heures ou même des jours après l'extinction si la tempérance est retardée, car les fortes contraintes internes dans la martensite à la suite d'une compression peuvent entraîner une propagation de la fissure au fil du temps.
La distorsion est un autre défi courant dans l'extinction. Les souches de refroidissement et de transformation non uniformes peuvent causer des distorsions ou des changements de dimensions. Des considérations de conception comme éviter les angles aigus, maintenir des sections transversales uniformes et utiliser des appareils pendant l'extinction peut aider à minimiser la distorsion.
Considérations environnementales et de sécurité
L'extinction des hydrocarbures présente des risques d'incendie dus à l'inflammabilité des huiles d'extinction, qui nécessitent une ventilation adéquate, des systèmes d'extinction des incendies et des procédures de sécurité.
L'élimination des produits d'extinction utilisés doit être conforme aux règlements environnementaux. Les huiles d'extinction peuvent être contaminées par des produits d'oxydation, de l'eau et de l'échelle, et éventuellement nécessiter un remplacement.
La consommation d'énergie est une autre considération dans les opérations d'extinction. Le chauffage des pièces à la température d'austénitisme nécessite une énergie importante, et l'amélioration de l'efficacité des fours et de la récupération de la chaleur peut réduire les coûts d'exploitation et l'impact environnemental.
Orientations futures et technologies émergentes
Aciers à haute résistance avancés
L'industrie automobile a favorisé le développement d'aciers à haute résistance (AHSS) avancés qui utilisent la transformation martensitique. Ces aciers contiennent souvent des microstructures complexes avec des quantités contrôlées de martensite combinées à d'autres phases comme la ferrite, la baïnite ou l'austenite conservée pour obtenir des combinaisons optimales de résistance, de ductilité et de formabilité.
Les aciers à plasticité induite par la transformation (TRIP) utilisent la transformation induite par la déformation de l'austénite en martensite pendant la déformation pour améliorer le durcissement du travail et l'absorption d'énergie. Ces aciers offrent une excellente performance de choc pour les applications de sécurité automobile.
Fabrication additive et solidification rapide
Les procédés de fabrication additive comme la fusion sélective au laser impliquent des vitesses de refroidissement extrêmement rapides qui peuvent produire des structures martensitiques directement pendant la solidification. Comprendre la transformation martensitique dans ces conditions de traitement non-équilibre est important pour contrôler les propriétés des pièces fabriquées additivement. Le refroidissement rapide inhérent à ces procédés peut produire des microstructures uniques qui ne peuvent être réalisables par le traitement conventionnel.
Un refroidissement extrêmement rapide peut empêcher la formation de toutes les structures cristallines, ce qui entraîne une transformation amorphe du métal ou du «verre métallique», ce qui représente un cas extrême où le refroidissement est si rapide que même la transformation martensitique est supprimée, produisant une structure vitreuse.
Conception et modélisation informatiques
Les modèles de champ de phase peuvent simuler la nucléation et la croissance des plaques martensites, fournissant des informations sur l'évolution de la microstructure. La modélisation des éléments de finite peut prédire les contraintes et les distorsions qui se produisent pendant l'extinction, permettant d'optimiser les procédures de conception de pièces et d'extinction.
L'apprentissage automatique et l'intelligence artificielle commencent à être appliqués à l'optimisation du traitement thermique. Ces approches peuvent analyser de grands ensembles de données de traitement thermique de production pour identifier les paramètres de traitement optimaux et prédire les propriétés.
Traitement thermique durable
La durabilité devient de plus en plus importante dans le traitement thermique. Le développement de fours plus efficaces, la récupération de la chaleur résiduelle et l'optimisation des cycles de traitement peuvent réduire la consommation d'énergie.
Les méthodes d'intensification des procédés qui combinent plusieurs étapes de traitement thermique ou intègrent le traitement thermique à d'autres opérations de fabrication peuvent améliorer l'efficacité globale. Par exemple, le durcissement par induction combine le chauffage et l'extinction dans un seul processus rapide, réduisant la consommation d'énergie et le temps de cycle par rapport au traitement thermique classique des fours.
Conclusion
La transformation martensitique pendant le trempement représente une pierre angulaire de la métallurgie moderne et de l'ingénierie des matériaux. La transformation martensitique reste un thème central dans les sciences des matériaux et la métallurgie, et avec la recherche en cours et le développement de nouveaux alliages et techniques de traitement, elle continuera à jouer un rôle clé dans la création de matériaux qui redéfinissent les limites de la dureté et de la force.
La science de la transformation martensitique englobe la cristallographie fondamentale, la thermodynamique et la cinétique, ainsi que des considérations pratiques de traitement, de contrôle de la qualité et d'application. Comprendre la nature sans diffusion de la transformation, le rôle du taux de refroidissement et de la composition, les changements cristallographiques en cause, et les propriétés mécaniques qui en résultent est essentiel pour quiconque travaille avec des aciers traités thermiquement.
Du forgeron médiéval à l'aide d'épées d'extinction aux constructeurs automobiles modernes produisant des aciers à haute résistance, la transformation martensitique a été au centre de la création de matériaux aux propriétés exceptionnelles. Au fur et à mesure que la science des matériaux continue de progresser, notre compréhension de cette transformation remarquable s'approfondit, permettant le développement de nouveaux matériaux et procédés qui repoussent les limites de ce qui est possible.
La pertinence de la transformation martensitique dans les technologies émergentes, de la fabrication additive à la fabrication d'alliages de mémoire à l'acier automobile de pointe, démontre que cette découverte centenaire demeure vitale pour l'ingénierie des matériaux modernes. À mesure que les outils informatiques, les techniques de caractérisation et les technologies de transformation continuent de progresser, notre capacité de contrôler et d'exploiter la transformation martensitique ne fera que s'améliorer, assurant ainsi son importance continue en science des matériaux et en ingénierie pour les décennies à venir.
Pour ceux qui cherchent à approfondir leur compréhension des processus de traitement thermique, l'ASM International[ fournit des ressources importantes sur la métallurgie et la science des matériaux.Institut national des normes et de la technologie offre des données et des recherches précieuses sur les transformations de phase.Des informations supplémentaires sur les processus de trempe et l'équipement peuvent être trouvées sur le site Heat Treat Doctor[.