Éléments d’alliage dans les alliages fer-carbone
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L’acier au carbone peut bénéficier d’un très large éventail de propriétés grâce au traitement thermique. Toutefois, dans de nombreuses applications, cela n’est quand même pas suffisant. L’introduction de composants, autres que le fer et le carbone dans l’acier, ou l’augmentation de la teneur en certains additifs, tels que le manganèse et le silicium, crée un groupe de matériaux appelés aciers alliés. Ces éléments, ajoutés délibérément qui sont des additifs d’alliage, interagissent simultanément avec le fer, le carbone et entre eux, ce qui entraîne une modification de la structure et des propriétés. Cela permet d’avoir des propriétés mécaniques et technologiques supérieures, une trempabilité accrue, une dureté et une résistance à l’abrasion, toutes deux élevées, ainsi que des propriétés spéciales (par exemple la résistance à la corrosion, la résistance à la chaleur ou la résistance thermique).
Dans le même temps, l’acier allié est généralement plus onéreux, il est donc utilisé lorsque l’acier au carbone ne répond pas ou plus aux exigences. Dans la pratique, il est également important que les aciers alliés soient le plus souvent utilisés à l’état trempé, car ce n’est qu’alors que les effets de l’alliage se manifestent pleinement. Il s’agit de la modification de la cinétique de transformation de l’austénite, de la tendance différente à la croissance des grains, de la possibilité de produire et de stabiliser des carbures d’alliage, et de l’obtention de combinaisons favorables de dureté et de plasticité.
Comment les aciers alliés sont-ils classés et pourquoi cette classification est-elle parfois ambiguë ?
La classification des aciers alliés peut se baser sur plusieurs critères, mais la classification la plus courante est celle qui se fait en fonction du type et de la quantité d’additifs d’alliage, c’est-à-dire en fonction de la composition chimique. D’où l’apparition des noms tels que aciers au chrome, aciers au manganèse, aciers au chrome-nickel. Cependant, nous soulignons ici qu’avec les compositions chimiques contemporaines, de plus en plus complexes, cette classification est désormais moins claire, car l’acier peut contenir simultanément plusieurs additifs importants et son comportement dépend alors de leur combinaison, et plus uniquement de l’élément « principal ».
Du point de vue de la technologie et du choix des matériaux, la classification selon la quantité d’additifs d’alliage, dans les aciers faiblement alliés, moyennement alliés et fortement alliés est tout aussi importante, et lorsque leur teneur est très faible, nous parlons d’aciers micro-alliés. La classification en fonction de l’application revêt également une grande importance pratique. Nous distinguons les aciers de construction, les aciers à outils et les aciers à propriétés spéciales. Cette classification repose sur une logique toute simple qui est que différentes applications nécessitent différents « mécanismes » de renforcement (par exemple, précipitation de carbure, augmentation de la trempabilité, stabilisation de la structure à haute température) et donc différents additifs.
Marquage des aciers alliés
Généralement décrit ainsi, un système de marquage est un système dans lequel la marque d’acier est composée de chiffres et de lettres dont la signification est étroitement liée à la composition. Le premier chiffre indique généralement la teneur moyenne en carbone en centièmes de pour cent, tandis que les chiffres suivant les lettres indiquent la teneur moyenne d’un élément d’alliage donné en pourcentage. S’il n’y a pas de chiffre après la lettre, cela signifie que la teneur en cet élément ne dépasse pas 1,5 %. De plus, les aciers de qualité supérieure, à très faible teneur en phosphore et en soufre, sont marqués de la lettre A à la fin du marquage.
Il est également important de noter que dans le système cité, les lettres proviennent de l’alphabet russe et correspondent à des éléments spécifiques (par exemple, la lettre désignant le nickel, le chrome ou le molybdène dans ce système est différente de celle utilisée dans les symboles chimiques modernes). Pour exemple d’interprétation du marquage, il faut savoir comment lire les teneurs en carbone et en additifs principaux à partir du marquage lui-même et comment reconnaître si l’acier est de qualité ordinaire ou supérieure.
