METALLURGIE DESCRIPTIVE

METALLURGIE DESCRIPTIVE
ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Les différentes familles de matériaux
Métalliques Alliages ferreux Fontes Aciers Composites Alliages non-ferreux d’Aluminium de Cuivre de titane Polymères Céramiques Les alliages ferreux représentent encore une très grande proportion dans l’utilisation des alliages métalliques (50% des métaux dans une automobile). ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Chapitre I - Les aciers ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Sommaire  Introduction et définitions
 Les différentes familles d’aciers  Les traitements thermiques des aciers dans la masse  Les traitements de surface des aciers  Influence des éléments d’addition  Les aciers à outils  Les aciers inoxydables ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Introduction et définitions

Diagramme Fer-Carbone
Trois types d’alliages : le fer pur  les aciers et les fontes. faibles propriétés mécaniques  usage industriel ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Diagramme Fer-Carbone : généralités
Austénite g l’austénite γ, la cémentite Fe3C Cémentite Fe3C la ferrite α et Ferrite a Les principales phases de ce système sont : ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Diagramme Fer-Carbone : variétés allotropiques du fer
 Les différentes variétés allotropiques du fer - La ferrite a (fer a) : jusqu’à T=906°C forme stable du fer structure cristalline cubique centrée (CC, a = 290 pm) solubilité du C est alors très faible (< 0,02 %) Ferrite a (x90) - L’austénite (fer g) : de 906 à 1401°C structure cubique à faces centrées (CFC, a = 360 pm) solubilité du C peut alors atteindre ~ 2 % en masse nouvelle phase est de forme plus compacte et plus déformable Austénite (x325) - La ferrite d (fer d) : de 1401 à 1528°C structure CC (a = 293 pm) forme peu importante au niveau industriel ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Diagramme Fer-Carbone : aciers
Définition : Les aciers sont des alliages dont la teneur en carbone reste inférieure à 2% (en masse). En pratique, on ne trouve qu’exceptionnellement des aciers à plus de 1,2% C Aciers % en masse de C < 2% ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Diagramme Fer-Carbone : constituants des aciers
 Constituants des aciers recuits  La ferrite α à T ambiante c’est du fer presque pur, dont les propriétés sont : Faible limite d'élasticité (Re = 150 MPa) Faible résistance mécanique (Rm = 280 MPa environ et dureté HV = 80) Grande ductilité (A = 35 %) Densité ρ = 7,86 g.cm-3  La cémentite Fe3C ( 6,67 % C) est un carbure de fer à ductilité quasi nulle (comportement fragile), les propriétés sont : Limite d’élasticité supérieure à MPa (dureté voisine de HV = 700) Densité ρ = 7,82 g.cm-3  La perlite est un mélange biphasé de ferrite (88,3 % m) et de cémentite (11,7 % m) Microstructure sous forme de lamelles fines alternées (perlite lamellaire) Propriétés mécaniques intéressantes : - ductilité issue de la ferrite et - limite d’élasticité issue de la cémentite Résistance mécanique (Rm (MPa) = λ–1/2, avec λ distance interlamellaire en nm) Ductilité (A = 10 %) Plus stable à la corrosion ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Diagramme Fer-Carbone : fontes
Définitions : Les fontes sont des alliages dont la teneur en carbone est supérieure à 2% en masse Les fontes subissent toujours la transformation eutectique (vers 1130°C) Fontes blanches : Le carbone se retrouve toujours sous forme de cémentite Fontes grises : Le carbone se retrouve sous forme de graphite libre (carbone pur) et de cémentite Fontes (2% < %m C < 6,67%) ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Alliage particulier : Il correspond au point eutectoïde du diagramme Fe-C (- autres éléments).  teneur en carbone ~ 0,8% (teneur variable selon la présence d’autres éléments d’alliages). Alliage eutectoïde. point eutectoïde Aciers % en masse de C < 0,2% ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Aciers hypo-eutectoïdes : Les aciers subissant au cours de leur refroidissement la réaction eutectoïde (% C > 0,02%) et dont la teneur en carbone est inférieure à 0,8% Hypo-eutectoïde point eutectoïde Aciers hyper-eutectoïdes : Les aciers dont la teneur en carbone est supérieure à 0,8% Hyper-eutectoïde Aciers ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Diagramme Fer-Carbone : acier
 Constitution et répartition des constituants  L’acier eutectoïde (0,8% en masse de C) Hautes températures, l’alliage ne contient que la phase d’austénite Lors du refroidissement, aucun changement avant d’atteindre la T eutectoïde (~ 727°C) En dessous de cette T la totalité de l’austénite est précipitée en perlite  L’acier hypo-eutectoïde ( à 0,8% en masse de C) Hautes T : l’alliage ne contient que la phase d’austénite En refroidissant  2 phases coexistent : l’austénite et la ferrite En dessous de T eutectoïde, la totalité de la phase d’austénite se transforme en perlite alors que la phase de ferrite ne subit que peu de modification Ces aciers sont les plus utilisés industriellement  L’acier hyper-eutectoïde (0,8 à 2% en masse de C) Idem à haute T Au refroidissement, formation d’une seconde phase (cémentite) En dessous de T eutectoïde, l’austénite restante se transforme en perlite Ces aciers sont peu utilisés industriellement (très fragiles) ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Les Différentes familles d’acier

