Effet du carbone et du manganèse

Avant d’étudier l’influence des éléments chimiques ajoutés et des traitements thermiques appliqués sur la formation de la microstructure et sur les propriétés mécaniques, nous avons d’abord considéré l’effet du carbone et du manganèse. Dans le but d’étudier l’influence du carbone et du manganèse, deux aciers ont été élaborés. La microstructure et les propriétés de service de l’acier B2 ont été comparées à celles de l’acier B1 (Hadfield) produit par ALFET. Les compositions chimiques de ces aciers sont montrées

Analyse microstructurale

Les micrographies optiques des aciers B1 et B2 à l’état brut de coulée sont montrées par cet état, les microstructures des deux aciers considérés sont composées d’une matrice austénitique avec des carbures inter et intra granulaires. Selon de diagramme binaire Fe-C, les carbures formés à l’état brut de coulée et aux basses températures sont des carbures de fer de type M3C. Sachant que ces derniers sont des carbure secondaires, formés au second stade de la solidification. La diminution de la température durant le refroidissement provoque l’appauvrissement de l’austénite en carbone. Le carbone rejeté par cette dernière se lie avec le fer en formant un carbure Fe3C qui précipite aux joints des grains austénitiques. Par contre, l’ajout du manganèse au système Fe-C (figure I.3) provoque la formation d’un carbure complexe de type M3C. Le manganèse ne formant pas son propre carbure, se trouve dissous dans l’austénite ou dans la cémentite. Comme la quantité du manganèse dans ces aciers est importante, alors ce dernier est reparti entre la matrice et le carbure. Lorsque sa limite de solubilité dans l’austénite est atteinte, le manganèse rejeté au cours du refroidissement entre en substitution dans la cémentite et donne lieu à la précipitation de la cémentite alliée au manganèse ((Fe,Mn)3C) aux joints des grains austénitiques.

La quantité et la grosseur de ces carbures varient en fonction de la teneur en carbone présent dans l’alliage. La figure III.2 illustre les micrographies MEB des deux aciers à l’état brut de coulée. Ces micrographies font apparaître clairement les carbures de type M3C formés. La quantité des carbures secondaires révélés par la microstructure de l’acier B1 est plus importante que celle de l’acier B2. Ainsi, ces carbures sont relativement grossiers comparé aux ceux de l’acier B2. Ceci est justifié par l’augmentation de la teneur en carbone dans l’acier B1.précipitations intragranulaires et intergranulaires ont été aussi analysées. Il ressort de ces analyses que sur les précipités intra granulaires apparaissent les éléments avec des pics de Fe, de C et de Mn. Ceci confirme que le carbure formé est de la cémentite alliée au manganèse ((Fe,Mn)3C, point 2). Le spectre de l’analyse des précipités intergranulaires montre des pics de Fe, de C, de Mn et de Cr. Les précipités intergranulaires sont à leur tour des carbures de type M3C. Le chrome est connu par son effet carburigène, mais il rentre en substitution dans le carbure de type M3C lorsque sa teneur ne dépasse pas 3%. D’après l’analyse chimique, l’acier B1 contient une teneur de 1.05% de chrome. A cette teneur, le chrome se trouve ainsi dissout dans la matrice et/ou dans la cémentite. Ceci explique que les précipités intergranulaires correspondent à la cémentite alliée au manganèse et au chrome ((Fe,Mn,Cr)3C, point 3).

La figure III.5 présente les micrographies optiques des aciers considérés (B1 et B2) à l’état traité thermiquement. Après les deux traitements thermiques appliqués, les microstructures des aciers B1 et B2 sont constituées de martensite, d’austénite résiduelle et une faible quantité deprécipités dispersés dans l’austénite résiduelle. L’apparition de l’austénite résiduelle est due au fait que la transformation martensitique n’est pas complètement atteinte. La présence de cette phase est intéressante pour maintenir une certaine ductilité de l’acier. L’austénitisation à hautes températures (1050°C et 1100°C) conduit à la formation d’une austénitique sursaturée en carbone et aux autres éléments chimiques composants l’alliage. Un refroidissement rapide (trempe à l’eau) gène la transformation diffusive de l’austénite. Le carbone et les autres éléments se trouvent alors piégés dans la maille. La nouvelle maille (maille obtenue) contient alors les mêmes éléments mais avec des proportions différentes. Dans ce cas, le refroidissement rapide fige la structure et la maille austénitique de structure cubique à faces centrées se déforme et donne lieu, suivant un mécanisme de transformation displacive, à différents produits de martensite. Selon le diagramme de phase métastable du système Fe-Mn-C, ces produits Figure III.4. Diffractogrammes des rayons X des aciers B1 et B2 à l’état brut de coulée. A : austénite métastables sont connus sous le nom de martensite α’, de maille cubique centrée (CC) ou tétragonale centrée (TC) et martensite ε, de maille hexagonale compacte (HC).