Dans les aciers à outils, le système de marquage est différent. En tête, il y a des lettres indiquant le groupe fonctionnel (par exemple, aciers pour travail à froid, travail à chaud et aciers rapides), et les lettres et les chiffres suivants sont utilisés pour indiquer les principaux additifs d’alliage, ou leurs groupes, et pour distinguer les différentes nuances. Une liste des lettres attribuées aux éléments dans les marquages des outils est aisé à trouver et à consulter, montrant, par exemple, des marquages distincts pour le tungstène, le vanadium, le molybdène, le chrome, le cobalt, etc.
Éléments d’alliage et allotropie du fer
L’un des effets les plus importants de l’alliage est l’influence des additifs sur la plage de stabilité des allotropes du fer, c’est-à-dire sur les températures auxquelles l’austénite (phase γ) peut exister. Le matériau divise les éléments en deux groupes de base en fonction de la manière dont ils modifient les températures de transition A3 et A4. Les éléments du premier groupe abaissent A3 et augmentent A4, ce qui signifie que la plage d’existence de la phase γ s’élargit. Avec une teneur suffisamment élevée, il peut arriver que la phase γ existe, de la température ambiante à la température de fusion, il s’agit alors d’un système avec un champ austénitique ouvert. Cet effet a été décrit pour les alliages de fer avec du nickel, du cobalt et du manganèse, qui forment des solutions solides continues avec le fer.
Si les éléments qui élargissent le champ γ ne forment pas des solutions continues, mais seulement des solutions limites, le tableau est plus complexe. Le champ γ peut initialement s’élargir, mais plus tard, en raison de l’apparition de plages biphasiques, il peut se rétrécir progressivement, jusqu’à disparaître complètement. Nous faisons ici référence à ceci comme étant un système avec un champ austénitique élargi avec, pour exemples, certains systèmes avec du cuivre ou de l’or, ainsi que l’influence d’éléments interstitiels tels que le carbone et l’azote.
Le second groupe a l’effet inverse. Ces éléments abaissent A4 et élèvent A3, et avec une solubilité suffisante dans le fer, ils peuvent conduire à la formation d’un champ austénitique fermé, limité par la zone biphasée α + γ. En dehors de ce champ, la ferrite existe depuis les températures normales jusqu’au point de fusion. Ce matériau répertorie un large éventail d’éléments qui présentent cet effet, notamment l’aluminium, le silicium, le titane, le vanadium, le chrome, le molybdène, le tungstène et d’autres encore. Lorsque la solubilité dans γ est trop faible, au lieu d’un champ fermé, un système avec un champ austénitique rétréci se forme, comme décrit ci-dessus, par exemple, pour les alliages contenant du bore, du zirconium et du césium.
Sous quelle forme les additifs d’alliage sont-ils présents dans l’acier ?
Le fonctionnement d’un additif dépend en grande partie de l’emplacement et de la forme sous laquelle il se trouve dans la microstructure. Le matériau énumère volontiers diverses possibilités, à savoir les éléments d’alliage peuvent se présenter sous forme de solution solide, de carbures, d’inclusions non métalliques, de composés intermétalliques ou (rarement) sous forme libre. Dans le même temps, nous soulignons que dans les aciers alliés utilisés dans la pratique, deux formes revêtent une importance capitale : la solution solide et les carbures, car elles déterminent le plus fortement les propriétés et le comportement pendant le traitement thermique.
Les inclusions non métalliques sont généralement présentes en petites quantités, et leur influence dépend davantage de leur forme, de leur taille et de leur répartition que de leur composition chimique. Des composés intermétalliques peuvent se former, mais le plus souvent uniquement à des teneurs très élevées en additifs. Ils sont donc moins importants que les solutions solides, ou que les carbures, dans les aciers d’ingénierie classiques. Cette conclusion guide nos analyses… Si nous voulons comprendre pourquoi l’acier allié est plus dur, plus trempable ou plus résistant à la surchauffe, nous devons généralement examiner le durcissement par solution et le rôle des carbures d’alliage.