Les aciers : les différentes familles
Les aciers d’usage général Les aciers faiblement alliés Les aciers alliés Aciers à outils alliés Aciers maraging ou (martensite-aging) Aciers inoxydables Aciers réfractaires Aciers au manganèse Aciers ordinaires Aciers au carbone non alliés ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Les aciers d’usage général : aciers ordinaires
Composition : Teneur maximale de 0,25 % en masse de C Présence de différents éléments d’additions (faible quantité) Désignation : EN S 235 Propriétés : Bonne soudabilité Insensibles aux traitements thermiques Amélioration des propriétés par écrouissage Limites d’élasticité intéressantes Écriture selon la norme NF EN 10020 Lettre identifiant l’emploi de l’acier Limite d’élasticité (MPa) Utilisation : Aciers de construction d’usage général Aciers de décolletage à bas carbone ... Exemple : EN S235 : acier de construction Re = 235 MPa EN E335 : acier de construction mécanique Re = 335 MPa ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Les aciers d’usage général : aciers au carbone non alliés
Aciers pour cémentation : (< 0,2 % C) traitements superficiels d’enrichissement en carbone, d’où une couche trempable et durcissante Désignation : EN C 30 Écriture selon la norme NF EN 10020 Lettre identifiant l’emploi de la désignation à partir des compositions chimiques Teneur en carbone (30  0,3% en masse de C) Aciers pour traitements thermiques de trempe et de revenu pour des teneurs en carbone moyennes de 0,25 à 0,6 % Aciers à teneurs élevées en carbone ils sont réservés pour des usages exigeant des hautes résistances, grande dureté, tenue à l’usure Aciers microalliés à haute limite d'élasticité teneurs moyennes en carbone, faibles additions (moins de 0,1 %) et des traitements très contrôlés Exemple : EN C25E (ancien XC25) : acier non allié ayant 0,25% de C avec une indication supplémentaire définie dans le fascicule FDR (info traitement thermique) Aciers à très haute résistance à très bas carbone valeurs élevées de Re et de Rm, une bonne ductilité (A > 13 %) et une résilience élevée ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Les aciers faiblement alliés
Désignation : EN 36 CrNiMo 16  Dans cette famille, la règle est qu’aucun élément n’atteigne 5 % Écriture selon la norme NF EN 10020 Teneur en carbone (36  0,36% en masse de C)  L’apport des éléments d’alliage va permettre d’augmenter la résistance mécanique et d’augmenter la profondeur de trempe Symbole chimique dans l’ordre croissant des teneurs Valeurs de ces teneurs affectées d’un chiffre multiplicateur fonction de l’élément Selon le choix des éléments d’alliage, on favorise : La limite d’élasticité (Si pour les ressorts) La résistance à l’usure (Mn et Si) La résistance aux chocs (Ni-Cr, Ni-Cr-Mo) Relativement accessibles par leur prix Matériaux de choix pour la construction mécanique Exemple : EN 36CrNiMo16 : acier allié à 0,36% en masse de C, 4% de chrome et contenant du nickel et du molybdène. ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Les aciers faiblement alliés
 Influence des éléments d’additions sur les propriétés ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Les aciers alliés EN 2 Ni18Co8Mo5TiAl Désignation :
 Les teneurs en éléments d’alliage peuvent dépasser 5 % Écriture selon la norme NF EN 10020 Teneur en carbone (2  0,02% en masse de C) Symbole chimique suivi de de sa teneur affectée d’un chiffre multiplicateur fonction de l’élément  Les performances et les prix sont plus élevés  On distingue les groupes suivants : Aciers à outils alliés Aciers maraging ou (martensite-aging) Aciers inoxydables Aciers réfractaires Aciers au manganèse Eléments Multiplicateur Cr, Co, Mn, Ni, Si,W Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr N, P, S B 4 10 100 1000 Exemple : EN 2 Ni18Co8Mo5TiAl : acier allié à 0,02% en masse de C, 4,5% en masse de Nickel, 2% en masse de Cobalt, 0,5% en masse de Molybdène et contenant du titane et de l’aluminium. ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Les aciers alliés : aciers à outils alliés
Les aciers à outils alliés :  Pour le travail à froid  Pour le travail à chaud Les aciers rapides (pour usinage, formage, filage à froid) : Dureté à l’ambiante supérieure à 60 HRc Maintien d’une dureté et d’une ténacité élevées à chaud  addition importante d’éléments carburigènes (W, Mo, V) associés au chrome (qui améliore la trempabilité) et au cobalt Élaboration et traitements thermomécaniques complexes Résistance au frottement, à l’usure, et à la fatigue est améliorée par des traitements superficiels ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Les aciers alliés : aciers maraging
Les aciers maraging  Ils profitent du fort hystérésis de la transformation austénite-ferrite des alliages fer-nickel Composition : - ~ 18% de Ni - Quelques % de Co et de Mo - Très peu de C (0,02%) - Un peu de Ti et Al Après traitement thermique: - Limite d'élasticité et ductilité moyennes - Usinage facile -  du durcissement par un traitement de revenu (durcit la martensite par précipitation de composés intermétalliques de type Ni3Mo, Ni3Ti ou NiAl ) - Ténacité reste bonne  Un soin tout particulier est porté au traitement de revenu afin d’obtenir un durcissement structural maximal ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Les aciers alliés : aciers inoxydables
Les aciers inoxydables  résistance à la corrosion aux températures basses et moyennes dans les milieux plus ou moins agressifs.  Ils représentent une production annuelle d’environ 1,2 millions de tonnes en France, soit un doublement en 15 ans. L’élément d’alliage pilote est le chrome, dont la teneur doit toujours être > à 12 %  formation d’un film de passivation en surface  Les aciers inoxydables se classent en divers sous-groupes selon la microstructure : - Inox ferritiques - Inox martensitiques - Inox austénitiques - Inox austénoferritique ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Les aciers alliés : aciers inoxydables
 Les aciers inoxydables se classent en divers sous-groupes selon la microstructure : Inox ferritiques : - Avec très peu de carbone - Un peu de Mn (éviter la formation de martensite par trempe) - Structure cubique centrée  faible durcissement par écrouissage Inox martensitiques : - Trempabilité excellente à l’air - Excellente résistance au revenu jusqu’à 350°C - T > 350°C : durcissement secondaire (dû au chrome)  perte de ténacité et de ductilité jusqu’à 550°C - T > 550°C : température de début du survieillissement Inox austénitiques : - Traitement de trempe sévère  austénite métastable à T ambiante - Ecrouissable Inox austénoferritique : - Moins de fragilité que les ferritiques - Limite d'élasticité plus élevée que les austénitiques - Susceptibles de durcissement structural ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Les aciers alliés : aciers réfractaires et aciers au manganèse
Les aciers réfractaires - Aciers inoxydables résistant à l’oxydation à chaud (T 800 à 1000°C) - Résistance au fluage acceptable à ces température - Élément d’addition principal est le chrome Les aciers au manganèse Le prototype est l’acier Hadfield, avec 12 % Mn, 1 % C et 0,5 % Si - Structure austénitique métastable - Durcissement superficiel exceptionnel par choc (transformation de l’austénite en martensite comme pour les aciers inox austénitiques) - Ténacité remarquable - Difficulté d’usinage est contournée par des procédés de moulage, pour obtenir des pièces résistant à l’usure ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Les Traitements thermiques

