Austénite - Austenite

Diagramme de phase fer-carbone, montrant les conditions dans lesquelles l' austénite (γ) est stable dans l'acier au carbone.
Allotropes de fer; fer alpha et fer gamma

L'austénite , également connue sous le nom de fer en phase gamma ( -Fe ), est un allotrope métallique non magnétique de fer ou une solution solide de fer , avec un élément d' alliage . Dans l' acier au carbone ordinaire , l'austénite existe au-dessus de la température critique d' eutectoïde de 1000 K (727 °C); d'autres alliages d' acier ont des températures eutectoïdes différentes. L'allotrope d'austénite porte le nom de Sir William Chandler Roberts-Austen (1843-1902); il existe à température ambiante dans certains aciers inoxydables en raison de la présence de nickel stabilisant l'austénite à des températures plus basses.

Allotrope de fer

De 912 à 1 394 °C (1 674 à 2 541 °F), le fer alpha subit une transition de phase de la configuration cubique centrée sur le corps (BCC) à la configuration cubique centrée sur le visage (FCC) du fer gamma, également appelée austénite. Celui-ci est également mou et ductile, mais peut dissoudre considérablement plus de carbone (jusqu'à 2,03 % en masse à 1 146 °C (2 095 °F)). Cette forme gamma de fer est présente dans le type d' acier inoxydable le plus couramment utilisé pour la fabrication d'équipements hospitaliers et de restauration.

Matériel

L'austénitisation signifie chauffer le fer, le métal à base de fer ou l'acier à une température à laquelle il modifie la structure cristalline de la ferrite à l'austénite. La structure plus ouverte de l'austénite est alors capable d'absorber le carbone des carbures de fer dans l'acier au carbone. Une austénitisation initiale incomplète peut laisser des carbures non dissous dans la matrice.

Pour certains métaux ferreux, métaux à base de fer et aciers, la présence de carbures peut se produire lors de l'étape d'austénitisation. Le terme couramment utilisé pour cela est austénitisation à deux phases .

au tempérament

L'austreming est un processus de durcissement utilisé sur les métaux à base de fer pour favoriser de meilleures propriétés mécaniques. Le métal est chauffé dans la région austénitique du diagramme de phase fer- cémentite , puis trempé dans un bain de sel ou un autre moyen d'extraction de chaleur à des températures comprises entre 300 et 375 °C (572-707 °F). Le métal est recuit dans cette plage de température jusqu'à ce que l'austénite se transforme en bainite ou en ausferrite (ferrite bainitique + austénite à haute teneur en carbone).

En changeant la température d'austénitisation, le processus d'austénitisation peut produire des microstructures différentes et souhaitées. Une température d'austénitisation plus élevée peut produire une teneur en carbone plus élevée dans l'austénite, tandis qu'une température plus basse produit une distribution plus uniforme de la structure austénite. La teneur en carbone de l'austénite en fonction du temps d'austénite a été établie.

Comportement en acier au carbone brut

Au fur et à mesure que l'austénite se refroidit, le carbone se diffuse hors de l'austénite et forme du carbure de fer riche en carbone (cémentite) et laisse derrière lui de la ferrite pauvre en carbone . Selon la composition de l'alliage, une couche de ferrite et de cémentite, appelée perlite , peut se former. Si la vitesse de refroidissement est très rapide, le carbone n'a pas assez de temps pour diffuser et l'alliage peut subir une grande distorsion de réseau connue sous le nom de transformation martensitique dans laquelle il se transforme en martensite , une structure tétragonale centrée (BCT). le refroidissement détermine les proportions relatives de martensite, de ferrite et de cémentite, et détermine donc les propriétés mécaniques de l'acier résultant, telles que la dureté et la résistance à la traction .

