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M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux 1 1- Diagrammes d'équilibre

M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux 1 1- Diagrammes d'équilibre: Notions et généralités 2- Diagrammes d'équilibre: Microstructure 3- Diagrammes d'équilibre: Alliages fer-carbone 4- Transformations isothermes et anisothermes 5-Traitements thermiques, thermo-mécaniques et chimiques des alliages 6- Diffusion et durcissement structurale des alliages 7- Corrosion: Mécanismes et préventions 8- Rupture: Notions et généralités M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux Diagrammes TTT (1/2) Transformations isothermes 2 Lamine HATTALI IUT Cachan – 1ère année Sciences des Matériaux lamine.hattali@u-psud.fr M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux 3 Pour étudier les développements de la transformation γ→α dans des conditions hors équilibre, on peut, calquant la pratique industrielle, procéder à des refroidissements plus ou moins rapides ou plus ou moins lents au cours desquels on détermine les changements structuraux qui se produisent jusqu’au retour à la température ambiante. On effectue ainsi une étude dite en « refroidissement continu ». L’expérience a montré que les résultats obtenus peuvent parfois être très complexes et difficiles à analyser. Pour mieux décomposer les phénomènes et distinguer plus aisément les effets du temps d’une part et ceux de la température d’autre part, on procède, au préalable, à une analyse du déroulement des transformations au cours de maintiens isothermes à des températures inférieures à la limite du domaine de stabilité de l’austénite. On réalise ainsi l’étude dite en « conditions isothermes ». Introduction M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux 4 Introduction Transformation TTT Austénitisation Transf. avec diffusion Transf. sans diffusion Paramètres Exemple – Applications Ce qu’il faut retenir Transformations isothermes L’emploi de traitements isothermes permet d’étudier séparément l’influence des facteurs temps et température sur les transformation de l’austénite. Un échantillon: de faibles dimensions austénitisé (θa, ta) refroidi très rapidement à la température θi maintenu à la température θi Des techniques expérimentales (micrographie, analyse, dilatométrique, analyse thermique, analyse magnétique permettent la mesure pour chaque température θi: de la nature des constituants de la microstructure des fractions volumiques M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux 5 Bain de sel I pour le traitement thermique d’austénitisation et le bain de sel II pour le maintien isotherme M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux 6 Diagramme de transformation en condition isotherme Courbe TTT C55 Notations IRSID : • A : austénite • F : Ferrite • C : carbures formés lors de la transformation de A • c : carbures non dissous • M : Martensite • Ms: Martensite start • P : Perlite • B : Bainite • La transformation γ→α débute (I) • Le type de constituant formé change (II) • 50% austénite sont transformés (III) • La formation d’un constituant cesse (IV) • La transformation γ→α s’achève Acier austénitisé à 825°C pendant 15 min Introduction Transformation TTT Austénitisation Transf. avec diffusion Transf. sans diffusion Paramètres Exemple – Applications Ce qu’il faut retenir M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux 7 Remarques importantes Le diagramme TTT est valable non seulement pour un alliage déterminé, mais aussi pour une température d’homogénéisation donnée, et pour un temps de maintien fixé. la grosseur du grain austénitique G quand θa et ta  Chaque température de transformation étudié doit être atteinte le plus rapidement possible; ceci implique l’emploi de bains de sel ou de métaux fondus et limite aussi la dimension des pièces Les diagrammes TTT ne doivent être lus que selon des isothermes, ils ne sont pas utilisables pour déterminer les transformations au cours d’un refroidissement. Pour beaucoup d’alliages, il existe plusieurs types de transformation les unes se produisent à haute température, les autres ayant lieu à basse température. Introduction Transformation TTT Austénitisation Transf. avec diffusion Transf. sans diffusion Paramètres Exemple – Applications Ce qu’il faut retenir M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux 8 Transformation avec diffusion M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux 9 Transformation avec diffusion Pour une température de maintien θi telle que MS < θi < AC1 (AC1 température de transformation eutectoïde) A → F + C Les transformations isothermes de A conduisent à la formation d’agrégats Ferrite + Carbure. Il existe un temps d’incubation (temps avant que la transformation avec diffusion ne commence) suivi d’un temps d’évolution. Introduction Transformation TTT Austénitisation Transf. avec diffusion Transf. sans diffusion Paramètres Exemple – Applications Ce qu’il faut retenir M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux 10 Transformation perlitique Pour les températures de maintien