Effet des additifs, dans la solution solide, sur la ferrite
De nombreux éléments d’alliage se dissolvent dans la ferrite ou l’austénite, mais le degré de cette solubilité est individuel et reste lié, entre autres, à la correspondance des tailles d’atomes. Le matériau fait référence au critère de différence de diamètre atomique et indique la plage dans laquelle la formation de solutions solides est particulièrement favorable. Il fait rappeler également que les éléments interstitiels (tels que le carbone, l’azote ou le bore) forment des solutions interstitielles dans le fer.
L’effet technique le plus important est le suivant… Les additifs dissous dans la ferrite augmentent la résistance à la traction, la limite d’élasticité et la dureté, tout en diminuant les propriétés plastiques. Plus la différence entre un élément donné et le fer est grande (par exemple en termes de taille atomique), plus le changement du matériau est important. Des informations qualitatives peuvent être également fournies ici, concernant les éléments qui durcissent le plus la ferrite. Le manganèse, le silicium et le nickel, entre autres, provoquent un durcissement important, tandis que l’effet du chrome, du molybdène et du tungstène est moins prononcé. En ce qui concerne la résistance aux chocs, la plupart de ces éléments (à l’exception du chrome et du nickel) la réduisent, et parmi les additifs considérés, le nickel est le plus bénéfique, car il peut augmenter à la fois la dureté et la résistance aux chocs.
Il convient également de tenir compte de la dépendance à la vitesse de refroidissement. Nous savons que la ferrite contenant du nickel, du chrome ou du manganèse en solution peut former une structure aciculaire similaire à la martensite, lorsqu’elle est refroidie rapidement, ce qui entraîne une augmentation de la dureté de 100-150 HB par rapport à l’état, après un refroidissement lent. Pour la ferrite contenant du silicium, du molybdène ou du tungstène, cependant, cette dépendance à la vitesse de refroidissement est négligeable. Il s’agit d’une observation importante, car elle montre que même une « composition identique » peut donner lieu à une dureté différente, si le processus de refroidissement est modifié.
Carbures d’alliages
Dans les aciers alliés, la solution solide, ainsi que les carbures jouent tous deux un rôle prépondérant. En effet, la tendance des éléments à former des carbures est liée à leur structure électronique, et la conclusion pratique est que les éléments peuvent être classés en fonction de leur capacité croissante à former des carbures stables : Fe, Mn, Cr, Mo, W, V, Ti, Zr, Nb. Plus le carbure est stable, plus la température à laquelle il se dissout dans l’austénite, pendant le chauffage, est élevée et plus il est difficile de le séparer de la martensite durant le revenu, ce qui influe directement sur le choix des températures d’austénitisation et de revenu dans les aciers alliés.
Nous nous devons de citer ici la classification de Goldschmidt, qui organise les types de carbures en fonction de leur structure cristalline et de leurs propriétés. Les carbures du groupe I, avec un réseau régulier de type NaCl et une formule MC (par exemple TiC, ZrC, VC, NbC), sont très stables, ils ont des points de fusion très élevés et une dureté également très élevée. Le groupe II comprend les carbures à réseau hexagonal compact, de type MC ou M2C (par exemple WC, W2C, MoC), dont les points de fusion et la dureté sont légèrement inférieurs. Le groupe III comprend les carbures M3C à structure cémentite (notamment Fe3C et Mn3C), dont la dureté est inférieure à celle des carbures les plus stables des groupes I et II.