Une vitesse de refroidissement élevée des sections épaisses provoquera un gradient thermique important dans le matériau. Les couches extérieures de la pièce traitée thermiquement se refroidiront plus rapidement et se rétracteront davantage, la faisant subir une tension et une coloration thermique. À des vitesses de refroidissement élevées, le matériau passera de l'austénite à la martensite, ce qui est beaucoup plus dur et générera des fissures à des contraintes beaucoup plus faibles. Le changement de volume (la martensite est moins dense que l'austénite) peut également générer des contraintes. La différence des vitesses de déformation de la partie interne et externe de la pièce peut provoquer le développement de fissures dans la partie externe, obligeant l'utilisation de vitesses de trempe plus lentes pour éviter cela. En alliant l'acier au tungstène , la diffusion du carbone est ralentie et la transformation en allotrope BCT se produit à des températures plus basses, évitant ainsi la fissuration. On dit qu'un tel matériau a sa trempabilité augmentée. Le revenu suivant la trempe transformera une partie de la martensite fragile en martensite revenu. Si un acier à faible trempabilité est trempé, une quantité importante d'austénite sera retenue dans la microstructure, laissant l'acier avec des contraintes internes qui laissent le produit sujet à une rupture soudaine.

Comportement en fonte

Le chauffage de la fonte blanche au-dessus de 727 °C (1 341 °F) provoque la formation d'austénite dans les cristaux de cémentite primaire. Cette austénisation du fer blanc se produit dans la cémentite primaire à la limite d'interphase avec la ferrite. Lorsque les grains d'austénite se forment dans la cémentite, ils se présentent sous forme d'amas lamellaires orientés le long de la surface de la couche cristalline de cémentite. L'austénite est formée par diffusion d'atomes de carbone de la cémentite dans la ferrite.

Stabilisation

L'ajout de certains éléments d'alliage, tels que le manganèse et le nickel , peut stabiliser la structure austénitique, facilitant le traitement thermique des aciers faiblement alliés . Dans le cas extrême de l' acier inoxydable austénitique , une teneur en alliage beaucoup plus élevée rend cette structure stable même à température ambiante. D'autre part, des éléments tels que le silicium , le molybdène et le chrome ont tendance à déstabiliser l'austénite, augmentant la température de l'eutectoïde.

L'austénite n'est stable qu'au-dessus de 910 °C (1 670 °F) sous forme de métal en vrac. Cependant, les métaux de transition fcc peuvent être cultivés sur un cube à faces centrées (fcc) ou un cube en diamant . La croissance épitaxiale de l'austénite sur la face du diamant (100) est réalisable en raison de l'étroite correspondance de réseau et la symétrie de la face du diamant (100) est fcc. Il est possible de faire croître plus d'une monocouche de fer car l'épaisseur critique de la multicouche contrainte est supérieure à celle d'une monocouche. L'épaisseur critique déterminée est en accord étroit avec la prédiction théorique.

Transformation austénite et point de Curie

Dans de nombreux alliages ferreux magnétiques, le point de Curie , la température à laquelle les matériaux magnétiques cessent de se comporter magnétiquement, se produit à peu près à la même température que la transformation de l'austénite. Ce comportement est attribué à la nature paramagnétique de l'austénite, alors que la martensite et la ferrite sont fortement ferromagnétiques .

Émission thermo-optique

Au cours du traitement thermique , un forgeron provoque des changements de phase dans le système fer-carbone afin de contrôler les propriétés mécaniques du matériau, en utilisant souvent les processus de recuit, de trempe et de revenu. Dans ce contexte, la couleur de la lumière, ou « rayonnement du corps noir », émise par la pièce est un indicateur approximatif de la température . La température est souvent mesurée en observant la température de couleur de l'œuvre, avec le passage d'un rouge cerise foncé à rouge orangé (815 °C (1 499 °F) à 871 °C (1 600 °F)) correspondant à la formation de austénite dans les aciers à moyenne et haute teneur en carbone. Dans le spectre visible, cette lueur augmente en luminosité à mesure que la température augmente. Lorsqu'elle est rouge cerise, la lueur est proche de sa plus faible intensité et peut ne pas être visible à la lumière ambiante. Par conséquent, les forgerons austénitisent généralement l'acier dans des conditions de faible luminosité, pour aider à évaluer avec précision la couleur de la lueur.

Voir également

Les références