Austenite

Le traitement thermique de l’acier consiste souvent à chauffer une pièce dans la région de l’austénite (alias champ de phase de l’austénite) afin d’effectuer un traitement thermique tel que la normalisation, la trempe, la cémentation, etc. Mais qu’est-ce que l’austénite, comment se forme-t-elle et quelle est la plage de température la plus propice au processus que nous exécutons ? Apprenons-en plus.

Qu’est-ce que l’austénite ?

En 1901, Floris Osmund, un pionnier français de la métallographie, a proposé de nommer la structure cristalline de l’acier à haute température d’après Sir William Chandler Roberts-Austen, un métallurgiste remarqué pour ses recherches sur les propriétés physiques des métaux et de leurs alliages.

L’austénite (alias fer gamma, g-Fe) est un allotrope métallique et non magnétique (un matériau qui peut exister sous plus d’une forme cristalline selon la température) du fer. L’austénite est une solution solide combinant souvent le fer avec divers éléments d’alliage (par exemple, le carbone). On peut dire que la science du traitement de l’acier est basée sur la compréhension du champ de phase de l’austénite dans le diagramme de phase fer-carbone (Fig. 1).

Comme l’observe Krause, « la transformation contrôlée de l’austénite en d’autres phases lors du refroidissement est responsable d’une grande variété de microstructures et de propriétés atteignables par le traitement thermique des aciers. »

Croissance du grain austénitique

La formation de l’austénite dans les microstructures (Fig. 2) a été largement étudiée. Pour les aciers au carbone ordinaire, l’austénite peut se former à partir de perlite ou même d’une structure hautement sphéroïdale dans une période de temps très courte – de l’ordre de 4 à 25 secondes et être complète après 60 secondes – mais dans les aciers alliés, le temps peut être multiplié par cent ou plus (Fig. 3) puisque les éléments d’alliage et les carbures ont besoin de plus de temps pour que la diffusion se produise.

Taille du grain austénitique et propriétés mécaniques

La taille du grain d’austénite est importante car elle influence les produits de transformation formés lors du refroidissement et, par conséquent, les propriétés liées à la trempabilité et à la microstructure. La taille des grains d’austénite est communément appelée taille des grains d’austénite antérieure car l’austénite retenue présente à température ambiante n’influence pas l’austénite mère. La taille des grains d’austénite antérieure peut influencer de manière significative des propriétés telles que la ténacité, qui diminue lorsque la taille des grains augmente. Il convient de noter ici que la révélation de cette structure implique des techniques de gravure assez sophistiquées (c.f., « La taille des grains et son influence sur les propriétés des matériaux »).

De petites additions (de l’ordre de 0,1%) de certains éléments d’alliage (Nb, V, Ti) produisent des carbures, des carbonitrures ou des nitrures ; influencent le contrôle de la taille des grains et le renforcement ; et constituent la base des aciers de microalliage. Les particules de microalliage finement dispersées retardent la croissance des grains austénitiques, en particulier à des températures plus élevées (par ce que l’on appelle le pinning des joints de grains).

Température d’austénitisation – une approche pratique

En termes pratiques, on veut fonctionner à la température d’austénitisation la plus basse pendant le temps le plus court afin de limiter la croissance des grains, de minimiser l’influence du fluage et des effets de surface indésirables (par ex, oxydation, IGO/IGA), de réduire l’entretien, de prolonger la durée de vie des fours de traitement thermique, de réduire les coûts de fixation des alliages et de minimiser la distorsion en réduisant le différentiel de température entre la température de la pièce et le milieu de trempe.

Le choix de la température d’austénitisation dépend à la fois de la teneur en carbone et en alliage – un acier à faible teneur en carbone nécessite une température plus élevée qu’un acier à haute teneur en carbone. La teneur en alliage joue également un rôle en influençant les limites du champ d’austénite (c.f., « Influence des éléments d’alliage sur le champ de phase austénite »).

En outre, les carbures d’alliage nécessitent souvent des températures plus élevées pour se dissoudre et se disperser en raison de taux de diffusion plus faibles que le carbone. En outre, la variation de la vitesse de chauffage jusqu’à la température d’austénitisation influence la vitesse de transformation et de dissolution des différents constituants d’alliage présents (Fig. 4). Dans la figure 4, par exemple, la troisième courbe à partir de la droite représente une vitesse de chauffage d’environ 3˚C (5˚F) par minute.

Le diagramme d’équilibre fer-carbone décrit le champ de la phase austénitique pour les fers et les aciers. Au fur et à mesure que la teneur en carbone augmente, la température A3 (la limite inférieure du champ d’austénite) diminue jusqu’à ce que la composition eutectoïde soit atteinte – 725˚C (1340˚F) à 0,80% C. Pour un acier à 0,40% de carbone, le champ de phase austénite commence à 915˚C (1500˚F). En revanche, le champ de phase austénite dans le fer pur commence à 912˚C (1674˚F) et se termine à 1394˚C (2541˚F).

Travail à chaud

Enfin, il convient de noter que l’aptitude au travail des aciers (par ex, laminage, forgeage) est améliorée dans leur état austénitique, répondant au travail à chaud par déformation, récupération, recristallisation et croissance des grains. La taille des grains austénitiques diminue lorsque les températures de travail à chaud sont réduites.

Conclusion

L’austénite joue un rôle unique dans le traitement thermique de l’acier, et le sujet nécessite une compréhension plus profonde que celle présentée ici. Les références énumérées contiennent une foule de bonnes informations sur l’austénite, et le lecteur est encouragé à étudier ce sujet plus en profondeur.

.