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RÉSUMÉ
Les variétés allotropiques du fer, austénite et ferrite, conduisent à des microstructures composées de différents constituants (ferrite, perlite, bainite, martensite). La composition chimique et les conditions thermomécaniques de l’élaboration font largement varier les proportions des différents constituants et leur morphologie qui induisent des variations importantes de la limite d’élasticité et de la résistance mécanique des aciers. Cet article présente les caractéristiques intrinsèques des constituants des aciers. Le lien entre la présence de ces constituants et le niveau de résistance des aciers à température ambiante est étudié en illustrant par des exemples pratiques d’application.
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The existence of two allotropic phases in iron – austenite and ferrite – lends steels a microstructure made of various constituents with different intrinsic mechanical properties. By chemical additions and thermomechanical processing conditions, the nature and morphology of steel constituents can be drastically changed, offering a broad range of yield stress, tensile stress and elongation values in steels. In this article, the characteristic features of major steel constituents are reviewed, together with their impact on the strength of steel at temperatures near ambient. Practical examples are detailed, illustrating different final applications.
Auteur(s)
-
Thierry IUNG : Manager / Metallurgy Expert MPM team - ArcelorMittal Global R&D, Maizières-lès-Metz, France
-
Jean-Hubert SCHMITT : MSSMat, CNRS, CentraleSupélec, Université Paris-Saclay, Châtenay-Malabry, France
INTRODUCTION
Différents mécanismes de durcissement permettent d’accroître le niveau de contrainte nécessaire à la déformation plastique des alliages métalliques. La plupart de ces mécanismes sont fondés sur le déplacement des dislocations dans le réseau cristallin et sur leurs interactions avec différents éléments de la microstructure [M 4 340]. Les aciers illustrent de façon très éclairante les différentes voies pour développer diverses microstructures conduisant à une amélioration des propriétés mécaniques, c’est-à-dire une augmentation de la limite d’élasticité, de la résistance maximale à la traction ou de la dureté. Plusieurs forces motrices ont conduit à la nécessité d’augmenter la résistance des aciers, comme, par exemple, l’allègement à performance équivalente avec une taille (épaisseur) des structures plus faible, ou la sécurité, ou encore l’amélioration de la tenue en service des structures. Ces différents objectifs peuvent se combiner.
Parallèlement à l’augmentation de résistance, il est important de conserver, voire d’améliorer, les autres propriétés d’usage comme la ductilité (aptitude d’un matériau à subir une déformation plastique sans se rompre) ou la ténacité (aptitude d’un matériau à résister à la rupture en présence de fissure). Ceci reste un challenge pour le développement des aciers car un accroissement de la résistance s’accompagne généralement d’une chute de la ductilité.
Cet article se concentre sur les liens entre microstructure et résistance mécanique dans le cas où le constituant majeur de l’acier est ferritique, perlitique, bainitique ou martensitique. Le lecteur intéressé par les propriétés d’autres familles d’aciers peut utilement consulter l’article consacré aux aciers austénitiques et multiphasés [M 4 342]. Dans un premier temps, sont présentés les différents constituants pouvant être présents dans les aciers et leurs caractéristiques mécaniques. Plusieurs exemples d’aciers, développés à partir de ces constituants et de leurs combinaisons, illustrent les relations entre la microstructure et le comportement mécanique.
Comme il est d’usage dans l’industrie sidérurgique, toutes les teneurs élémentaires sont données en pourcentage en masse des différents éléments d’addition. De façon simplifiée, la notation Fe-xM1-yM2 signifie un alliage à base de fer contenant x % en poids de l’élément M1 et y % en poids de l’élément M2.
Un glossaire et un tableau des symboles utilisés sont présentés en fin d'article.
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MOTS-CLÉS
microstructure propriétés mécaniques aciers mise en forme procédés de fabrication matériaux métalliques
KEYWORDS
microstructure | mechanical properties | steels | forming | process | metallic materials
VERSIONS
- Version archivée 1 de juin 2002 par Barry THOMAS, Jean-Hubert SCHMITT
DOI (Digital Object Identifier)
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Aciers martensitiques
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3. Aciers perlitiques
3.1 Durcissement de la perlite lamellaire
Lors du refroidissement d’un acier contenant environ 0,8% de carbone, la perlite forme le constituant majoritaire. La limite d’élasticité de la perlite est beaucoup plus élevée que celle de la ferrite granulaire. La déformation plastique est amorcée seulement dans les lamelles de ferrite et leur largeur gouverne la limite d’élasticité par un effet analogue à celui de la taille de grain dans les microstructures granulaires. La principale contribution au durcissement de la perlite est ainsi liée à l’espacement interlamellaire S. Celui-ci est d’autant plus petit que la température de transformation est plus basse (figure 13). Dans la pratique industrielle, la distance interlamellaire se situe entre 0,1 et 1 µm, par contrôle de la vitesse de refroidissement des produits bruts de laminage et bruts de forgeage à chaud, ou par un traitement thermique de trempe étagée après normalisation.
Usuellement, l’effet durcissant de la perlite est représenté par une relation de type Hall-Petch entre l’espacement interlamellaire et la contrainte d’écoulement. Dans le cas des aciers non alliés de structure entièrement perlitique, la variation de la limite d’élasticité en fonction de la distance interlamellaire S (en mm) est donnée par la relation suivante :
( 5 )
La limite d’élasticité correspond ainsi à une valeur de l’ordre de 300 MPa pour une distance interlamellaire de 1 µm et de 560 MPa pour une...
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Aciers perlitiques
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - VAN BOHEMEN (S.) - Bainite and martensite start temperature calculated with exponential carbon dependence. - Mater.Sci.Technol. 28, p. 489 (2012).
-
(2) - GOLDSCHMIDT (H.) - Interstitial alloys (Composés interstitiels). Butterworths. - Londres, 632 p. (1967).
-
(3) - WESTBROOK (J.) - Intermetallic compounds (Composés intermétalliques). - John Wiley, New York, 663 p. (1967).
-
(4) - VILARS (P.), CALVERT (L.D.) - Pearson’s handbook of crystallographic data for intermetallic phases (Manuel de données cristallographiques des phases intermétalliques). - 4 vol., American Society for Metals (1991).
-
(5) - Strukturbericht – Zeitschrift für Kristallographie, Akademisch Verlagsgesellschaft. - Leipzig (1939).
-
(6) - PICKERING (F.B.) - Physical...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Site du Bureau de Normalisation des Aciers (BN Aciers)
https://www.a3ms.fr/ (pages consultées en janvier 2016)
HAUT DE PAGE1.1 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
Fédération Française de l’Acier (FFA)
Office technique pour l'utilisation de l'acier (Construire Acier)
Réseau National de Métallurgie (SF2M)
HAUT DE PAGE1.2 Laboratoires (liste non exhaustive)
Laboratoires universitaires français actifs en métallurgie
http://sf2m.fr/RNM_competences/Answers/RNM_compet.aspx
Centres de recherche ArcelorMittal
http://corporate.arcelormittal.com/what-we-do/research-and-development/research-centres
HAUT DE PAGE
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