Comprendre la transformation par refroidissement de l'acier

 

I Méthodes de refroidissement

 

L'acier subit principalement deux types de méthodes de refroidissement : le refroidissement isotherme et le refroidissement continu.

 

Refroidissement isotherme

Dans cette méthode, l'acier est chauffé jusqu'à un état austénitique, puis refroidi rapidement à une température spécifique, où il est maintenu pendant une certaine période, ce qui permet à l'austénite de se transformer avant de refroidir à nouveau à température ambiante. Cette approche permet un contrôle précis de la température et du temps de transformation, ce qui donne lieu à des microstructures et des propriétés spécifiques.

 

▲ Refroidissement et température isothermes

 

Refroidissement continu

Dans cette méthode, l'acier, initialement dans un état austénitique, est refroidi en continu jusqu'à la température ambiante à différentes vitesses (par exemple, refroidissement par air, refroidissement par four, refroidissement par huile, refroidissement par eau, etc.). La vitesse de refroidissement dans cette méthode influence le processus de transformation de l'austénite et la microstructure finale.

 

▲ Refroidissement et température en continu

 

 

II Courbes de transformation isotherme de l'austénite surfondue

 

▲ Courbe de transformation isotherme de l'austénite surfondue de l'acier eutectoïde

 

La courbe C (également connue sous le nom de courbe de transformation isotherme de l'austénite surfondue ou courbe TTT) pour l'acier au carbone eutectoïde illustre la relation entre la température de transformation, le temps et les produits de transformation lorsque l'acier est dans un état austénitique surfondu.

 

Division des régions de la courbe C

Zone d'austénite surfondue :Située à gauche de la ligne de début de transformation sur la courbe en C, cette zone représente la zone où l'austénite surfondue ne s'est pas encore transformée.

 

Zone Produits Transformation :Située à droite de la ligne de fin de transformation et au-dessus du point Ms, cette zone indique l'endroit où l'austénite surfondue s'est transformée en ses produits.

 

Zone de progression de la transformation :Cette zone se situe entre les lignes de début et de fin de transformation, indiquant le processus de transformation en cours de l'austénite surfondue.

 

Lignes de la courbe C et leur signification physique

Ligne de départ de la transformation :Une courbe reliant les points où l'austénite surfondue commence à se transformer, montrant le temps nécessaire à l'austénite pour commencer à se transformer à différentes températures.

 

Fin de la transformation :Indique le temps nécessaire à l'austénite pour terminer sa transformation à différentes températures.

Ms Line : Une ligne horizontale indiquant la température de départ de la transformation martensitique, marquant le point où l'austénite commence à se transformer en martensite.

 

Ligne Mf (parfois appelée point Mf) :Une ligne horizontale représentant la température de fin de transformation martensitique, où l'austénite se transforme complètement en martensite.

 

Importance du nez de la courbe en C

À environ 550 degrés, la courbe en C de l'acier au carbone eutectoïde présente une courbure appelée nez de courbe. La température correspondante est appelée température du nez, où la vitesse de transformation de l'austénite est la plus rapide. Au-dessus de ce nez, l'austénite subit principalement une transformation perlitique ; en dessous de ce nez, une transformation bainitique se produit ; et en dessous du point Ms, une transformation martensitique a lieu.

 

Principaux facteurs influençant la forme et la position de la courbe en C

Composition chimique de l'acier :La teneur en carbone et les éléments d'alliage affectent la stabilité et le processus de transformation de l'austénite. En général, une augmentation de la teneur en carbone déplace la courbe en C vers la droite, tandis que les éléments d'alliage (à l'exception du Co et de l'Al) augmentent la stabilité de l'austénite et modifient la forme de la courbe en C.

 

Microstructure de l'austénite :Les grains austénitiques plus fins fournissent plus de joints de grains par unité de surface, facilitant la nucléation et la croissance des produits de transformation, impactant ainsi la position et la forme de la courbe en C.

 

Température d'austénitisation et temps de maintien :Des températures d'austénitisation plus élevées et des temps de maintien plus longs conduisent à des grains austénitiques plus grossiers, décalant la courbe C plus vers la droite.

 

 

III Courbe de transformation par refroidissement continu de l'austénite surfondue

 

▲ Courbe de transformation par refroidissement continu de l'austénite surfondue

 

▲ Les paramètres correspondant à chaque lettre

 

La courbe de transformation par refroidissement continu (courbe CCT) est un outil important utilisé pour décrire le processus de transformation de phase de l'austénite surfondue dans des conditions de refroidissement continu. Elle reflète les schémas de transformation de l'austénite surfondue à différentes vitesses de refroidissement et sert de base à l'analyse de la microstructure et des performances des produits de transformation. C'est également une référence essentielle pour la formulation de procédés de traitement thermique.

