Les aciers faiblement alliés 

Les aciers de carbone 

Les métaux sont rarement utilisés à l’état pur. Ils le sont, sous forme d’alliages métalliques, s’étudient au moyen de diagrammes de phases. Bien que cet état soit rarement atteint dans les métaux réels, sa connaissance est fondamentale, car il correspond à un état de référence parfaitement défini et il représente l’état vers lequel le système a tendance à évoluer.

Le fer est un métal pur ferromagnétique, sa température de fusion est de 1536°C (J. Barralis & G.Maeder). Les aciers sont des alliages de fer et de carbone dont la teneur en carbone est de moins de 2.1 % . L’ensemble des alliages binaires fer-carbone présentent les phases suivantes :
• ferrite α : de structure cristallographique cubique centrée (CC), solution solide d’insertion de carbone dans le fer α ;
• ferrite δ : de structure cristallographique CC est une solution solide d’insertion de carbone dans le fer δ ;
• austénite γ : de structure cristallographique cubique face centré (CFC), solution solide d’insertion de carbone dans le fer γ ;
• cémentite ou carbure de fer Fe3C : sa composition correspond à une teneur de 6,67 % en masse de carbone. Ce carbure est un composé interstitiel à maille orthorhombique.

Le fer forme aussi des alliages avec un grand nombre d’éléments. La mise en solution solide d’éléments d’alliage dans le fer modifie la position des températures de début de transformation de ferrite en austénite et les températures de fin de transformation de ferrite en austénite). On appelle un élément gammagène, tout élément qui stabilise la phase CFC. Le carbone est un élément fortement gammagène et à l’origine de la formation des carbures.

La méthode la plus utilisée pour déterminer les températures des changements de phase, en particulier le passage de l’état liquide à l’état solide, est l’étude des courbes de refroidissement. L’analyse thermique simple est réalisée en mesurant en continu la température du métal en cours de refroidissement par des thermocouples. L’apparition d’une nouvelle phase se traduit par un dégagement de chaleur qui correspond à une anomalie sur la courbe T=f(t). Une réaction isotherme, à savoir la transformation allotropique, la transformation de phase (e.g. eutectoide gamma=fettrite+cementite) se traduit par la présence d’un palier. La durée du palier est, donc, en première approximation proportionnelle à la fraction de phase transformée .

Transformation bainitique 

Lors du traitement thermique, la phase bainitique apparaît au cours du refroidissement. Elle se produit à des vitesses de refroidissement légèrement plus faibles que dans le cas d’une transformation martensitique. Cette transformation bainitique est contrôlée par diffusion (besoin d’un temps de germination) et par cisaillement (J.Barralis & G.Maeder). La transformation bainitique commence à la température Bs (température de début de transformation) et se termine à Bf (température de fin de transformation). Selon (Porter & Easterling, 2001). On distingue deux types de bainite : la bainite supérieure et la bainite inférieure :

• La Bainite supérieure : se situe dans la zone supérieure du domaine bainitique. La bainite se forme en « lattes ». Entre ces lattes, des plaquettes de cémentite précipitent. La présence interlattes de la phase fragile de cémentite confère à la bainite supérieure de mauvaises caractéristiques de résilience;
• La Bainite inférieure : apparait à des températures relativement basses. La ferrite formée dans le domaine bainitique inférieure est plus aciculaire. La diffusion du carbone devient à son tour difficile. De ce fait, les aiguilles de ferrite sont sursaturées en carbone au moment de leur formation. Les carbures de fer précipitent à l’intérieur des aiguilles de ferrite sous forme des plaquettes très fines. La présence de ces précipités de carbure conduit à un durcissement par précipitation de la matrice ferritique conférant ainsi à la bainite inférieure un excellent compromis entre la limite élastique et la résilience ).

Au cours du refroidissement continu, à partir de la phase austénitique, la microstructure se présente sous forme de différentes structures, à savoir la bainite supérieure, la bainite inférieure ou les structures mixtes. L’apparition des structures mixtes sont fortement liées aux vitesses de refroidissement. Pour des vitesses de refroidissement relativement rapide, il y a formation d’un produit mixte constitué de la bainite et de la martensite. La martensite se localise dans la zone interlatte (Beaudet, 2009).

Dans le cas des vitesses de refroidissement intermédiaire, la microstructure bainitique se constitue de la ferrite aciculaire, de la cémentite, de l’austénite résiduelle et de la martensite qui se précipite dans les régions interlattes sous forme de films ou de particules. Pour des vitesses de refroidissement relativement lentes, il y a apparition d’un troisième type de bainite, appelé bainite granulaire. Constitué de ferrite aciculaire et des îlots : un mélange d’austénite résiduelle et de la martensite .

Au cours du refroidissement continu, il existe trois types d’agrégats de microstructure différents à savoir bainite supérieure, inférieure et granulaire, tandis que dans le cas d’une transformation isotherme, on distingue seulement deux types de microstructure bainitique, la bainite supérieure ou inférieure qui dépend seulement de la température de formation (Porter & Easterling, 2001).

Transformation martensite 

Lorsque la température est inférieure à celle du point Ms (Martensite Start), la transformation de l’austénite prend un caractère différent en donnant naissance à un constituant particulier : la martensite. La martensite a une structure cristalline quadratique ou tétragonale centrée dans laquelle les atomes de carbone en insertion restent bloqués dans les sites octaédriques de la structure austénitique CFC . La transformation martensitique est une transformation displacive, obtenue par cisaillement complexe du réseau de l’austénite lors d’un refroidissement rapide à partir du domaine austénitique (Krauss, 2005). À l’échelle micrographique, la martensite apparait sous forme de plaquette ou latte. La morphologie de chaque plaquette est formée de fines macles parallèles. Les deux types de morphologie diffèrent selon la teneur en carbone. La martensite en latte (pour des teneurs en carbone faibles, par exemple < 0,6 %) est constituée d’aiguilles grossièrement parallèles alors que la martensite en plaque est formée dans les alliages à plus fort contenu en carbone. La transformation martensitique est une transformation quasi- instantanée et athermique qui se caractérise par une grande dureté due à la présence d’une forte densité de dislocations.