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RÉSUMÉ
L’addition d’éléments gammagènes favorise la stabilité de la phase austénitique des aciers à température ambiante. L’austénite combine une résistance mécanique élevée à une ductilité importante. La composition chimique et les traitements thermomécaniques permettent d’élaborer des aciers multiphasés, composés essentiellement de ferrite et d’austénite, associant les avantages des deux phases. Cet article présente les caractéristiques mécaniques des aciers austénitiques et des aciers multiphasés en lien avec les mécanismes de déformation particuliers à l’œuvre dans ces nuances. Des exemples d’applications pratiques illustrent le propos pour différents domaines d’emploi de ces aciers.
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The stability of austenite at room temperature is favored by adding elements such as nickel, manganese, cobalt, copper, carbon, or nitrogen. The austenitic structure combines high tensile strength with large plastic deformation. Adjusting chemical composition and thermomechanical treatments yields multiphase steels, usually ferrite-austenite, with a useful combination of the properties of each phase. In this article, the main mechanical properties of austenitic and multiphase steels are deduced from their specific deformation mechanisms. Practical examples illustrate some final applications of these steels.
Auteur(s)
-
Thierry IUNG : Manager, Metallurgy Expert MPM team - ArcelorMittal Global R&D, Maizières-lès-Metz, France
-
Jean-Hubert SCHMITT : Professeur des Universités - MSSMat, CNRS, CentraleSupélec, Université Paris-Saclay, Châtenay-Malabry, France
INTRODUCTION
Les mécanismes de déformation plastique sont directement fonction de la structure cristalline des métaux considérés. Les aciers, en fonction de leur composition chimique et des traitements thermomécaniques, se présentent à température ambiante sous forme de deux variétés allotropiques, la ferrite de structure cubique centrée et l’austénite de structure cubique à faces centrées. Après avoir décrit le rôle de la microstructure sur le durcissement des nuances d’acier ferritiques [M 4 341], cet article aborde la déformation des nuances austénitiques dont les aciers inoxydables sont emblématiques. L’excellente combinaison d’une résistance mécanique élevée et d’un fort allongement à rupture conduit à un regain d’intérêt marqué pour des nuances austénitiques sans chrome. La nature et la teneur en éléments d’addition contrôlent alors le comportement mécanique de l’austénite et sa stabilité. En plus du glissement des dislocations, la déformation plastique à température ambiante de ces aciers s’accompagne du maclage et de la transformation martensitique induite, en fonction de la (méta)stabilité de l’austénite.
La stabilité de l’austénite est fonction de sa composition chimique. En ajustant celle-ci, l’austénite peut se transformer partiellement en martensite au cours de la déformation plastique conduisant à une microstructure biphasée. Il est également possible d’obtenir directement des nuances multiphasées composées de deux ou plusieurs des constituants des aciers. Le comportement de ces nuances multiphasées est alors fonction de la nature et de la fraction volumique de chaque phase, ainsi que de leur évolution éventuelle au cours de la déformation. Ces nouvelles microstructures ouvrent le champ à une très grande variété de comportement mécanique et permettent surtout de limiter la chute de ductilité lorsque la résistance mécanique maximale s’accroît.
Cet article présente les nouvelles voies de développement des aciers à très haute résistance, et donne quelques exemples de nouvelles nuances. Il conclut par des éléments de modélisation du comportement des aciers multiphasés mettant ainsi en évidence les relations entre les microstructures et les propriétés mécaniques.
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 notations et symboles utilisés sont présentés en fin d'article.
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MOTS-CLÉS
microstructure propriétés mécaniques procédés de fabrication mise en forme matériaux métalliques
KEYWORDS
microstructure | mechanical properties | manufacturing process | forming metallic materials steels
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Comportement des aciers multiphasés
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3. Aciers multiphasés
Dans l’article [M 4 341] pour les aciers ferritiques et dans les paragraphes précédents pour les nuances austénitiques, nous nous sommes concentrés sur les aciers contenant un constituant majoritaire. Dans de nombreux cas, le métallurgiste a recours à plusieurs de ces constituants pour développer une microstructure plus complexe bénéficiant au mieux des avantages de chacun des constituants. Dans certains cas, ceci est à rapprocher des bases de la conception des matériaux composites. Certains exemples sont décrits dans la suite.
3.1 Aciers ferrito-perlitiques
Il s’agit du cas le plus courant d’acier contenant plusieurs constituants. Au cours d’un refroidissement à vitesse lente (inférieure à quelques dizaines de °C/s), l’austénite des aciers au carbone se décompose en un mélange de ferrite et de perlite (figure 9). La fraction volumique de la perlite varie de 0 dans les aciers extra-doux à 100% dans les aciers à 0,8% de carbone.
lorsque la teneur en carbone est supérieure à 0,8% en masse (aciers hypereutectoïdes), la phase proeutectoïde est la cémentite. Cette teneur limite est fonction des éléments d’addition, en particulier du chrome. Les aciers hypereutectoïdes ne sont généralement pas utilisables à l’état structural obtenu par refroidissement après un traitement d’austénitisation, en raison de la limite d’élasticité très élevée et de l’effet fragilisant du réseau de carbures proeutectoïdes qui tapissent les anciens joints de grain austénitique. Avant la mise en forme des pièces par forgeage, les aciers subissent un traitement de globulisation qui conduit à la formation de particules sphéroïdes de cémentite dans une matrice de ferrite (voir plus loin). Après la mise en forme, on effectue un traitement thermique final pour obtenir les caractéristiques mécaniques requises pour l’emploi. Ainsi, par exemple, dans le cas des aciers pour roulements du type 100C6 contenant...
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Aciers multiphasés
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - LACOMBE (P.), BERANGER (G.) Ed, BAROUX (B.) - Structures et diagrammes d’équilibre des diverses nuances d’aciers inoxydables – Conséquences sur leurs traitements thermiques. - In Les aciers inoxydables, Ch. 2, Les Éditions de Physiques, Paris (1990).
-
(2) - HULL (D.), BACON (D.J.) - Introduction to Dislocations (5th Edition). - Butterworth-Heinemann (Elsevier) (2011).
-
(3) - THOMAS (B.), HENRY (G.), LACOMBE (P.), BAROUX (B.), BERANGER (G.) Ed - Structures et métallographie des aciers inoxydables (Partie 1, chapitre 3). - In Les aciers inoxydables, Les Éditions de Physique (1990).
-
(4) - HAASE (C.), CHOWDHURY (S.G.), BARRALES-MORA (L.A.), MOLODOV (D.A.), GOTTSTEIN (G.) - On the Relation of Microstructure and Texture Evolution in an Austenitic Fe-28Mn-0.28C TWIP Steel During Cold Rolling. - Met. Mater. Trans. A 44A, p. 911 (2013).
-
(5) - BOUAZIZ (O.) - Strain-hardening of twinning-induced plasticity steels. - Scripta Mater. 66, p. 982...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Site du Bureau de Normalisation des Aciers (BN Aciers)
http://www.acier.org/menu-left/normalisation.html (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)
http://sf2m.fr/CommissionsThematiques/RN_Metallurgie.htm
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
Recherche et développement APERAM
Recherche et développement Aubert&Duval
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