Aciers Hadfield

Cette partie d’étude englobe des analyses microstructurales, les duretés et le comportement tribologique des aciers Hadfield faiblement alliés au chrome, au nickel et au niobium. Trois différents aciers (A4, A5 et A6) ont été élaborés et comparés à l’acier Hadfield de base B1. Les compositions chimiques des aciers considérés dans cette partie sont données par le tableau III.22. Tableau III.22. Compositions chimiques des aciers B1 A4 A5 A6 

Effet du chrome + nickel

Cette partie d’étude traite l’influence de l’ajout combiné du chrome et du nickel dans un acier au manganèse considéré comme un acier Hadfield. Deux différents aciers contenant une légère augmentation du chrome et du nickel (A4 et A5) comparativement à l’acier Hadfield de base élaboré au niveau de la fonderie (tableau III.23) ont été élaborés. L’objectif de l’ajout de ces derniers en faibles quantités est de déterminer leurs influences sur la formation de la microstructure et des propriétés mécaniques (dureté et résistance à l’usure). Tableau III.23. Compositions chimiques des aciers B1, A4 et A5

Analyse microstructurale

A l’état brut de coulée, l’analyse microstructurale des aciers A4 et A5 élaborés présente des microstructures comparables à celle de l’acier B1. Ces trois aciers révèlent une matrice austénitique dont laquelle des carbures inter et intragranulaires sont répartis. Ces trois microstructures se distinguent entre elles par la finesse des grains et la distribution et la grosseur des carbures formés (figure III.79). Eléments chimiques (en pourcentage massique, %) Aciers C Mn Si P S Cr Ni Nb B1 1.266 11.88 0.434 0.051 0.008 1.05 0.17 / A4 1.318 11.77 0.594 0.057 0.008 1.17 0.26 / A5 1.256 11.61 0.616 0.057 0.011 1.79 0.47 / A6 1.339 11.35 0.409 0.049 0.011 1.27 0.89 0.102 Eléments chimiques (en pourcentage massique, %) Aciers C Mn Si P S Cr Ni B1 1.266 11.88 0.434 0.051 0.008 1.05 0.17 A4 1.318 11.77 0.594 0.057 0.008 1.17 0.26 A5 1.256 11.61 0.616 0.057 0.011 1.79 0.47

Résultats et discussions

Les micrographies MEB des aciers B1, A4 et A5 à l’état brut d coulée (figure III.80) révèlent une augmentation des carbures intergranulaires et une diminution des carbures intragranulaires en fonction de l’élévation de la teneur en chrome. D’après l’analyse EDS des carbures existant dans la microstructure de l’acier B1 (figure III.3), les carbures intergranulaires sont de la cémentite alliée au manganèse et au chrome ((Fe,Mn,Cr)3C) alors que les carbures intragranulaires sont de la cémentite alliée au manganèse ((Fe,Mn)3C). Le nickel est connu par son effet gammagène et non carburigène, donc l’augmentation de ce dernier n’influe pas sur les carbures formés. D’autre part, l’ajout de cet élément en faible quantité ne provoque pas un changement microstructural observable. On peut dire alors que l’augmentation de la fraction des carbures est due à l’effet du chrome. Ce dernier est connu par son effet carburigène. Comme il a été expliqué dans les paragraphes précédents, l’ajout de cet élément en faibles quantités à Figure III.80. Micrographies optiques des aciers B1 (a), A4 (b) et A5 (c) à l’état brut de coulée Résultats et discussions 134 l’acier au manganèse favorise la précipitation de la cémentite enrichie en manganèse et en chrome ((Fe,Mn,Cr)3C). On remarque également à travers l’observation MEB que la grosseur des carbures formés évolue avec l’augmentation de la teneur en chrome dans l’acier. Cette constatation est plus remarquable dans l’acier A5 par rapport aux aciers A4 et B1. Ceci explique que le chrome ajouté se dissout dans la cémentite, laquelle est enrichie en cet élément. Le carbure complexe ainsi formé ((Fe,Mn,Cr)3C) grossit de manière remarquable. Figure III.81. Micrographies MEB des aciers B1 (a), A4 (b) et A5 (c) à l’état brut de coulée  L’augmentation de la quantité des carbures intergranulaires influe considérablement sur la finesse des grains austénitiques (figure III.82). Pour mettre en évidence cet effet, la taille des grains des trois aciers a été mesurée. Il résulte que la taille des grains austénitiques varie inversement proportionnelle avec la teneur en chrome. Cette dernière est passée de 52µm pour l’acier B1 à 40.4µm pour l’acier A4 et à 19.9µm pour l’acier A5. La taille des grains de l’acier A5 a été affinée de l’ordre de 2.6 fois par rapport à celle de l’acier B1. L’augmentation de la teneur en chrome favorise la formation en grande quantité d’une cémentite complexe riche en chrome et précipitée principalement aux joints de grains austénitiques. Ceci bloque le grossissement des grains austénitiques et affine ainsi la structure. Les micrographies MEB Figure III.82. Micrographies MEB des carbures formés dans les microstructures des aciers B1 (a), A4 (b) et A5 (c) à l’état brut de coulée Résultats et discussions 136 (figure III.82) et le tableau III.24 montrent l’influence de l’ajout du chrome sur la diminution des grains austénitiques. Tableau III.24. Tailles des grains des aciers B1, A4 et A5 à l’état brut de coulée Acier B1 Acier A4 Acier A5 Tailles des grains austénitique (µm) 52 40.4 19.9 L’analyse EDS des carbures intergranulaires présents dans les microstructures des aciers A4 et A5 (figure III.83) a révélé des pics de Fe, de Mn, de Cr et de C. Ceci confirme que ces carbures contiennent les mêmes éléments. Il s’agit de la cémentite alliée au manganèse et au chrome. La différence entre les carbures formés dans l’acier A4 et A5 se situe au niveau de la quantité de chaque élément dans ces derniers. Les carbures de l’acier A5 contiennent plus de chrome que Figure III.83. Variation de la taille des grains des aciers B1 (a), A4 (b) et A5 (c) à l’état brut de coulée en fonction de la teneur en chrome Résultats et discussions 137 ceux de l’acier A4. Ceci est justifié par le taux de chrome dans l’acier A5 par rapport à l’acier A4 (tableau III.23).