Les traitements thermiques des aciers
Objectif : améliorer les performances des aciers Moyen : traitements thermiques intéressant si les paramètres des traitements sont parfaitement maîtriser Idée : les propriétés des aciers sont liées à leurs microstructures. Les traitements thermiques est de faire évoluer la microstructure en fonction des besoins d’utilisation de l’acier. Trois types de traitements thermiques : Traitements dans la masse : - trempes - revenus Traitements de surface = trempes superficielles Recuits (adoucissement et régénération) ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Les traitements thermiques des aciers dans la masse
Austénitisation  L’austénitisation a pour objet de mettre en solution le carbone et, éventuellement, les éléments d’alliage précipités sous forme de carbures. Pour ce faire, il est nécessaire de se placer dans les conditions où le carbone est soluble dans le fer c’est-à-dire de provoquer, par chauffage, la transformation du fer a en fer g  L’austénitisation comporte deux étapes : - Un chauffage jusqu’à la température dite température d’austénitisation ; - Un maintien à cette température  La T d’austénitisation est supérieure d’environ 50°C à T limite d’austénisation homogène Chauffage lent en particulier pour les grosses pièces  Limiter le gradient thermique entre la peau et le cœur Limiter les contraintes ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Les traitements thermiques des aciers dans la masse
Trempe  Les transformations se font hors équilibre  diagramme d’équilibre non respecté ici Objectif : empêcher la précipitation du carbone au cours du retour depuis la température d’austénitisation jusqu’à la T ambiante, et cela dans la plus grande partie possible de la section de la pièce.  Pour obtenir la transformation : Austénite  Martensite  vitesse de refroidissement rapide  Vitesse pas assez rapide : Austénite  Perlite ou Bainite  Pour un acier donné, les deux facteurs qui vont conditionner le résultat de la trempe sont : - La trempabilité de l’acier dans les conditions d’austénitisation adoptées - Les conditions de refroidissement de l’austénite ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Les traitements thermiques des aciers dans la masse : trempe
Trempabilité Définition La trempabilité de l’acier caractérise les possibilités de réalisation de la structure martensitique, sans précipitation de carbone, par rapport aux conditions technologiques dans lesquelles peut être réalisée la trempe  La trempabilité est caractérisée à l’aide des diagrammes de transformation en refroidissement continu (diagramme TRC) et indirectement, à l’aide des courbes Dureté (HV) = f (conditions de refroidissement) et, plus pratiquement, à l’aide des courbes Jominy Plus la trempabilité d’un acier est grande :  Plus est grande la section des pièces dans lesquelles, pour des conditions de refroidissement données, on peut provoquer la transformation martensitique à cœur  Moins il est nécessaire de refroidir rapidement une pièce de dimensions données pour engendrer la transformation martensitique à cœur ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Essai de Jominy : essai normalisé permettant la mesure de la trempabilité  Méthode fixe tous les paramètres qui influent sur la profondeur de la trempe (conditions de refroidissement, taille et géométrie de l’échantillon) 100 mm 25,4 mm  Échantillon normalisé : forme cylindrique de 25,4 mm de diamètre et 100 mm de longueur  Après une austénitisation dont la durée et la température sont prédéfinies, l’échantillon est sorti du four et monté rapidement sur le support de l’appareil.  L’extrémité inférieure de l’échantillon est alors refroidit par un jet d’eau où la température et le débit sont précisément déterminés. ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Essai de Jominy :  Une fois l’échantillon à température ambiante, on meule un plat de 0,4 mm de profondeur afin de réaliser des mesures de duretés  La dureté est mesurée par un indenteur Rockwell sur les premiers 50,8 mm de l’échantillon avec un pas de 1,6 mm sur une distance de 12,8 puis un pas de 3,2 mm sur 38 mm restant Courbe de trempabilité ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Conditions de refroidissement lors de la trempe la trempe  par immersion de la pièce dans un milieu qui extrait la chaleur contenue dans celle-ci, ce milieu peut être :  gazeux : air, gaz (N2, Ar, H2, He, etc.)  liquide : eau, huiles et bains de sels fondus (l’eau et les huiles peuvent contenir des additifs qui modifient leur pouvoir refroidissant)  mixte : brouillard (gaz + liquide atomisé), lit fluidisé (gaz + solide pulvérulent) Le refroidissement en chaque point d’un volume d’acier dépend :  des propriétés thermiques du métal  de la géométrie de la pièce (forme, dimensions, etc.)  de la position du point considéré dans la section de la pièce  des propriétés thermiques du milieu de trempe et de certaines de ses propriétés physiques (viscosité notamment)  de la température du milieu de trempe  des conditions dans lesquelles se déroule l’échange thermique entre pièce et milieu de trempe (volume et agitation du milieu de trempe, état de surface de la pièce, etc.)  le praticien va devoir tenir compte d’un très grand nombre de paramètres ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Trempe à l’eau Milieu de refroidissement le moins cher et refroidissement le plus énergiques  Vitesse de refroidissement n’est pas constante, v maximale lorsque T de surface ~ 300°C  responsable de la formation de tapures En fonction de la géométrie de la pièce, des bulles de vapeur à la surface  ralentissent local du refroidissement du métal  naissance de points doux  Bonne circulation de l’eau / précautions de mise en place Donc, l’exécution d’une bonne trempe à l’eau exige le contrôle permanent : - De la température de l’eau - De l’agitation des pièces - De la circulation de l’eau et de son renouvellement éventuel Modification volontairement du pouvoir refroidissant de l’eau en incorporant divers produits : -  sa sévérité de trempe en mettant en solution des sels -  sa sévérité de trempe en lui ajoutant des polymères organiques ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Trempe à l’huile  Une grande variété d’huiles de trempe existe, on les distingue par : - L’huile de base (minérale ou synthétique) - Les additifs contenus Vitesse de refroidissement n’est pas constante, v maxi. lorsque T de surface ~ °C  viscosité de l’huile diminue quand sa T    du pouvoir refroidissant  contrôle permanent de la T du bain  Éviter la présence d’eau dans un bain d’huile : eau qui  v de refroidissement à haute T mais  v à basse T  apparition de tapures  Utilisation de la trempe à l’huile  la mise en œuvre de moyens de prévention et de lutte contre les incendies  Après trempe à l’huile, nécessité de dégraisser les pièces ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Trempe au gaz  Les conditions de refroidissement dépendent ici : - De la nature du gaz (et essentiellement de sa capacité thermique) - De la température du gaz - De la pression du gaz - De la vitesse relative du gaz par rapport à la surface de la pièce  L’utilisation d’un gaz neutre  évite toute altération chimique de la surface de la pièce. Connaît un grand développement dans le cadre de l’utilisation des fours à vide. Il permet, avec l’utilisation de gaz performant (azote, hélium, hydrogène) sous pression et le recours à une circulation intense, d’espérer la réalisation de conditions de refroidissement similaire à celles obtenues avec la trempe à l’huile avec l’avantage d’une circulation plus maîtrisable du fluide de trempe  Lorsque le gaz utilisé doit être recyclé  de prévoir un moyen de refroidissement (échangeur) qui permette d’en extraire la chaleur avant de le renvoyer au contact de la pièce ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Trempe au brouillard  Réalisée en projetant à la surface de la pièce un fort courant d’air dans lequel de fines gouttelettes d’eau sont mises en suspension  Le refroidissement est dû à fois au pouvoir refroidissant de l’air en circulation et à la vaporisation des gouttelettes