nouvelles de l'entreprise Explication complète des structures métallographiques courantes utilisées dans la production industrielle d'acier

Un, Structure de solution solide de base

1. Austénite (A [Feγ (C)])

L'austénite est une solution solide formée par la dissolution du carbone et des éléments d'alliage dans le γ-Fe. Dans le système des aciers alliés, c'est une structure stable dans laquelle le carbone et divers éléments d'alliage sont dissous ensemble dans le γ-Fe. Sa caractéristique notable est son excellente plasticité, mais sa dureté et sa limite d'élasticité sont relativement faibles, avec des valeurs de dureté Brinell typiquement comprises entre 170 et 220HB. C'est la microstructure avec le plus petit volume spécifique parmi les aciers. Dans des conditions de température élevée, l'austénite a une forte capacité à dissoudre le carbone. À 1147°C, la quantité de carbone dissous peut atteindre 2,11 %, et lorsque la température descend à 727°C, la quantité de carbone dissous diminue à 0,77 %. Au microscope métallographique, l'austénite présente une forme polygonale régulière due au maintien de la structure cristalline cubique à faces centrées du γ-Fe. Cette microstructure confère à l'acier d'excellentes propriétés de travail à froid. Lors des processus de travail à chaud tels que le forgeage et le laminage, la présence d'austénite facilite la déformation plastique de l'acier.

2. Ferrite (F [Feα (C)])

La ferrite est une solution solide formée par la dissolution du carbone et des éléments d'alliage dans le α-Fe. Ses performances sont similaires à celles du fer pur, avec une dureté relativement faible, d'environ 80 à 100HB, mais elle possède une excellente plasticité. Lorsque des éléments d'alliage sont dissous dans la ferrite, ils peuvent efficacement améliorer la résistance et la dureté de l'acier. À 727°C, la solubilité du carbone dans la ferrite n'est que de 0,022 %, et à température ambiante, elle est aussi faible que 0,008 %. La ferrite maintient la structure cristalline cubique centrée du α-Fe et présente des caractéristiques métallographiques polyédriques typiques des métaux purs dans les structures métallographiques. La présence de ferrite confère à l'acier une bonne ténacité et une bonne aptitude au formage à froid, et elle est souvent utilisée dans les composants structurels avec des exigences de plasticité élevées.

Deux, Composés et structures mixtes

1. Cémentite (Fe₃C)

La cémentite, un composé composé de fer et de carbone, est également connue sous le nom de carbure de fer. À température ambiante, la majorité du carbone dans les alliages fer-carbone existe sous forme de cémentite. Selon le diagramme d'équilibre fer-carbone, la cémentite peut être classée en trois types en fonction de son chemin de précipitation et de sa morphologie : la cémentite primaire cristallise et précipite à partir du liquide le long de la ligne CD, se présentant principalement sous une forme colonnaire ; la cémentite secondaire précipite le long de la ligne ES à partir des solutions solides γ et apparaît souvent sous une forme réticulaire blanche. La cémentite tertiaire précipite le long de la ligne PQ à partir de la solution solide α et est également principalement un réseau blanc. La cémentite a un faible magnétisme dans les environnements à basse température. Son magnétisme disparaît lorsque la température dépasse 217°C. Son point de fusion est d'environ 1600°C et sa teneur en carbone est de 6,67 %. La dureté de la cémentite est extrêmement élevée, dépassant largement 700HB, mais elle est extrêmement fragile et n'a presque aucune plasticité. Dans l'acier, la morphologie et la distribution de la cémentite ont un impact significatif sur la résistance, la dureté et la résistance à l'usure de l'acier. Par exemple, la cémentite granulaire peut améliorer la ténacité de l'acier tout en maintenant une certaine résistance.

2. Perlite (P)

La perlite est un mélange mécanique de ferrite et de cémentite, et c'est le produit de la transformation eutectoïde de l'acier au carbone avec une teneur en carbone de 0,77 %. Sa microstructure est une structure lamellaire avec de la ferrite et de la cémentite disposées en alternance. La taille de l'espacement des lamelles de perlite dépend du degré de sous-refroidissement pendant la décomposition de l'austénite. Plus le degré de sous-refroidissement est élevé, plus l'espacement des lamelles de perlite formées est petit. En fonction de la différence d'espacement des lamelles, elle peut être classée en perlite, sorbite et troostite, mais ce sont essentiellement toutes des structures de type perlite. La perlite à lamelles grossières est le produit de la décomposition de l'austénite dans la plage de températures élevées de 650-700°C, avec une dureté d'environ 190-230 HB. Les lamelles de Fe₃C peuvent être distinguées à l'aide d'un microscope métallographique général (grossissement inférieur à 500 fois). La sorbite est le produit de la décomposition de l'austénite dans la plage de températures de 600-650°C, avec une dureté d'environ 240-320HB. Elle nécessite un microscope à fort grossissement (grossissement 1000 fois) pour distinguer les lamelles de Fe₃C. La troostite est le produit de la décomposition de l'austénite à des températures élevées de 550-600°C, avec une dureté d'environ 330-400 HB. Les lamelles de Fe₃C ne peuvent être distinguées qu'au moyen d'un microscope électronique (grossissement 10 000 fois). Dans des conditions de traitement thermique spécifiques, telles que le recuit de sphéroïdisation ou la trempe à haute température, la cémentite peut être uniformément répartie sous forme granulaire sur la matrice de ferrite, formant de la perlite sphéroïdale, également appelée perlite granulaire. Cette microstructure peut améliorer efficacement l'usinabilité et la ténacité de l'acier.