élevées (mais toujours avec θi < AC1) il se produit une transformation perlitique : Agrégat F + C = Perlite lamellaire La phase nucléante est le carbure. Si θi , l’espace interlamellaire diminue dureté plus élevée. Structure perlitique fine Introduction Transformation TTT Austénitisation Transf. avec diffusion Transf. perlitique Transf. bainitique Résumé Transf. sans diffusion Paramètres Exemple – Applications Ce qu’il faut retenir M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux 11 Transformation bainitique Lorsque la température de maintien diminue (mais toujours avec MS < θi) la phase nucléante devient la ferrite, il se produit une transformation bainitique : Agrégat F + C = Bainite supérieure ou inférieure Bainite supérieure Bainite inférieure Introduction Transformation TTT Austénitisation Transf. avec diffusion Transf. perlitique Transf. bainitique Résumé Transf. sans diffusion Paramètres Exemple – Applications Ce qu’il faut retenir M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux 12 Résumé des transformations avec diffusion Pour θi > MS, il existe 3 types de transformations isothermes qui donnent 3 types d’agrégats F + C de microstructures différentes. Ces transformations peuvent se recouvrir. On peut les classer approximativement en fonction de θi : de 700°C à 600C : A →P, de 600°C à 400C : A →B supérieure, de 550°C à MS : A →B inférieure. Introduction Transformation TTT Austénitisation Transf. avec diffusion Transf. perlitique Transf. bainitique Résumé Transf. sans diffusion Paramètres Exemple – Applications Ce qu’il faut retenir M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux 13 Transformation sans diffusion M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux 14 Trempe martensitique Si θi < MS, la transformation devient sans diffusion et est quasi- instantannée : A → M Effectuer la trempe d’un acier correspond à cette transformation de l’austénite en martensite. Pour MF < θi < MS, la transformation martensitique est incomplète, il reste de l’austénite résiduelle qui peut se transformer en agrégats F + C. Structure martensitique Introduction Transformation TTT Austénitisation Transf. avec diffusion Transf. sans diffusion Trempe Austénite résiduelle Paramètres Exemple – Applications Ce qu’il faut retenir M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux 15 Trempe martensitique La fraction massique de A transformée en M est donnée par la relation empirique : y = 1 − exp[−k(MS − θi)n] Pour un acier hypoeutectoïde faiblement allié : y = 1 − exp[−0, 011(MS − θi)] MS : température de transf. martensitique commençante MF : température de transf. martensitique finissante (S : starting, F : finishing). Attention au vocabulaire : une transformation martensitique est instantanée ! Introduction Transformation TTT Austénitisation Transf. avec diffusion Transf. sans diffusion Trempe Austénite résiduelle Paramètres Exemple – Applications Ce qu’il faut retenir M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux 16 Paramètres influençant les transformations de l’austénite M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux 17 Composition : Les éléments alliés (sauf Co et Al) en solution solide dans l’austénite abaissent MS. Relation empirique d’Andrews : pour %C < 0, 6% MS(%C) = 539 − 423%C − 30, 4%Mn − 17, 7%Ni − 12, 1%Cr − 11%Si − 7%Mo Conditions d’austénitisation : si la taille de grain G , le temps d’incubation t0 , la taille de grain G n’a pas d’influence sur MS Introduction Transformation TTT Austénitisation Transf. avec diffusion Transf. sans diffusion Paramètres Exemple – Applications Ce qu’il faut retenir M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux 18 Exemples - Applications M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux 19 Diagramme 42 Cr 4 Sont indiquées sur le diagramme : la composition chimique, les conditions d’austénitisation (θa, ta), la grosseur du grain obtenu. On voit : Nez perlitique (625°C), temps de maintien : 50 s, Nez bainitique (425°C), temps de maintien : 7 s, Il existe un domaine A + F, ferrite properlitique. (La ferrite se forme lors d’une transformation isotherme) MS = 310°C Introduction Transformation TTT Austénitisation Transf. avec diffusion Transf. sans diffusion Paramètres Exemple – Applications Ce qu’il faut retenir M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux 20 Pour θi = 600°C : temps d’incubation t0 = 20s (ferrite) puis apparition de perlite pour t = 50s transformation de A terminée après 15min à t→ ∞ composition : ferrite + perlite, dureté : 30 HRC. Ligne pointillée : 50% de A est transformée. Diagramme 42 Cr 4 Introduction Transformation TTT Austénitisation Transf. avec diffusion Transf. sans diffusion Paramètres Exemple – Applications Ce qu’il faut retenir M2104 – Mise en œuvre et comportement des matériaux 21 . Les câbles téléphériques Structure perlitique épaisse (microstructures eutectoïdes lamellaires) Structure perlitique fine (la microstructures qui se développe devient plus fines, ce qui a pour effet d’augmenter de manière uploads/s3/ lah-amphi-4-transformations-isothermes-et-anisothermes.pdf