d’eau lorsqu’elles entrent en contact avec la surface de la pièce Le pouvoir refroidissant d’un tel brouillard peut être de 4 à 5 fois plus  que celui de l’air utilisé  v de refroidissement obtenues sont grandes lorsque la T de la surface de la pièce est peu élevée Trempe en bain fluidisé  Un bain fluidisé pour la trempe est constitué par de fines particules (généralement d’alumine) en suspension dans un courant gazeux Trempe en bain de sels fondus  Après trempe, les pièces doivent subir un lavage intense et être protégées contre la rouille ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Déformations et contraintes résiduelles après trempe  Au cours de la trempe d’un acier, des changements de volume se produisent dus : - au retrait : contraction proportionnelle liée au coefficient de dilatation du métal - aux transformations allotropiques : gonflement dépendant des conditions dans lesquelles se déroule la transformation g ® a Pendant la trempe, la température n’est pas uniforme dans toute la pièce, d’où : - la dilatation de l’acier n’est pas la même en tous points - la transformation g ® a se produit à des instants différents dans la pièce considéré  dilatation anormale ne se manifeste donc pas au même moment en tous points  Cette absence de synchronisme des changements de volume va engendrer : - des déformations plastiques (à haute température) - des déformations d'élasticités et donc de contraintes (T<500°C)  apparition de fissure (tapure de trempe)  les contraintes résiduelles ne sont pas toujours nocives et que le mécanicien peut avoir intérêt à les prendre en compte lorsqu’elles sont favorables à la tenue d’une pièce ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Les traitements thermiques des aciers dans la masse : revenu
Le revenu Objectif : Appliqué aux aciers au carbone alliés ou non alliés, après une trempe, le revenu a pour objet de provoquer une précipitation du carbone sous une forme et dans des conditions contrôlées afin de parvenir au durcissement optimal. Cette opération engendre une évolution structurale depuis l’état métastable obtenu après trempe vers un état plus proche de l’équilibre physico-chimique Les paramètres qui définissent les conditions d’exécution d’un revenu sont : - la température de revenu (T maximale à laquelle est porté l’acier) - la durée du maintien de T maximale - la loi de refroidissement à laquelle la pièce est soumise à la fin du revenu Différents type de revenu (après trempe) existe : le revenu de détente le revenu habituel (ou banal) le revenu de durcissement secondaire ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Le revenu de détente Réalisé à une température comprise entre 180 et 220°C Appliqué uniquement une structure totalement martensitique - Provoque une précipitation souvent incomplète (fonction T) du C sous forme de Carbone e Permet une diminution des contraintes interne Évolution des propriétés Faible  de la résistance à la traction et de la dureté  très sensiblement la limite d’élasticité améliore un peu le niveau des caractéristiques de ductilité  Réalisé lorsque les conditions d’emploi exigent : conservation des caractéristiques de résistance à leur niveau le plus élevé sans imposer de contrainte en ce qui concerne la ductilité  Ne provoquant pas de transformation de l’austénite résiduelle (si ce n’est sa stabilisation), il peut être précédé d’un traitement par le froid si l’on veut disposer du durcissement maximal ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Le revenu usuel Réalisé à une température comprise entre 500 et 575°C Provoque la précipitation complète du carbone sous forme de cémentite Fe3C Suivant la température de revenu, ces carbures sont plus ou moins fins, dispersés et durcissants ou globulisés, coalescés et peu durcissants  Suivant la température de revenu, dans le domaine considéré, on provoque une baisse plus ou moins forte des caractéristiques de résistance mais aussi un relèvement très sensible des caractéristiques de ductilité Le revenu de durcissement secondaire Réalisé à une température comprise entre 600 et 675°C Provoque précipitation complète du C sous forme de carbures spéciaux (Cr7C3, Cr23C6, Mo2C, …) Provoquer un durcissement important accompagné d’une  des caractéristiques de ductilité Particulièrement effectué sur les pièces devant travailler à haute T ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Choix des conditions de revenu après trempe  Le choix des conditions de revenu commence par la définition du type de revenu qui est réalisé (fonction des propriétés recherchées) : - Dureté maximale et conditions de service n’imposent pas une certaine ductilité  revenu de détente à la T °C, compatible avec les exigences de dureté - Compromis bien déterminé entre le niveau  de la résistance et un niveau  de ductilité  revenu banal - Pour les acier contenant des éléments carburigènes  revenu de durcissement secondaire Tenir compte que la périphérie d’une pièce subit toujours un maintien à la température de revenu plus long que celui auquel est soumis le cœur. Cette différence est d’autant plus grande que le chauffage est plus rapide et la section de la pièce plus importante  chauffage lent et contrôlé. ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Les traitements thermiques des aciers dans la masse : recuit
Le recuit Objectif : éliminé toute l’histoire thermique de l’acier en ramenant le métal à l’équilibre physico-chimique et mécanique Principe : réalisé un cycle thermique  Chauffage à une température de recuit  Maintien isotherme à cette température  Refroidissement lent dans l’air ou le four Propriété recherchée :  Ductilité maximale  Dureté minimale  Bonnes propriétés mécaniques Dans la pratique, on distingue différents recuits en fonction des buts à atteindre : - Le recuit d’homogénéisation - Le recuit de régénération - Le recuit complet - Le recuit de détente ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Le recuit d’homogénéisation Objectif : réduire les hétérogénéités de composition chimique engendrées par le procédé de solidification  Pour réduire ces hétérogénéités, on fait intervenir la diffusion en portant l’acier à haute température (T > 1100°C) et en le maintenant à cette température pendant le temps nécessaire pour obtenir le résultat souhaité  Le maintien est suivi d’un refroidissement assez rapide, provoquant généralement un fort grossissement des grains,  nécessité d’affiner ultérieurement (réalisation d’un recuit de régénération Le recuit de régénération Objectif : affiner le grain de l’acier après que celui-ci ait subi un grossissement excessif à la suite d’une surchauffe accidentelle ou d’un recuit d’homogénéisation par exemple  L’affinement des grains de l’acier est possible grâce à la transformation a « g et au processus de germination et de croissance de l’austénite  Le maintien à T maximale du cycle  assurer la mise à T uniforme de la pièce  A T ambiante la structure de l’acier est constituée de ferrite (ou de cémentite) et de perlite ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Le recuit complet Objectif : homogénéiser la structure d’un acier non allié ou faiblement allié ; il permet aussi d’affiner le grain de cet acier  Il se définit essentiellement par son cycle thermique qui comporte : - une austénitisation (conditions identique que celle qui précède la trempe) - un refroidissement à l’air libre  Un des intérêts de ce recuit est d’obtenir un matériau dont l’usinage et la déformation à froid est facilité Le recuit de détente Objectif : diminuer les contraintes résiduelles préalablement générées par des cycles thermiques ayant créé, des gradients thermiques et donc des déformations hétérogènes (à l’occasion d’opération de formage, de soudage ou de traitements thermiques)  Un traitement de relaxation comporte : - un chauffage relativement lent (limiter les contraintes liées au gradients thermiques) à la température choisie - un maintien à la température choisie - un refroidissement relativement lent (limiter les nouvelles contraintes liées au gradients thermiques) ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Les Traitements de surface