3. Martensite (M)

La martensite est une solution solide sursaturée de carbone dans le α-Fe. Lorsque l'acier subit un traitement d'austénitisation à haute température et est refroidi à une vitesse extrêmement rapide en dessous du point de martensite, en raison de la structure instable du γ-Fe dans les environnements à basse température, il se transformera rapidement en α-Fe. Cependant, en raison de la vitesse de refroidissement extrêmement rapide, les atomes de carbone dans l'acier n'ont pas le temps de se diffuser, conservant ainsi la composition austénitique de la phase mère à haute température. Par conséquent, la martensite est le produit d'une transformation de phase non diffusive qui se produit lorsque l'acier est rapidement refroidi en dessous du point de martensite après l'austénitisation. La martensite est dans un état métastable. En raison de la sursaturation du carbone dans le α-Fe, le réseau cristallin cubique centré du α-Fe est déformé, formant un réseau cristallin carré centré. Cela confère à la martensite une dureté extrêmement élevée, d'environ 640 à 760HB, mais cela la rend également très fragile, avec une faible ténacité aux chocs, et la réduction de la section et l'allongement sont presque proches de zéro. En raison de la distorsion du réseau causée par le carbone sursaturé, le volume spécifique de la martensite est supérieur à celui de l'austénite. Lorsque la martensite se forme dans l'acier, elle génère une contrainte de transformation de phase relativement importante. Dans des conditions normales de processus de trempe, la martensite présente des structures blanches en forme d'aiguille à certains angles les unes par rapport aux autres dans la structure métallographique. Cependant, toutes les structures martensitiques ne sont pas dures et fragiles. Par exemple, les aciers à haute résistance faiblement alliés contenant des éléments d'alliage tels que le manganèse, le chrome, le nickel et le molybdène, après un traitement de trempe et de revenu, ont une microstructure de martensite à faible teneur en carbone revenue. Cette structure combine une résistance élevée avec une bonne ténacité et est largement utilisée dans la construction, la fabrication mécanique et d'autres domaines.

• Structure métallographique spéciale
  
  1. Bainite (B)

La bainite est un mélange de ferrite sursaturée et de cémentite formé par la transformation de phase de l'austénite sous-refroidie dans la plage de températures moyennes (environ 250-450°C). La bainite peut être classée en bainite supérieure et en bainite inférieure en fonction de la différence de sa température de formation. La bainite supérieure est une microstructure formée près de la température de formation de la perlite. Sa caractéristique est que les lamelles de α-Fe sont disposées en parallèle dans la même direction à l'intérieur des grains à partir des joints de grains, avec des particules de cémentite intercalées entre les lamelles. Dans la structure métallographique, elle apparaît en forme de plume et peut être symétrique ou asymétrique. La résistance de la bainite supérieure est inférieure à celle de la perlite à lamelles fines formée à la même température, et elle est plus fragile. La bainite inférieure est une structure formée vers 300°C et apparaît sous forme de structures noires en forme d'aiguille dans les structures métallographiques. La bainite supérieure et la bainite inférieure sont essentiellement des combinaisons de ferrite et de cémentite, mais elles diffèrent par leur morphologie et leur distribution de carbures. La résistance de la bainite inférieure est similaire à celle de la martensite revenue à la même température, et ses performances globales sont supérieures à celles de la bainite supérieure. Dans certains cas, elle est même meilleure que la martensite revenue. Pour certaines pièces qui nécessitent un bon ajustement de la résistance et de la ténacité, telles que les pièces d'arbre en acier à teneur moyenne en carbone, l'obtention d'une structure de bainite inférieure grâce à un traitement thermique approprié peut augmenter la durée de vie des pièces.

