Durcissement par seconde phase dans les aciers

Second phase hardening in carbon steel

ARCELOR Innovation R&D, UGINE&ALZ – CRI, BP 15, 62330 Isbergues, France

Auteur de correspondance : schmitt@ads.ecp.fr

Reçu : 10 Juin 2003
Accepté : 7 Novembre 2003

Résumé

Selon la composition chimique et la température, les aciers présentent deux phases à l'équilibre : austénite et ferrite. La solubilité quasi nulle du carbone et de l'azote dans la ferrite à température ambiante favorise la précipitation de carbures et/ou de nitrures pouvant conduire au durcissement de la matrice. Pour les fortes teneurs en carbone, apparaît une phase eutectoïde dure, la perlite, constituée de lamelles de ferrite et de cémentite (carbure de fer). Les aciers ferrito-perlitiques (matrice ferritique avec des îlots de perlite) présentent une limite d'élasticité élevée avec des potentialités d'allongement importantes ; un durcissement complémentaire peut être obtenu par écrouissage (par exemple, les aciers steel cord). Un refroidissement rapide de l'austénitique conduit à des phases métastables dures : la martensite et la bainite. Selon la teneur en carbone et le schéma de refroidissement, on obtient généralement des structures multiphasées à matrice ferritique ; la transformation martensitique se produisant avec un changement de volume, la limite d'élasticité est affectée par la formation de ce constituant. Dans certains cas particuliers, l'austénite résiduelle après refroidissement se transforme progressivement en martensite durant la déformation. Cet effet TRIP (Transformation Induced Plasticity – Transformation induite par la plasticité) permet l'obtention d'une résistance élevée avec une ductilité importante. Ainsi, il est possible d'obtenir différentes familles d'acier couvrant un large domaine d'utilisation. La modélisation de leur comportement mécanique doit permettre de définir les structures optimales pour une tenue mécanique visée.

Abstract

According to the chemical composition of steel and the temperature, two different phases exist: namely, austenite and ferrite. The carbon and nitrogen solubility is very low at room temperature in the ferrite; it favors the precipitation of carbides and/or nitrides, increasing the mechanical resistance of the steel. At higher carbon content, a hard eutectoid phase appears, the pearlite, an alternation of ferrite and cementite (iron carbide) lamellae. The ferrite-pearlite steels (pearlite islands dispersed within the ferrite matrix) exhibit a high yield stress combined with a large elongation; the alloy can be subsequently strain-hardened (e.g. steel-cord wires). A rapid cooling from the austenite state leads to metastable hard phases such as martensite and bainite. Depending on the carbon content and the cooling rate, a multicomponent structure can be obtained with a ferritic matrix: e.g. dual-phase steel structure. As the martensite transformation occurs with a volume change, the yield stress is directly influenced by the appearance of this constituent. In some specific conditions, residual austenite, which is metastable at the end of the cooling, transforms progressively in martensite during a subsequent deformation. This TRIP (Transformation Induced Plasticity) effect gives rise to a high tensile strength combined with a large ductility. Many different steels can thus be obtained for a wide range of mechanical properties. The modeling of their mechanical behavior will be a help for defining the optimal structures to achieve various mechanical properties.