 

Définition et signification de la courbe CCT

La courbe CCT, ou courbe de transformation par refroidissement continu, enregistre les températures de début et de fin et les moments auxquels l'austénite surfondue se transforme en différentes phases (telles que la perlite, la bainite, la martensite, etc.) sous différentes vitesses de refroidissement. Cette courbe est importante pour comprendre le processus de transformation de phase de l'acier, optimiser les processus de traitement thermique et prédire les propriétés des composants en acier.

 

Méthode de détermination de la courbe CCT

La méthode de détermination de la courbe CCT comprend généralement les étapes suivantes :

 

Préparation des échantillons :Sélectionnez des échantillons d’acier représentatifs et soumettez-les à un traitement d’austénitisation pour garantir que tous les échantillons ont la même microstructure initiale avant la mesure.

 

Refroidissement continu :Refroidissez en continu les échantillons austénitisés à différentes vitesses constantes tout en enregistrant les données de température et de temps pendant le processus de refroidissement.

 

Analyse des produits de transformation :Pendant ou après refroidissement, déterminer le type et la quantité de produits de transformation par analyse métallographique ou autres méthodes.

 

Tracé de courbes :Tracez les données de température et de temps de début et de fin pour les transformations à différentes vitesses de refroidissement sur un graphique de coordonnées « logarithmiques température-temps » pour former la courbe CCT.

 

Caractéristiques de la courbe CCT

Régions de transformation :La courbe CCT comprend généralement des régions de transformation perlitique, de transformation bainitique (pour certains aciers) et de transformation martensitique. Ces régions correspondent aux processus de transformation de phase se produisant à différentes vitesses de refroidissement.

 

Taux de refroidissement critiques :Il existe deux vitesses de refroidissement critiques importantes dans la courbe CCT : la vitesse de refroidissement critique supérieure (Vk) et la vitesse de refroidissement critique inférieure (Vk'). La vitesse de refroidissement critique supérieure est la vitesse minimale requise pour garantir que l'austénite ne se décompose pas pendant le refroidissement continu et est entièrement surfondue dans la région de la martensite. La vitesse de refroidissement critique inférieure est la vitesse maximale qui garantit que l'austénite se décompose complètement sans subir de transformation martensitique pendant le refroidissement continu.

 

Complexité de la transformation :La transformation par refroidissement continu est plus complexe que la transformation isotherme. Étant donné que le processus de refroidissement continu traverse successivement différentes régions de température de transformation, plusieurs transformations peuvent se produire en séquence et des vitesses de refroidissement différentes peuvent conduire à des produits de transformation et des quantités relatives différents.

 

Applications de la courbe CCT

Formulation du processus de traitement thermique :La courbe CCT peut fournir des informations sur les produits de transformation et les changements de performance de l'acier à différentes vitesses de refroidissement, permettant la formulation de paramètres de traitement thermique raisonnables tels que la température de chauffage, le temps de maintien et la vitesse de refroidissement.

 

Prédiction des performances :La courbe CCT peut être utilisée pour prédire les propriétés des composants en acier dans des conditions de traitement thermique spécifiques, telles que la dureté, la résistance et la ténacité.

 

Sélection des matériaux :Lors de la sélection des matériaux, les courbes CCT de différents matériaux peuvent être comparées pour évaluer leurs performances de traitement thermique et leurs applications potentielles.

 

 

IV Types de transformation de refroidissement

 

▲ Différentes transformations en dessous de la température A

 

▲ Différentes transformations en dessous de la température A

 

Les transformations de refroidissement de l'acier comprennent principalement la transformation de la perlite, la transformation de la bainite et la transformation de la martensite.

 

Transformation de la perlite :Cette transformation par diffusion à haute température est réalisée par des processus de nucléation et de croissance. La morphologie de la perlite change avec la diminution de la température de formation ; l'espacement interlamellaire diminue et la résistance et la dureté augmentent tout en maintenant une bonne ductilité et une bonne ténacité.

 

Transformation de la bainite :La bainite se présente sous des températures moyennes et est une transformation semi-diffusion. La bainite existe sous diverses formes, comme la bainite supérieure et la bainite inférieure, et ses propriétés se situent entre celles de la perlite et de la martensite.

