Le traitement thermique de l'acier est le mécanisme le plus puissant pour influencer sa structure et ses propriétés. Elle repose sur des modifications des réseaux cristallins en fonction du jeu des températures. La ferrite, la perlite, la cémentite et l'austénite peuvent être présentes dans un alliage fer-carbone dans diverses conditions. Ce dernier joue un rôle majeur dans toutes les transformations thermiques de l'acier.
Définition
L'acier est un alliage de fer et de carbone, dans lequel la teneur en carbone est théoriquement jusqu'à 2,14 %, mais technologiquement applicable, il en contient une quantité ne dépassant pas 1,3 %. En conséquence, toutes les structures qui s'y forment sous l'influence d'influences extérieures sont également des variétés d'alliages.
La théorie présente leur existence en 4 variantes: une solution solide de pénétration, une solution solide d'exclusion, un mélange mécanique de grains ou un composé chimique.
L'austénite est une solution solide de pénétration d'atomes de carbone dans le réseau cristallin cubique face-centrique du fer, appelé γ. L'atome de carbone est introduit dans la cavité du réseau γ du fer. Ses dimensions dépassent les pores correspondants entre les atomes de Fe, ce qui explique le passage limité de ceux-ci à travers les « parois » de la structure principale. Formé dans les processustransformations de température de la ferrite et de la perlite avec une augmentation de la chaleur au-dessus de 727˚С.
Tableau des alliages fer-carbone
Un graphique appelé diagramme d'état fer-cémentite, construit expérimentalement, est une démonstration claire de toutes les options possibles pour les transformations des aciers et des fontes. Les valeurs de température spécifiques pour une certaine quantité de carbone dans l'alliage forment des points critiques auxquels des changements structurels importants se produisent pendant les processus de chauffage ou de refroidissement, elles forment également des lignes critiques.
La ligne GSE, qui contient les points Ac3 et Acm, représente le niveau de solubilité du carbone lorsque les niveaux de chaleur augmentent.
| Tableau de solubilité du carbone dans l'austénite en fonction de la température | |||||
| Température, ˚C |
900 |
850 | 727 | 900 | 1147 |
| Solubilité approximative de C dans l'austénite, % | 0, 2 | 0, 5 | 0, 8 | 1, 3 | 2, 14 |
Caractéristiques de l'éducation
L'austénite est une structure qui se forme lorsque l'acier est chauffé. En atteignant la température critique, la perlite et la ferrite forment une substance intégrale.
Options de chauffage:
- Uniforme, jusqu'à ce que la valeur requise soit atteinte, exposition courte,refroidissement. Selon les caractéristiques de l'alliage, l'austénite peut être entièrement formée ou partiellement formée.
- Montée en température lente, longue période de maintien du niveau de chaleur atteint afin d'obtenir de l'austénite pure.
Propriétés du matériau chauffé résultant, ainsi que ce qui se produira à la suite du refroidissement. Tout dépend du niveau de chaleur atteint. Il est important d'éviter la surchauffe ou la surchauffe.
Microstructure et propriétés
Chacune des phases caractéristiques des alliages fer-carbone a sa propre structure de réseaux et de grains. La structure de l'austénite est lamellaire, ayant des formes proches à la fois aciculaires et feuilletées. Avec une dissolution complète du carbone dans le fer γ, les grains ont une forme claire sans la présence d'inclusions de cémentite foncée.
La dureté est de 170-220 HB. Les conductivités thermique et électrique sont d'un ordre de grandeur inférieures à celles de la ferrite. Aucune propriété magnétique.
Les variantes du refroidissement et sa vitesse conduisent à la formation de diverses modifications de l'état "froid": martensite, bainite, troostite, sorbite, perlite. Ils ont une structure aciculaire similaire, mais diffèrent par la dispersion des particules, la taille des grains et les particules de cémentite.
Effet du refroidissement sur l'austénite
La décomposition de l'austénite se produit aux mêmes points critiques. Son efficacité dépend des facteurs suivants:
- Vitesse de refroidissement. Affecte la nature des inclusions de carbone, la formation des grains, la formation de lamicrostructure et ses propriétés. Dépend du milieu utilisé comme liquide de refroidissement.