Par ailleurs, les carbures d’alliage se présentent rarement « sous leur forme pure ». Ils contiennent généralement du fer en solution, et si l’acier comporte plusieurs additifs, les carbures peuvent également contenir ces éléments. Les carbures de structure similaire peuvent se dissoudre mutuellement (par exemple, la cémentite et le carbure de manganèse), et les aciers contiennent aussi des carbures aux structures plus complexes, tels que M23C6 ou M7C3. Ce matériau présente une distinction technologique importante : les carbures simples tels que MC et M2C sont très stables et difficiles à dissoudre dans l’austénite, même à des températures élevées, tandis que les carbures complexes se dissolvent plus facilement lorsqu’ils sont chauffés.
Éléments formant des carbures et éléments ne formant pas de carbures
Voici donc à notre disposition une classification pratique des éléments d’alliage, en fonction de leur interaction avec le carbone. Le groupe non formant de carbure comprend, entre autres, Ni, Si, Co, Al, Cu et N. Dans les aciers, ces éléments se présentent généralement sous forme de solution solide dans le fer, à quelques exceptions près. Notamment le cuivre dont la teneur est supérieure à environ 0,5 %, qui peut former une phase distincte (une solution solide sur une matrice de cuivre). Quant à l’azote, il peut former des composés sous forme de nitrures.
Les éléments formant des carbures ont une double fonction : ils peuvent se présenter à la fois sous forme de solution solide et sous forme de carbures, et la forme dominante dépend de la teneur en carbone et des autres éléments formant des carbures présents. Le matériau, en logique pratique, nous précise qu’avec une teneur plus élevée en carbone et une petite quantité d’additifs formant des carbures, ces éléments se trouveront principalement dans les carbures, tandis qu’avec une faible teneur en carbone et une teneur élevée en additifs formant des carbures, le carbone sera lié dans les carbures, tandis que les additifs « excédentaires » resteront dans la solution solide. Les éléments qui se lieront en premier dans les carbures sont déterminés par leur affinité pour le carbone.
À ce stade, nous soulignons ici clairement que l’effet des carbures sur les propriétés est généralement beaucoup plus important que le durcissement de la ferrite par des additifs dissous dans la solution. De plus, la « puissance » des carbures dans la pratique est principalement déterminée par leur dispersion et leur morphologie. Les grosses particules de carbure ont un effet de renforcement moindre, les précipités en forme de plaques nuisent davantage à la plasticité que les précipités sphéroïdaux de même dureté, et les carbures aux joints de grains peuvent provoquer une fragilité.
Comment les additifs d’alliage modifient-ils le système Fe-Fe₃C ?
L’introduction d’additifs d’alliage modifie la position des températures et des points caractéristiques dans le système fer-cémentite. Il est nécessaire d’indiquer ici que les éléments qui élargissent la plage de la phase γ abaissent la température de transformation Ac3, tandis que les éléments qui rétrécissent le champ γ élèvent Ac3, ce qui est particulièrement évident à faible teneur en carbone. Un effet similaire, dans une certaine mesure, s’applique à la température de transformation eutectoïde, car il existe également une transformation allotropique « en arrière-plan ».
L’effet sur la concentration en carbone au point eutectoïde est également très important. Tous les éléments d’alliage déplacent le point S de la perlite vers la gauche, c’est-à-dire vers des teneurs en carbone plus faibles, réduisant ainsi la teneur en carbone dans la perlite de l’alliage. De même, la plupart des additifs déplacent vers la gauche le point E, qui détermine la limite de solubilité du carbone dans l’austénite, l’effet le plus fort étant exercé par W, Si, Cr, Mo, V, Ti, indiqué ici par ordre croissant d’effet. Le déplacement du point E peut être si important que même avec une teneur en carbone inférieure à 2 % dans les aciers alliés, une structure lédéburitique peut apparaître, ce qui indique clairement qu’un simple diagramme Fe-Fe₃C ne suffit plus pour prédire la structure des aciers alliés.
