Généralités sur les aciers

L’acier est un alliage de fer et de carbone plus d’autres éléments normaux. Les aciers contiennent une teneur en carbone inférieure ou égale à 2%. Cette teneur représente la limite de solubilité du carbone, à une température de 1149°C, dans le fer gamma (γ) de structure cubique à faces centrées (CFC). Un acier sans éléments d’addition est appelé acier courant [1,2]. Ces aciers présentent généralement de faibles propriétés mécaniques. Le développement de ces propriétés se fait par des traitements thermiques, des traitements thermochimiques, l’ajout des éléments chimiques ou autres [3-6]. L’une des méthodes la plus utilisée pour l’amélioration des propriétés de service des pièces est l’ajout des éléments d’alliage [7,8]. On appelle acier allié, un acier contenant en plus du fer et du carbone, un ou plusieurs éléments d’addition en proportions suffisantes pour modifier sensiblement au moins une des propriétés de l’acier courant contenant la même teneur de carbone. On distingue des aciers faiblement alliés et des aciers fortement alliés. Dans les aciers faiblement alliés, la teneur d’aucun élément d’alliage ne dépasse 5%. Par contre, dans un acier fortement allié, la teneur d’au moins d’un élément d’addition est supérieure à 5%. L’amélioration des propriétés des aciers exige des connaissances détaillées du domaine d’emploi du matériau. Un environnement dominé par l’usure nécessite l’utilisation des matériaux résistants à l’usure. Parmi ces matériaux, les aciers fortement alliés au manganèse peuvent être considérés. Ces derniers sont destinés à résister à l’usure par frottement, par abrasion et/ou aux chocs [9]. Ils sont les plus connus dans ce domaine depuis les années 1880 et les plus couramment utilisés.

Aciers au manganèse

L’acier austénitique au manganèse Fe-1.2%C-12%Mn a été découvert en 1882 par Monsieur Robert Hadfield [10,11]. Cette nuance a été la plus répondue dans le domaine de l’usure [12]. La composition chimique originale a été ensuite développée et varie de 1-1,4%C et de 10- 14%Mn [13,14], . Au-delà de cette teneur en manganèse et pour un faible pourcentage de carbone (< 0.6%C), d’autres types des aciers au manganèse sont notamment utilisés tels que les aciers TWIP (TWinning Induced Plasticity) dont la teneur maximale en manganèse est de 20% et les aciers TRIP (TRansformation Induced Plasticity) dont le pourcentage de manganèse dépasse les 25%. Pour un pourcentage de manganèse variant entre 20% et 25%, les deux types d’aciers, TRIP et TWIP, peuvent coexister [15,21]. Recherche bibliographique 6 Les aciers austénitiques au manganèse sont recommandés pour diverses industries, à savoir, les cimenteries avec les opérations d’extraction, de concassage, de broyage et de calibrage, les mines, les carrières et l’industrie de recyclage. Ils sont aussi utilisés pour les fonds de benne grâce à leurs qualités de résistance aux impacts violents, dans les bétonnières portées, dans les tambours de mélangeurs etc. [22,24]. D’autres applications incluent les marteaux à fragmentation et les grilles pour le recyclage automobile et les applications militaires tels que les patins de la voie du réservoir. Une autre utilisation importante concerne les voies ferrées au niveau des aiguillages (figure I.1) où les impacts de roues aux intersections sont particulièrement sévères. Vu la résistance à l’usure métal-métal des aciers austénitiques au manganèse, ils sont utilisé dans les pignons, engrenages, roues, chaînes de convoyage et les plaques d’usure [25,28]. Les propriétés d’utilisation de ces aciers sont fortement liées à leurs compositions chimiques et d’autres paramètres.

Composition chimique

De nombreuses nuances de l’acier austénitique au manganèse de base ont été proposées, mais seulement quelques-unes ont été adoptées comme améliorations significatives de la microstructure et des caractéristiques mécaniques. Celles-ci impliquent généralement des variations de la teneur en carbone ou en manganèse ou les deux ensembles, avec ou sans autres éléments d’addition tels que le chrome, le nickel, le molybdène, le vanadium et le titane etc. Les compositions chimiques citées dans le standard ASTM A 128 sont indiquées dans le tableau I.1 [29] L’étude microstructurale des aciers austénitiques au manganèse nécessite une compréhension approfondie de l’influence des éléments composants. Le carbone est un élément gammagène, c’est-à-dire, il stabilise la phase austénitique γ jusqu’aux basses températures [30]. Dans les aciers au manganèse, la teneur en carbone varie entre 0.7%-1.4%. En proportion élevée, le carbone ne peut pas être totalement retenu en solution solide. Une partie se trouve en insertion dans la phase gamma (γ) et une autre partie forme des carbures de type M3C ((Fe,Mn)3C) [14]. Le pourcentage du carbone influe principalement sur la grosseur de la cémentite formée. Plus la teneur en carbone dans l’acier est élevée, plus la cémentite devient grosse. La figure I.2 confirme cette constatation [31]. Cette dernière représente deux types d’acier hypereutectoïdes avec deux teneurs en carbone différentes (1.15% et 1.61%). La figure montre que la cémentite formée dans la microstructure de l’acier contenant 1.61%C est plus épaisse que celle formée dans la microstructure de l’acier à 1.15%C.

Solidification

Les aciers austénitiques au manganèse sont élaborés dans des fours électriques à arc avec des températures supérieures à 1500°C. Ces aciers sont ensuite coulés à des températures de l’ordre de 1470°C. La diminution de la température de coulée contribue à la formation de la structure fine. Une vitesse de solidification accélérée empêche le grossissement des grains austénitiques et affine ainsi la structure de l’acier [34]. La solidification des aciers austénitiques au manganèse commence par la précipitation de l’austénite et se prolonge jusqu’à 800°C [32]. A 600°C, des carbures secondaires de type M3C apparaissent et croissent avec la diminution de la température de solidification [35]. La figure I.5 [32] illustre les étapes de solidification des aciers au manganèse en fonction de la température de refroidissement.