- La présence d'un composant isotherme à l'un des stades de décomposition - lorsqu'elle est abaissée à un certain niveau de température, une chaleur stable est maintenue pendant une certaine période de temps, après quoi un refroidissement rapide se poursuit ou se produit avec un appareil de chauffage (fournaise).
Ainsi, on distingue une transformation continue et isotherme de l'austénite.
Caractéristiques du caractère des transformations. Graphique
Graphique en forme de C, qui affiche la nature des changements dans la microstructure du métal dans l'intervalle de temps, en fonction du degré de changement de température - c'est le diagramme de transformation de l'austénite. Le vrai refroidissement est continu. Seules certaines phases de maintien forcé de la chaleur sont possibles. Le graphique décrit les conditions isothermes.
Le personnage peut être diffusant ou non.
Aux taux de réduction thermique standard, le grain d'austénite change par diffusion. Dans la zone d'instabilité thermodynamique, les atomes commencent à se déplacer entre eux. Ceux qui n'ont pas le temps de pénétrer dans le réseau de fer forment des inclusions de cémentite. Ils sont rejoints par des particules de carbone voisines libérées de leurs cristaux. La cémentite se forme aux limites des grains en décomposition. Des cristaux de ferrite purifiés forment les plaques correspondantes. Une structure dispersée se forme - un mélange de grains dont la taille et la concentration dépendent de la rapidité du refroidissement et du contenualliage de carbone. La perlite et ses phases intermédiaires se forment également: sorbite, troostite, bainite.
Aux taux significatifs de diminution de la température, la décomposition de l'austénite n'a pas de caractère de diffusion. Des distorsions complexes des cristaux se produisent, à l'intérieur desquelles tous les atomes sont simultanément déplacés dans un plan sans changer leur emplacement. Le manque de diffusion contribue à la nucléation de la martensite.
Influence de l'écrouissage sur les caractéristiques de la décomposition de l'austénite. Martensite
Le durcissement est un type de traitement thermique, dont l'essence est le chauffage rapide à des températures élevées au-dessus des points critiques Ac3 et Acm, suivi d'un refroidissement rapide. Si la température est abaissée à l'aide d'eau à un rythme supérieur à 200˚С par seconde, une phase aciculaire solide se forme, appelée martensite.
C'est une solution solide sursaturée de pénétration du carbone dans le fer avec un réseau cristallin de type α. En raison de puissants déplacements d'atomes, il est déformé et forme un réseau tétragonal, qui est la cause du durcissement. La structure formée a un plus grand volume. En conséquence, les cristaux délimités par le plan sont comprimés, des plaques en forme d'aiguilles naissent.
La martensite est solide et très dure (700-750 HB). Formé exclusivement à la suite d'une trempe à grande vitesse.
Durcissement. Structures de diffusion
L'austénite est une formation à partir de laquelle la bainite, la troostite, la sorbite et la perlite peuvent être produites artificiellement. Si le refroidissement du durcissement se produit àdes vitesses plus faibles, des transformations de diffusion sont effectuées, leur mécanisme est décrit ci-dessus.
Troostite est de la perlite, qui se caractérise par un haut degré de dispersion. Il se forme lorsque la chaleur diminue de 100˚С par seconde. Un grand nombre de petits grains de ferrite et de cémentite sont répartis sur tout le plan. La cémentite «durcie» est caractérisée par une forme lamellaire et la troostite obtenue à la suite d'un revenu ultérieur a une visualisation granulaire. Dureté - 600-650 HB.
La bainite est une phase intermédiaire, qui est un mélange encore plus dispersé de cristaux de ferrite à haute teneur en carbone et de cémentite. En termes de propriétés mécaniques et technologiques, elle est inférieure à la martensite, mais supérieure à la troostite. Il se forme dans des plages de température où la diffusion est impossible, et les forces de compression et de mouvement de la structure cristalline pour la transformation en une structure martensitique ne suffisent pas.
Le sorbitol est une variété grossière de phases de perlite en forme d'aiguille lorsqu'il est refroidi à une vitesse de 10˚С par seconde. Les propriétés mécaniques sont intermédiaires entre la perlite et la troostite.