Les traitements de surface des aciers
Les traitements thermiques dans la masse améliorent les propriétés mécaniques des aciers mais ils diminuent la ténacité du matériau Suivant l’utilisation de la pièce élaborée, ce sont surtout les propriétés de surface qui prédomine (ex : résistance à l’usure). Pour ces cas, le traitement de surface est préféré afin que le cœur de la pièce conserve une bonne ténacité et que la peau soit plus résistante  Les traitements de surface sont généralement appliqué sur des aciers ordinaires ou des aciers peu chargé en éléments d’addition puisque la bonne aptitude à la trempabilité du matériau n’est alors plus une exigence (contrairement aux traitements dans la masse vu précédemment) Deux types de traitements de surface peuvent être identifiés : - les trempes superficielles  modifie la structure de la peau des pièces - les traitements thermochimiques  modifient la composition de la peau des pièces ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Les traitements de surface des aciers : trempes superficielles
Les trempes superficielles Consistent à austénitiser rapidement la peau de la pièce suivie d’une trempe Un revenu est bien souvent réalisé à la suite de cette trempe Ce traitement porte sur quelques millimètres d’épaisseur de la pièce Le chauffage peut se réaliser à partir de cinq méthodes : - à la flamme (au chalumeau) - par induction en moyenne ou haute fréquence - par faisceau laser - par faisceau d’électrons - par torche plasma Les aciers à moyenne teneur en C se prêtent bien à ce traitement ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Trempe à la flamme (au chalumeau) Procédé: la surface de la pièce est portée en quelques secondes au-delà de 900°C à l’aide d’un chalumeau ou d’un jeu de brûleurs judicieusement répartis, puis trempée plus ou moins violemment selon l’épaisseur relative chauffée et la trempabilité de l’acier La profondeur durcie peut varier entre un millimètre et la pleine section de la pièce (typiquement jusqu’à 75 mm) selon la durée d’interaction de la flamme et l’efficacité du refroidissement vis-à-vis de la trempabilité de l’acier Les différents procédés de trempe à la flamme sont soit : trempe générale instantanée d’une surface de révolution - de type stationnaire - soit de type au défilé (« de proche en proche ») trempe au défilé ou de proche en proche ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Trempe avec chauffage par induction en moyenne ou haute fréquence l’application dominante de l’induction MF demeure le durcissement superficiel localisé utilisé pour réaliser des revenus sommaires (qq minutes à T < 300°C) ou des recuits (chauffage vers 900°C/ refroidissement naturel) sur des parties de pièce à défragiliser Procédé: La partie de pièce à traiter est soumise, en statique ou au défilé au champ électromagnétique d’un inducteur alimenté en courant de HF, typiquement quelques kHz à 400 kHz . Il en résulte des courants surfaciques induits (courants de Foucault) s’opposant à la variation du flux inducteur et échauffant la pièce par effet Joule et conduction thermique Schéma de principe d’une trempe statique ou au défilé Le refroidissement naturel pas suffisant  une trempe sous douche d’eau, celle-ci se substituant à l’inducteur (procédé statique) ou opérant juste derrière l’inducteur (procédé au défilé). durcissements martensitiques sur des épaisseurs superficielles (~ 0,5 à 5 mm) et des structures intermédiaires assurant la transition entre la dureté de la martensite et celle du substrat ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Durcissements en phase solide par faisceau laser, faisceau d’électrons, ou torche plasma chauffer la pièce par interaction directe de la peau avec les photons d’un faisceau laser, les électrons d’un faisceau électronique, ou le plasma d’une torche Procédé: Pour réaliser des durcissements localisés par transformation allotropique, on peut soit : - balayer la surface avec un faisceau relativement focalisé - déplacer avec ou sans recouvrement de petites fenêtres irradiées Il est néanmoins difficile de maîtriser de très fortes densités de puissance compte tenu des instabilités d’interaction et des risques de début de fusion en extrême surface Après passage du faisceau, le refroidissent rapidement par conduction vers le cœur de pièce resté froid, conduit à une auto-trempe martensitique zone traitée : quelques dixièmes de millimètre ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Par faisceau laser Utilisation d’une source continue à laser gazeux CO2 , ou un laser solide Nd-YAG. Longueur d’onde du rayonnement : 10,6 μm  enduire la surface à traiter (phosphatation, spray de graphite, peinture) pour améliorer l’absorption et donc le faible rendement de l’interaction, Longueur d’onde du laser YAG (1,06 μm)  permet d’éviter le revêtement et autorise des transferts de puissance flexibles par fibre optique Avantages par rapport à l’induction: - zones affectées thermiquement réduites - d’autoriser une dureté plus forte liée à une structure plus fine En revanche, les surfaces relativement étendues ne peuvent être traitées que par recouvrement de pistes durcies relativement étroites (~ 40 mm pour une source CO2 de 25 kW et 7 mm pour 1,5 kW)  zones adoucies par revenu (présence des contraintes résiduelles) ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Par faisceau faisceau d’électrons Le durcissement par faisceau d’électrons (ou bombardement électronique) est comparable au durcissement par laser, mais avec un meilleur rendement d’interaction (jusqu’à 90%) Les faisceaux d’électrons peuvent être facilement mis en forme et défléchis à HF (balayage ponctuel, linéaire ou surfacique) par voie électromagnétique pilotée par calculateur  meilleur distribution des fortes densités d’énergie. Mise en jeux des puissances élevées (plusieurs centaines de kW), ce qui autorise le traitement de larges surfaces en un seul balayage La nécessité d’opérer sous vide (< 0,1 Pa) peut exiger des surfaces particulièrement propres, mais, en contrepartie, la qualité des surfaces traitées permet d’éviter des opérations de finition ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Par torche plasma Les torches à plasma à arc transféré (PTA) permettent des durcissements de surface de pièces sans atteindre la fusion car il est possible de moduler la densité de puissance distribuée par la colonne plasma en jouant sur la distance frontale de la pièce La pièce à traiter est portée à un potentiel positif par rapport à la cathode de la torche : le jet de plasma est alors entièrement parcouru par le courant torche-pièce constituant ainsi une résistance de transfert faible et modulable de l’énergie électrique La très forte densité d’énergie de la colonne plasma autorise, en fonction des paramètres courant et tension, de contrôler la profondeur traitée entre 0,5 et 10 mm Pour les chauffages relativement plus profonds et grossiers  des torches plasma à arc soufflé où le jet de plasma sortant de la tuyère lèche directement la pièce (réglage de la distance frontale plus critique) Le faible coût des torches PTA et les larges facilités d’automatisation et de robotisation de leur déplacement  intéressant pour des moyennes séries de pièces exigeant moins de précision de traitement que celles intéressées par le laser ou le faisceau d’électrons ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