 

Transformation de la martensite :Cette transformation à basse température et sans diffusion produit une martensite caractérisée par une dureté et une résistance élevées, mais une ductilité et une ténacité plus faibles. La martensite peut être en forme de lattes ou de plaques, correspondant respectivement aux aciers à faible et à haute teneur en carbone.

 

 

V Relation entre la transformation par refroidissement continu et la transformation isotherme

 

▲ Comparaison de la courbe de transformation de refroidissement isotherme de l'acier eutectoïde et de la structure de transformation

 

Relation

La transformation par refroidissement continu et la transformation isotherme sont toutes deux des méthodes importantes de transformation de phase austénite dans le traitement thermique. Elles sont essentielles pour comprendre le comportement de transformation de phase des matériaux, formuler des processus de traitement thermique et prédire les propriétés des matériaux. Dans certains cas, le processus de transformation par refroidissement continu peut être analysé approximativement à l'aide du diagramme de transformation isotherme (courbe C) en raison de la difficulté relative à déterminer le diagramme de transformation par refroidissement continu.

 

Différences

Conditions de transformation :La transformation par refroidissement continu se produit dans des conditions de température en constante évolution, tandis que la transformation isotherme a lieu à une température constante spécifique.

 

Processus de transformation :Lors du refroidissement continu, l'austénite surfondue achève sa transformation de phase dans une plage de température donnée, ce qui peut entraîner une transformation inégale. La microstructure initialement transformée peut être plus grossière, tandis que la microstructure transformée ultérieurement peut être plus fine, ce qui conduit souvent à un mélange de différentes microstructures. La transformation isotherme, en revanche, se produit dans des conditions de température constante, ce qui conduit à une transformation de phase relativement uniforme.

 

Produits de transformation :En raison des conditions de transformation différentes, les types et les proportions de produits de transformation obtenus à partir des deux méthodes peuvent varier. Par exemple, dans l'acier eutectoïde, le refroidissement continu peut n'entraîner qu'une transformation perlitique sans bainite, tandis que les conditions de transformation isothermes peuvent produire une plus grande variété de produits de transformation de phase.

 

Applications et sélection

Dans la pratique, le choix entre la transformation par refroidissement continu et la transformation isotherme dépend de la composition chimique du matériau spécifique, de sa microstructure, des effets de traitement thermique souhaités et des exigences de performance. La transformation par refroidissement continu est généralement utilisée dans la production à grande échelle et le traitement continu en raison de sa simplicité et de son coût inférieur. En revanche, la transformation isotherme est plus adaptée aux scénarios nécessitant un contrôle précis du processus de transformation de phase et des types de produits, comme dans la préparation de matériaux haut de gamme et la production de pièces avec des exigences de performance particulières.

 

 

VI. Facteurs influençant la transformation du refroidissement

 

Composition de l'austénite

La teneur en carbone et les éléments d'alliage affectent la stabilité et le processus de transformation de l'austénite. Par exemple, l'augmentation de la teneur en carbone déplace la courbe C vers la droite, et les éléments d'alliage (à l'exception du Co et de l'Al) dissous dans l'austénite améliorent sa stabilité et modifient la forme de la courbe C.

 

Microstructure de l'austénite

Des grains d'austénite plus fins, avec plus de joints de grains par unité de surface, facilitent la nucléation et la croissance des produits de transformation.

 

Contrainte et déformation plastique

L'austénite surfondue soumise à une contrainte de traction accélère la transformation, alors que la contrainte de compression a l'effet inverse. La déformation plastique accélère également la transformation de l'austénite.

 

 

VII. Applications de la transformation du refroidissement

 

La compréhension de la transformation par refroidissement de l'acier est essentielle pour formuler des procédés de traitement thermique. En contrôlant la méthode et la vitesse de refroidissement, il est possible de produire de l'acier avec différentes microstructures et propriétés pour répondre à diverses exigences. Par exemple, le processus de trempe refroidit rapidement l'acier pour former une structure martensitique, augmentant ainsi la dureté et la résistance ; le processus de revenu implique le chauffage et le maintien après la trempe pour soulager les contraintes internes et améliorer la ténacité.

 

La transformation par refroidissement de l'acier est un aspect critique du processus de traitement thermique, influencé par de nombreux facteurs complexes. Dans les applications pratiques, il est nécessaire de sélectionner la méthode et la vitesse de refroidissement appropriées en fonction des conditions spécifiques pour obtenir la microstructure et les propriétés souhaitées.