La perlite est une combinaison de grains de ferrite et de cémentite, qui peuvent être granulaires ou lamellaires. Formé à la suite de la désintégration douce de l'austénite avec une vitesse de refroidissement de 1˚C par seconde.
La beitite et la troostite sont davantage liées aux structures de durcissement, tandis que la sorbite et la perlite peuvent également se former lors du revenu, du recuit et de la normalisation, dont les caractéristiques déterminent la forme des grains et leur taille.
Effet du recuit surcaractéristiques de désintégration austénitique
Pratiquement tous les types de recuit et de normalisation sont basés sur la transformation réciproque de l'austénite. Le recuit complet et incomplet est appliqué aux aciers hypoeutectoïdes. Les pièces sont chauffées dans le four au-dessus des points critiques Ac3 et Ac1 respectivement. Le premier type se caractérise par la présence d'une longue période de maintien, qui assure une transformation complète: ferrite-austénite et perlite-austénite. Ceci est suivi d'un refroidissement lent des pièces dans le four. En sortie, on obtient un mélange finement dispersé de ferrite et de perlite, sans contraintes internes, plastique et durable. Un recuit incomplet consomme moins d'énergie et ne modifie que la structure de la perlite, laissant la ferrite pratiquement inchangée. La normalisation implique un taux plus élevé de diminution de la température, mais aussi une structure plus grossière et moins plastique à la sortie. Pour les alliages d'acier ayant une teneur en carbone de 0,8 à 1,3 %, lors du refroidissement, dans le cadre de la normalisation, la décomposition se produit dans le sens: austénite-perlite et austénite-cémentite.
Un autre type de traitement thermique basé sur des transformations structurelles est l'homogénéisation. Il est applicable pour les grandes pièces. Cela implique l'obtention absolue de l'état austénitique à gros grains à des températures de 1000-1200 ° C et une exposition dans le four jusqu'à 15 heures. Les processus isothermes se poursuivent avec un refroidissement lent, ce qui contribue à uniformiser les structures métalliques.
Recuit isotherme
Chacune des méthodes énumérées pour influencer le métal pour simplifier la compréhensionconsidérée comme une transformation isotherme de l'austénite. Cependant, chacun d'eux seulement à un certain stade a des traits caractéristiques. En réalité, les changements se produisent avec une diminution constante de la chaleur, dont la vitesse détermine le résultat.
L'une des méthodes les plus proches des conditions idéales est le recuit isotherme. Son essence consiste également à chauffer et à maintenir jusqu'à la décomposition complète de toutes les structures en austénite. Le refroidissement est mis en œuvre en plusieurs étapes, ce qui contribue à une décomposition plus lente, plus longue et plus stable thermiquement.
- La chute rapide de la température à 100˚C sous le point Ac1.
- Rétention forcée de la valeur obtenue (en plaçant dans le four) pendant une longue période jusqu'à ce que les processus de formation des phases de ferrite-perlite soient terminés.
- Refroidissement à l'air calme.
La méthode est également applicable aux aciers alliés, qui se caractérisent par la présence d'austénite résiduelle à l'état refroidi.
Austénite rémanente et aciers austénitiques
Parfois, une décroissance incomplète est possible lorsqu'il y a de l'austénite résiduelle. Cela peut se produire dans les situations suivantes:
- Refroidissement trop rapide lorsque la décomposition complète ne se produit pas. C'est un composant structurel de la bainite ou de la martensite.
- Acier à haute teneur en carbone ou faiblement allié, pour lequel les procédés de transformations austénitiques dispersées sont compliqués. Nécessite des méthodes de traitement thermique spéciales telles que l'homogénéisation ou le recuit isotherme.
Pour les alliages -il n'y a pas de processus des transformations décrites. L'alliage d'acier avec du nickel, du manganèse et du chrome contribue à la formation d'austénite en tant que structure solide principale, qui ne nécessite pas d'influences supplémentaires. Les aciers austénitiques se caractérisent par une résistance élevée, une résistance à la corrosion et à la chaleur, une résistance à la chaleur et une résistance aux conditions de travail difficiles et agressives.
L'austénite est une structure sans la formation de laquelle aucun chauffage à haute température de l'acier n'est possible et qui est impliquée dans presque toutes les méthodes de son traitement thermique afin d'améliorer les propriétés mécaniques et technologiques.