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Les traitements de surface des aciers : traitements thermochimiques
Les traitements thermochimiques Consistent à modifier la microstructure de la peau de la pièce en réalisant un gradient de composition chimique Bien souvent, ce gradient de composition s’effectue par diffusion d’un métalloïde (C, N, ou les deux) Les profondeurs atteintes ~ 1 ou 2 mm. Les traitements les plus connus sont des traitements de cémentation (consiste à faire pénétrer superficiellement du carbone ou de l’azote (ou les 2) dans un acier afin de le transformer en surface en un acier fortement carburé susceptible d'être trempé : Carburation (diffusion du carbone) Nitruration (diffusion de l’azote) Carbonitruration (diffusion des deux) ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

La carburation Consiste à enrichir en carbone la peau de la pièce Permet d’obtenir des surfaces dures et résistantes à l’usure à partir d’aciers à faibles teneurs en carbone (0,1 et 0,3% de C). L’opération de carburation s’effectue dans le domaine austénitique (900°C). La profondeur du traitement va dépendre du temps et de la température Généralement à la suite de la carburation une trempe et un revenu est réalisé afin de maximiser la dureté de la peau Relation entre la profondeur totale de cémentation et la durée totale de l’opération à température constante après cémentation en caisse Différents milieux de carburation sont possibles : La cémentation en caisse Les bains de cyanures fondus Les mélanges gazeux ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

La carburation La cémentation en caisse : la pièce est placée dans un mélange de charbon et de fer. Cette technique est de moins en moins utilisée pour des raisons de coût et d’environnement Les bains de cyanures fondus : le milieu liquide est un bain de sels en fusion riche en produits carburants dans lequel on immerge les pièces. Ce procédé fortement développé jusqu’aux années 70 a beaucoup décru depuis la dernière décennie. Les raisons essentielles sont liées à l’environnement et aux conditions de travail et principalement à la nature cyanurée de ces bains. Des formulations sans cyanure ont été développées pour s’affranchir de cet aspect mais l’efficacité relative de ces formules et les contraintes des bains de sels même exempts de cyanures n’ont pas permis de maintenir la place de cette technique par rapport aux procédés gazeux. Les mélanges gazeux : le traitement est réalisé dans un four étanche dans lequel on maintient une atmosphère contrôlée constituée d’un gaz support auquel on ajoute si nécessaire, pour atteindre le potentiel carbone souhaité, un gaz d’enrichissement en carbone ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

La nitruration Solubilité de l’azote dans le fer α est de 0,4% à 590°C Sa mise en solution est réalisée entre 500 et 550°C Les agents de nitruration le plus couramment utilisé sont l’ammoniac sous forme gazeuse et les bains de cyanures fondus Avant de saturer le fer l’azote tend à former des nitrures finement dispersés. Pour minimiser la diffusion à cœur et la coalescence de ces nitrures, T basse est conseillée. La présence de ces nitrures a pour conséquence de limiter le durcissement du métal Les duretés superficielles obtenues après nitruration sont supérieures à celles obtenues par carburation. La zone traitée est de faible épaisseur : 0,2 mm pour un traitement de 10h à 525°C et 0,6 mm pour 60h à 525°C. Ces faibles épaisseurs sont liées à la température du traitement Comme la nitruration s’opère sur du fer sous la forme a et que le durcissement n’est dû qu’à la formation de nitrure aucun traitement thermique ultérieur n’est nécessaire ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

La carbonitruration Diffusion simultanément de carbone et d’azote en surface Traitement très proche de la carburation s’effectue sur du fer sous la forme g Les milieux de carbonitruration sont des bains de cyanures ou des mélanges gazeux Les propriétés de la couche traité sont intermédiaires aux propriétés des traitements de carburation et de nitruration ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Influence des éléments d’addition

Influence des éléments d’additions Malgré les différents traitements possibles sur les aciers, les propriétés physiques demeurent insuffisantes pour certaines utilisations Limites des propriétés physiques Résistance mécanique : limité à 700 MPa Trempabilité : très faible pour les aciers au C (trempe à cœur impossible si > 15 mm Tenue à chaud : propriétés mécanique s’effondre si T > 400°C Résistance à l’usure : variable suivant la structure de la matrice Résistance à la corrosion : bonne uniquement pour des aciers inoxydables  à introduire des éléments d’addition en faible quantité (Cr, Ni, Mn, Mo, V, W …) d’obtenir de nouveaux alliages aux propriétés améliorés ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Action générale des éléments d’additions L’action des éléments d’addition sur les caractéristiques des aciers dépend essentiellement des deux facteurs suivants : Type de modification apportée au domaine de stabilité de l’austénite. Élément augmentant le domaine de stabilité de l’austénite tel que l’alliage reste sous la forme CFC quelle que soit T. Un tel élément est dit gammagène ; la liste des éléments gammagènes est assez limitée puisqu’elle ne comporte que Ni, Mn et Cu Tendance des éléments à se substituer en partie aux atomes de fer de la cémentite ou à former des carbures. Éléments augmentant le domaine de stabilité de la cémentite tel que l’alliage reste CC à toutes T Un tel élément est dit alphagène. La liste des éléments alphagènes comprend presque tous les éléments d’alliage habituels tels que Si, Al, Cr, Mo, Ti, W ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Action spécifique des éléments d’additions L’influence des principaux éléments d’addition sur les caractéristiques des aciers est reporté dans le tableau ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Les aciers à outils ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