2. Organisation de Widmanstätten

La structure de Widmanstätten se produit généralement dans l'acier hypo-eutectoïde. Elle est formée en raison de la surchauffe de l'acier et de la formation d'austénite à gros grains. Dans des conditions de sous-refroidissement spécifiques, en plus de la précipitation de α-Fe massif aux limites des grains d'austénite d'origine, il y aura également du α-Fe en forme de plaque qui croît à partir des joints de grains vers l'intérieur des grains. Ces α-Fe en forme de flocons ont une certaine relation d'orientation cristalline avec l'austénite d'origine, se présentant dans les grains sous forme de flocons qui sont à un certain angle les uns par rapport aux autres ou parallèles les uns aux autres, ce qui est communément appelé la structure de Widmanstätten de l'acier hypo-eutectoïde. L'acier hypo-eutectoïde surchauffé est susceptible de développer une structure de Widmanstätten à une vitesse de refroidissement relativement rapide. Lorsque la structure de Widmanstätten est sévère, elle entraînera une diminution significative de la ténacité aux chocs et de la réduction de la section de l'acier, rendant l'acier fragile. Cependant, grâce à un traitement de recuit complet, la structure de Welmanstatten peut être éliminée et les propriétés de l'acier peuvent être restaurées. Dans le processus de production de l'acier, le contrôle de la température de chauffage et de la vitesse de refroidissement est la clé pour éviter la formation de la structure de Widmanstätten.

3. Tissu en bandes

La structure en bandes est une caractéristique de microstructure de l'acier de construction à faible teneur en carbone après le travail à chaud, se manifestant spécifiquement par une structure en bandes dans laquelle la ferrite et la perlite sont distribuées en couches parallèles à la direction de traitement. Cette microstructure entraînera une anisotropie des propriétés mécaniques de l'acier. Il existe des différences dans les performances de l'acier dans la direction parallèle et perpendiculaire à la direction des bandes, et cela réduira également la ténacité aux chocs et la réduction de la section de l'acier. Pendant le processus de laminage de l'acier, en contrôlant la température de laminage finale, la vitesse de refroidissement et le rapport de laminage raisonnable et d'autres paramètres de processus, la formation de la structure en bandes peut être réduite ou évitée.

4. Phase δ

La phase δ est une petite quantité de ferrite présente dans l'acier inoxydable au chrome-nickel, en particulier ceux contenant des éléments tels que le niobium et le titane. Dans l'acier inoxydable austénitique, la phase δ joue un rôle important. Elle peut empêcher efficacement la formation de fissures cristallines dans les soudures en acier inoxydable, réduire la tendance à la corrosion intergranulaire et à la corrosion sous contrainte, et en même temps améliorer la résistance de l'acier inoxydable. Cependant, lorsque la quantité de ferrite δ dépasse une certaine limite (par exemple, plus de 8 %), elle augmentera la tendance à la piqûre de l'acier inoxydable. De plus, dans des conditions de température élevée, la phase δ est susceptible de se transformer en phase σ, et cette transformation peut provoquer une fragilisation du métal. Lors de la conception de la composition de l'acier inoxydable et de la formulation du processus de traitement thermique, il est nécessaire de contrôler précisément la teneur en phase δ afin d'équilibrer ses effets bénéfiques et néfastes.

5. Phase σ

La phase - σ a été découverte en tant que phase d'alliage lors de l'étude du phénomène de fragilité des alliages Fe-Cr. À température ambiante, la phase σ est non magnétique et présente les caractéristiques d'être dure et fragile. Lorsque la phase σ existe dans l'alliage, en particulier lorsqu'elle est distribuée le long des joints de grains, elle réduira considérablement la plasticité et la ténacité de l'acier. La phase σ nécessite généralement un environnement à haute température de 550-900°C pendant une période relativement longue pour se former progressivement, et son processus de formation entraînera la détérioration des performances du matériau en cours d'utilisation. La formation de la phase σ est liée à de nombreux facteurs de l'acier, tels que sa composition (y compris la teneur en éléments comme le chrome et le nickel), la microstructure, la température de chauffage, le temps de maintien et la pré-déformation. Dans les aciers inoxydables à haute teneur en chrome et en nickel-chrome, plus la teneur en chrome est élevée, plus il est facile de former la phase σ. De plus, la ferrite δ dans l'acier austénitique est susceptible de se transformer en phase σ, et le processus de déformation à froid favorise également la formation de la phase σ, ce qui entraîne un déplacement vers le bas de la plage de températures à laquelle la phase σ se forme. Pendant la production et l'application de l'acier inoxydable, il est nécessaire de surveiller de près la formation de la phase σ et d'éviter ses effets néfastes sur les propriétés des matériaux grâce à un contrôle raisonnable du processus.