Nous vous invitons à en tirer une conclusion méthodologique sans ambiguïté… Plus les additifs sont nombreux et plus leur teneur est élevée, plus les températures de transformation et la position des points caractéristiques changent. C’est pourquoi, pour les aciers alliés, il ne faut pas utiliser « mécaniquement » uniquement le système fer-cémentite, mais garder à l’esprit la nature multicomposante de l’équilibre.
Influence des additifs sur les graphiques CTPi
Le plus « pratique » pour le traitement thermique est la manière dont les additifs d’alliage modifient les transformations de l’austénite surfondue, visibles dans les graphiques CTPi. Nous savons que les éléments non carbure, par exemple Ni, Si, Al, Co, ne modifient généralement pas la forme des courbes du début et de la fin de la transformation de l’austénite, mais les décalent vers la droite, ce qui signifie une augmentation de la stabilité de l’austénite surfondue et un ralentissement de ses transformations. Dans le même temps, une exception doit être indiquée ici, qui est que le cobalt peut agir différemment et accélérer la transformation.
Dans le cas des éléments formant du carbure, la situation est plus complexe, en particulier lorsque la teneur en carbone est élevée. Très important encore… Ces additifs provoquent notamment un retard dans la transformation perlite, souvent accompagnée d’une augmentation de la température maximale de transformation perlite (à l’exception du manganèse), par un abaissement de la limite supérieure des températures de transformation bainitique et par un retard dans la transformation bainitique, mais généralement moins important que dans la transformation perlite. Il en résulte un « étalement » des plages de transformation perlitique et bainitique, qui peuvent se chevaucher dans les aciers non alliés. Avec l’augmentation de la teneur en additifs d’alliage, deux maxima distincts de vitesse de transformation peuvent apparaître, séparés par une plage de stabilité austénitique élevée.
Cependant, il est très important de noter que l’effet des additifs formant du carbure sur la stabilité de l’austénite dépend de leur quantité réelle dans l’austénite, c’est-à-dire du temps dont ils ont disposé pour se dissoudre pendant l’austénitisation. Nous souhaitons souligner ici que les éléments formant des carbures n’augmentent la stabilité de l’austénite surfondue que s’ils ont été complètement dissous dans celle-ci pendant le chauffage. Si, en revanche, ils restent sous forme de carbures non dissous, l’effet peut être inverse. L’austénite s’appauvrit en additifs et en carbone, et les carbures eux-mêmes peuvent agir comme des germes, favorisant une transformation accélérée. Cela explique pourquoi la température et la durée d’austénitisation appropriées sont si importantes dans ces aciers alliés !
Éléments d’alliage dans les alliages fer-carbone – Résumé
D’un point de vue technique, les éléments d’alliage dans les aciers Fe-C peuvent être considérés comme un outil agissant à trois niveaux interdépendants. Premièrement, ils modifient l’équilibre de phase, décalant les températures de transformation et la stabilité de l’austénite, parfois au point de former des systèmes avec un champ γ ouvert, fermé ou rétréci.
Deuxièmement, ils influencent la cinétique des transformations, décalant les diagrammes CTPi, augmentant la stabilité de l’austénite, modifiant la relation perlite-bainite et façonnant la trempabilité, en abaissant la vitesse de refroidissement critique.
Troisièmement, ils développent des propriétés grâce à la microstructure. Ils durcissent la ferrite par solution, mais surtout, grâce aux carbures d’alliage, ils permettent un renforcement important, un contrôle de la croissance des grains et des effets spéciaux pendant le revenu, y compris une dureté secondaire.
En pratique, cela signifie que les additifs d’alliage ne sont pas des « bonus à la composition », mais des éléments d’un système de contrôle de la structure. Leur effet réel dépend de leur dissolution dans l’austénite ou de leur présence sous forme de carbures, de leur dispersion et du déroulement de l’austénitisation, du refroidissement et du revenu. Seule une vision cohérente de toutes ces relations permet d’exploiter pleinement le potentiel des aciers alliés.