ne peuvent pas être définis au moyen de lois de comportement simples
Les aciers à outils Les aciers à outils Les aciers à outils sont utilisés, dans tous les problèmes de mise en forme des matériaux au sens le plus large : Usinage (tournage, perçage, fraisage...) Mise en forme à froid et à chaud (travail des métaux en feuilles sous presse par découpage et emboutissage, forgeage et matriçage à chaud, laminage à froid ou à chaud) Moulage (coulée par gravité ou sous pression d’alliages d’Al, de Cu, de Zn et de Mg, emballages verriers, industrie du caoutchouc, plasturgie) Filage et d’extrusion (aciers et alliages légers, plastiques, pâte de cellulose...). Les aciers à outils font partie intégrante du domaine des aciers spéciaux L’outil est sollicité au niveau de sa surface et doit supporter les contraintes les plus sévères.  ne peuvent pas être définis au moyen de lois de comportement simples nécessite une connaissance précise des conditions de sollicitations pour le choix ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Les aciers à outils Propriétés requises
Dureté : - pour résister aux déformations de la surface lors du travail - dureté conservée à haute température (T~600°C) Résistance à l’usure : résistance à l’effet de rayure et au microégrènement par arrachement de particules lors du frottement contre une autre surface Ténacité : résistance à des chocs fréquents Tenue à chaud : - bonne propriétés mécanique - bonne résistance au fluage - bonne résistance l’oxydation Résistance aux chocs thermiques Trempabilité : - propriétés homogène - résistance convenable à la surchauffe et au grossissement du grain  e  Caractéristiques atteintes en ajoutant un certain nombre d’éléments d’addition ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Les aciers à outils Éléments d’addition
Les éléments d’addition jouent des rôles similaires que dans les autres aciers Spécificités : Les teneurs plus élevés Les éléments dont l’affinité est très forte avec le C (Mo,V, W) jouent ici un rôle de premier plan en formant des carbures très stable  Ces carbures de grande dureté vont permettre d’améliorer la résistance à l’usure et au fluage Avec des additions massives de ces éléments les teneurs en C peuvent dépasser les 2%. ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Les aciers à outils Les traitements thermiques
L’addition « massive » des éléments d’addition rend difficile l’exécution de traitements thermiques sur les aciers à outils La T d’austénisation est très élevée (> 1000°C) mais il faut la contrôler avec précision en raison de la diminution du domaine d’austénisation  Chauffage par palier (faible vitesse de chauffe) Les risques de décarburation et de croissance des grains sont importants  maintient de la pièce à la T d’auténitisation juste le temps nécessaire (T soit homogène) La trempe comporte des risques de déformations et de tapures  Recours à une trempe douce ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Les aciers à outils Désignation et classification des aciers à outils
Les nuances d’aciers à outils sont classées, selon leur mode de travail, en quatre catégories : les aciers à outils non alliés pour travail à froid les aciers à outils alliés pour travail à froid les aciers à outils pour travail à chaud les aciers à coupe rapide Aciers à outils non alliés pour travail à froid Cette classe d’aciers comprend six nuances dont la teneur en C est comprise entre 0,45 et 1,20% en masse. Leur désignation comporte le symbole préfixe C, suivi d’un nombre exprimant la teneur moyenne en carbone, en centièmes pour cent, puis de la lettre U spécifique de la désignation d’aciers à outils (Ex : C45U) Aciers à outils alliés pour travail à froid caractérisés par : - des niveaux de dureté élevés à T ambiante (entre 56 et 63 HRc) - des teneurs en C élevées (> 0,6 % en masse) - des teneurs en éléments fortement carburigènes assez basses (maxi. qq %) Ex : X 210Cr12 (composition : 12 % Cr, 2,1 % C) ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Les aciers à outils Désignation et classification des aciers à outils
Aciers à outils pour travail à chaud caractérisés par : - des niveaux de dureté moyens à T ambiante (~ 44 à 55 HRc) - une résistance à l’adoucissement relativement forte - des teneurs en C ~ 0,3 et 0,6 %, + additions d’éléments carburigènes (chrome, molybdène, tungstène et vanadium) et, occasionnellement une addition de cobalt. Aciers à coupe rapide caractérisés par : - des niveaux de dureté élevés à la T ambiante (~ 60 et 70 HRc) - une résistance à l’adoucissement élevée - des teneurs C > ou = à 0,8 % - des additions importantes d’éléments carburigènes (tungstène, molybdène, vanadium) et à un degré moindre de chrome Désignation abrégée définie de la manière suivante : - débute par le symbole HS (high speed) - les trois (quatre) chiffres donnant les teneurs moyennes en W, Mo, V (et Co) dans cet ordre pour les aciers sans (avec) cobalt - lette C en fin de notation permet de distinguer la variante à teneur en C élevée Exemples : HS (18 % W, 0 % Mo, 1 % V) HS (6 % W, 5 % Mo, 2 % V, 5 % Co) ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

classification générale des aciers à outils
Les aciers à outils Désignation et classification des aciers à outils En résumé : classification générale des aciers à outils ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Les aciers inoxydables

