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RÉSUMÉ
Le transfert de l'azote en phase ferritique s'accompagne de précipitation de nitrures qui assurent le durcissement et le développement de contraintes de compression : mécanismes de diffusion-précipitation. Une analyse des mécanismes a pu être effectuée par une approche combinant simulation thermodynamique et cinétique et observations microstructurales (METHR). Cette caractérisation met en évidence la précipitation de nitrures de chrome substitués en fer. Cette approche globale montre que la simulation est particulièrement efficace.
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Nitrogen transfer in the ferritic phase is accompanied by nitride precipitation which provides hardening and the development of compressive stresses: diffusion-precipitation mechanisms. The accurate analysis of mechanisms has been made possible by an approach combining thermodynamic and kinetic simulation and microstructural observations (High-resolution transmission electron microscopy (HRTEM)). This characterization reveals the precipitation of chromium nitrides substituted by iron. This comprehensive approach shows that the simulation is particularly effective.
Auteur(s)
-
Jacky DULCY : Ingénieur de recherche CNRS, Ingénieur civil des Mines
-
Michel GANTOIS : Professeur à l'École Nationale Supérieure des Mines et à l'École Européenne en Génie des Matériaux, Nancy
INTRODUCTION
La formation des couches de combinaison ε et γ′ par traitement thermochimique de nitruration des alliages ferreux s'accompagne d'une diffusion de l'azote dans la phase ferritique à des températures inférieures à 570 °C. Il se forme à partir de l'interface couche de combinaison-matrice ferritique un gradient de concentration en azote. La formation de ce gradient de concentration en azote s'accompagne de phénomènes de précipitation de nitrures dont la structure cristallographique, la composition, la morphologie et la répartition dépendent de la composition de l'acier et de la température à laquelle s'effectue la diffusion de l'azote. Cette précipitation établissant le gradient de concentration en azote se traduit par l'apparition d'un gradient de dureté et de contraintes de compression, qui ont pour conséquence un accroissement de la résistance mécanique de la surface et de la résistance aux différents phénomènes de fatigue. La connaissance des mécanismes de précipitation et de durcissement est fondamentale pour optimiser, d'une part la composition des aciers (nature et concentration des éléments d'alliages), et d'autre part les paramètres du traitement de nitruration (composition de l'atmosphère gazeuse, température, etc.) qui conditionnent le transfert d'azote à la surface de l'acier.
Les connaissances les plus récentes sur les équilibres thermodynamiques, et les mécanismes de transfert de matière, ainsi que sur les méthodes d'études microstructurales par microscopie électronique à haute définition, ont été mises en œuvre conjointement pour élucider tous ces mécanismes et permettre d'en faire une présentation rationnelle et utile à leur compréhension et leur exploitation pratique.
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KEYWORDS
nitriding | diffusion | layers | precipitation | thermodynamic | kinetic
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Application aux aciers industriels2. Système fer–carbone–chrome–azote
Avant de caractériser la localisation de l'azote dans la couche de diffusion d'un acier industriel (cf. paragraphe 3), nous décrirons la localisation de l'azote dans la couche de diffusion, dans le cas d'alliages ternaires fer–carbone–chrome nitrurés à 520 °C.
2.1 Localisation de l'azote : approche expérimentale
Deux alliages ternaires de composition Fe-0,38 %C-3 %Cr et Fe-0,38 %C-5 %Cr ont été nitrurés pendant 48 h avec une valeur de KN = 1, ce qui correspond à une configuration de couches α/γ′ [M 1 224]. La figure 37 présente les profils de fraction massique en azote mesurés par microsonde électronique dans la couche de diffusion α sur des échantillons de type semi-infini. Nous pouvons conclure que la diffusion des atomes d'azote n'affectent pas le cœur de l'échantillon.
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Système fer–carbone–chrome–azote
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - DULCY (J.), GANTOIS (M.) - Progrès dans la connaissance des mécanismes de transfert appliqués aux traitements thermiques - Revue de Traitement Thermique, n° 360, p. 25-31 (2005).
-
(2) - DULCY (J.), GANTOIS (M.) - Progrès dans la connaissance des mécanismes de transfert appliqués aux traitements thermiques - Revue de Traitement Thermique : n° 368, p. 31-45 (2006).
-
(3) - GINTER (C.) - Influence des éléments d'alliage sur les mécanismes de nano-précipitation et sur les mécanismes de durcissement d'alliages modèles (Fe-Cr et Fe-Cr-C) et d'aciers industriels nitrurés - Thèse de Docteur de I.N.P.L., Nancy (juin 2006).
-
(4) - VAN WIGGEN (P.C.), ROZENDAAL (H.C.F), MITTEMEIJER (E.J.) - The nitriding behaviour of iron-chromium-carbon alloys - Journal of Materials Science, p. 4561-4582 (1985).
-
(5) - SOMERS (M.A.J.), LANKREIJER (R.M.), MITTEMEIJER (E.J.) - Excess nitrogen in ferrite matrix of nitrided binary iron-bases alloys - Philosophical Magazine A, vol. 59, p. 353-378...
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