Les aciers inoxydables constituent une vaste famille d’alliages métalliques qui ont tous en commun de contenir du fer et du chrome Suivant leur teneur en chrome dont le seuil minimal est de 10,5 % et les traitements métallurgiques qu’ils ont subis, ils présentent un large éventail de propriétés Constitution des aciers inoxydables Addition de chrome  d’obtenir d’excellente aptitude à résistance à la corrosion Chrome  alphagène transformation a  g qui se produit au chauffage dépend des teneurs en Cr et en C 5 familles d’aciers inoxydables : - Aciers inoxydables martensitiques - Aciers inoxydables ferritiques - Aciers inoxydables austénitiques - Aciers inoxydables austénoferritiques - Aciers inoxydables à durcissement par précipité ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Constitution des aciers inoxydables Pour déterminer la structure des aciers inoxydables  utiliser le diagramme de Schaeffler En ordonnée « l’équivalent nickel »  à l’action combinée et pondérée des éléments gammagènes En abscisse « l’équivalent chrome »  à l’action des éléments alphagènes. ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Les aciers inoxydables : aciers inox. martensitiques
Aciers inoxydables martensitiques Structure et classification Teneur maximale en C est limitée à 1,2% Teneur en chrome est comprise entre 11,5 et 18% Jusqu’à 6% de nickel Jusqu’à 1,5% de molybdène. Après trempe  structure entièrement martensitique  limite d’élasticité , résistance à la rupture  dureté   Suivant leur composition chimique, ils sont divisés en 4 groupes ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Structure et classification Nuances du groupe 1 : Les moins chargées en carbone Teneur en chrome limitée à 13,5 %  la trempe possible Aptitudes au soudage Nuances du groupe 3 : Duretés les plus  mais ductilité Plus difficiles à élaborer Traitement thermique  procédures strictement respectées  tapures Nuances du groupe 2 : -  des teneurs en chrome et en carbone. -  de la résistance à la corrosion (effet « Cr ») et de la dureté (effet « C ») - Pas soudables mais peuvent être brasées Nuances du groupe 4 :  teneur en nickel et  teneur en carbone  bonne ductilité  teneur en molybdène   résistance à la corrosion par piqûres ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Propriétés physiques et caractéristiques mécaniques – Traitement thermique Pratiquement toujours utilisés à l’état trempé et revenu Jusqu’à 300°C : - traitement de revenu modifie peu Rm et Rp0,2 - légère  de l’allongement et de la résilience  A partir de 550°C, un traitement pratiqué : -  Rm et Rp 0,2 -  allongement (A) et ténacité (résilience) T entre 350 et 550°C doivent être évitées la précipitation de carbures fins   de la ténacité et  de la dureté ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Propriétés physiques et caractéristiques mécaniques Les aciers inoxydables martensitiques  propriétés physiques relativement homogènes Famille la moins résistante à la corrosion ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Les aciers inoxydables : aciers inox. ferritiques
Aciers inoxydables ferritiques Structure et classification Structure reste ferritique dans tout l’intervalle de température  ne subissent pas de transformation Les nuances industrielles les plus utilisées peuvent être divisées en trois groupes : Les plus utilisés des ferritiques Les aciers réfractaires ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Aciers inoxydables ferritiques à 11 % de chrome (groupe 1) Les nuances les plus courantes du groupe 1 ont : Teneur en chrome de l’ordre de 11 à 12% Teneur en carbone (< 0,03% et typiquement ~ 0,015%) La plus importante (quantités produites) est la nuance X2CrTi12  Utilisée dans les lignes d’échappement des automobiles  Excellentes performances à la mise en œuvre (formage, emboutissage, cintrage et soudage)  Résistance à la corrosion suffisante pour l’application considérée La seconde nuance X2CrNi12 - Après traitement thermique à T~800°C  Limite d’élasticité > 320 MPa  Allongement à rupture ~30%  Structure : ferrite et carbures dispersés homogènement - Alliage soudé  Absence de stabilisant  transformation martensitique (> 90%)  La martensite à bas C  excellente ténacité et une dureté modérée  Application principale  structures soudées de haute fiabilité. ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Aciers inoxydables ferritiques à 17 % de chrome (groupe 2) Les nuances du groupe 2 comprennent La nuance de référence X6Cr17 (16,5% Cr et 0,05% C) Ces dérivées obtenues par abaissement de la teneur en interstitiels (C+N)  Introduction 1 ou 2 stabilisants (Ti) + ajout de Mo  permet de fixer N et C sous la forme de nitrures (TiN) et de carbures (TiC) ou de carbonitrures  la stabilisation doit rendre l’acier insensible à la corrosion intergranulaire ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Aciers inoxydables superferritiques (groupe 3) La nuance caractéristique de ce groupe : X2CrMoTi29-4 (29% Cr, 4% Mo) Basse teneur en C + stabilisation par Ti  bonne ténacité et résistance exceptionnelle Teneur en Cr    risque « fragilisation à 475°C » Ce phénomène se manifeste entre 400 et 550°C et se caractérise  de la dureté et  de la ténacité lors de maintien de longues durées (plusieurs centaines heures). Il s’agit d’un phénomène de durcissement secondaire dû à la formation de fins précipités a’ dans la matrice ferritique a ou d il est déconseillé d’utiliser des aciers inoxydables ferritiques pendant de longues périodes à des températures supérieures à 300°C. ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Propriétés physiques et caractéristiques mécaniques Utilisé après traitement thermique final de recuit entre 800 et 950°C Pas durcissables par un traitement thermique mais uniquement par écrouissage Courbe de traction présente ~ aciers doux (partie linéaire suivie partie curviligne) Les propriétés physiques des aciers inoxydables ferritiques sont : ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Les aciers inoxydables : aciers inox. austénitiques
Aciers inoxydables austénitiques Alliages : fer-chrome-nickel (molybdène) Représentent 80% du marché mondial - Structure cristallographique CFC  ductilité et ténacité exceptionnelles pour une large gamme de T - Excellente soudabilité opératoire et métallurgique  facilite la mise en oeuvre Nuance de base X5CrNi18-10 (18% Cr, 9,5% Ni et 0,05% C) - Couvre environ 80 % des applications des nuances austénitiques Suivant le type d’application visé  développe de nombreux alliages (éléments d’addition) Alliages fer-chrome-manganèse-nickel Ecrouissage plus rapidement que Fe-Cr-Ni  pas déformation plastique Les alliages Fe-Cr-Mn-Ni contenant plus de 16 % de chrome n’ont pas la même résistance à la corrosion que les nuances austénitiques au nickel ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Les aciers inoxydables : aciers inox. austénitiques
Aciers inoxydables austénitiques Aciers inoxydables superausténitiques Nuances destinées à résister à des milieux particulièrement agressifs Compositions chimiques adaptées à la résistance à la corrosion du milieux spécifiques Addition de molybdène à une teneur > 2,0 %  améliorer très nettement la résistance à la corrosion par piqûres dans les milieux chlorurés (environnements « marins ») et au contact des acides réducteurs Propriétés physiques et caractéristiques mécaniques Courbe d’un acier inoxydable austénitique - Aucune séparation entre le domaine d'élasticité et le domaine plastique Les propriétés physiques des aciers inoxydables austénitiques ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Les aciers inoxydables : aciers inox. austénoferritiques
Aciers inoxydables austénoferritiques Aciers inoxydables superausténitiques Alliage représentatif X2CrNiMoN : meilleurs compromis entre Bonne résistance aux corrosions intergranulaires, sous contrainte et par piqûres et Limite d’élasticité élevée (x2 celles des aciers inoxydables austénitiques) Nuance X2CrNiN23-4 relativement bon marché Caractéristiques mécaniques élevées et bonne soudabilité  Excellent matériau de structure Autres nuances  résistance à la corrosion  Propriétés physiques et caractéristiques mécaniques ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Les aciers inoxydables : aciers inox. à durcissement par précipitation
Aciers inoxydables à durcissement par précipitation Famille d’aciers inoxydables dont les caractéristiques mécaniques sont obtenues à l’issue d’un traitement de durcissement secondaire suivant un traitement thermique de trempe ou d’hypertrempe Il existe trois groupes d’aciers inoxydables à durcissement par précipitation : - Aciers martensitiques à transformation directe - Aciers semi-austénitiques ou à transformation martensitique indirecte - Aciers austénitiques à durcissement par durcissement secondaire Propriétés physiques et caractéristiques mécaniques ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

Les aciers inoxydables : critères de choix
Le choix d’un acier inoxydable est basé sur une série de critères : - Résistance à la corrosion  durée de vie Caractéristiques mécaniques (résistance mécanique, ductilité, ténacité) Gamme de T  Matériau de choix dans les applications « alimentaires » et « médicales »  Acier inoxydable est 100 % recyclable Exigences: *** élevées ** élevées * moyennes ISITV Matériaux 2ième année Métallurgie descriptive contact :

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