Recherche
En science des matériaux et en génie métallurgique, acier inoxydable martensitique a attiré une attention considérable pour sa capacité de durcissement unique. Comprendre son mécanisme de durcissement est crucial pour optimiser les propriétés des matériaux et guider les processus de traitement thermique. Le durcissement de l'acier inoxydable martensitique est essentiellement un processus complexe dans lequel l'austénite métastable subit une transformation de phase sans diffusion pendant le refroidissement rapide (extinction) à une solution solide supersaturée, à savoir la martensite.
Austénite: préparation avant la trempe
Le processus de trempe commence par le chauffage. L'acier inoxydable martensitique est chauffé à une température suffisamment élevée, généralement entre 850 ° C et 1050 ° C, pour transformer complètement ou largement sa structure interne en austénite. L'austénite est une solution solide avec une structure cubique centrée sur le visage (FCC). À cette température élevée, les atomes de carbone et de chrome dans l'alliage sont entièrement dissous dans le réseau d'austénite. L'austénite présente une bonne plasticité mais une dureté relativement faible, préparant la structure de l'extinction ultérieure.
Extinction: une transformation de phase critique
La trempe est l'étape de base pour atteindre la dureté. Lorsque l'acier est rapidement refroidi à partir de la température à austénitation, les atomes de carbone n'ont pas suffisamment de temps pour diffuser hors du réseau cristallin. En raison de la baisse rapide de la température, le réseau cubique centré sur le visage (FCC) de l'austénite devient instable. Pour s'adapter aux conditions à basse température, le réseau doit se transformer. Cependant, les atomes de carbone sont incapables de diffuser et de devenir "piégés" dans la nouvelle structure de réseau. Cette restructuration rapide de réseau sans diffusion conduit à la transformation de l'austénite en martensite.
La martensite a une structure de réseau tétragonale (BCT) centrée sur le corps. Comparé à la structure FCC de l'austénite, le réseau BCT est "étiré" le long de l'axe C par les atomes de carbone, tout en étant comprimé le long des axes A et B. Cette distorsion du réseau crée un stress interne important, qui est la raison fondamentale de la dureté élevée de Martensite. Imaginez, au niveau microscopique, les innombrables atomes de carbone piégés agissent comme des ongles, empêchant le mouvement entre les couches de réseau, augmentant ainsi considérablement la dureté et la résistance du matériau.
Caractéristiques et facteurs d'influence de la transformation martensitique
La transformation martensitique a plusieurs caractéristiques notables:
Sans diffusion: c'est la différence la plus fondamentale entre la transformation martensitique et les transformations de phase de type diffusion traditionnelles. Les atomes de carbone et d'alliage ne subissent presque pas de diffusion à longue distance, entraînant une transformation de phase extrêmement rapide, complète en moins d'une seconde.
Mécanisme de cisaillement: La transformation de phase se produit par le cisaillement coordonné des couches atomiques. La reconfiguration du réseau agit comme une paire de ciseaux, avec une couche atomique glissant et tirant avec elle des couches atomiques adjacentes. Ce processus de cisaillement crée la structure lamellaire ou feuilletée unique à la martensite.
Transformation de phase indépendante du temps: La température de transformation martensitique (MS) et la température de finition martensitique (MF) sont des facteurs clés pour déterminer si une transformation de phase se produit. La transformation de phase commence immédiatement en dessous du point MS et se termine sous le point MF. L'étendue de la transformation de phase dépend uniquement de la température de refroidissement finale et est indépendante de la durée de la transformation de phase à cette température.
De nombreux facteurs influencent l'effet de durcissement, mais deux sont les plus importants:
Contenu en carbone: le carbone est l'élément de durcissement le plus important de l'acier inoxydable martensitique. Plus la teneur en carbone est élevée, plus la distorsion du réseau de la martensite s'est formée après l'extinction, et plus la dureté est élevée. Par exemple, l'acier inoxydable 440c a une dureté extrêmement élevée en raison de sa teneur élevée en carbone.
Éléments d'alliage: En plus du carbone, les éléments d'alliage tels que le chrome, le molybdène et le vanadium sont également cruciaux. Ils abaissent la température de transformation martensitique (MS) et augmentent la durabilité. La durabilité fait référence à la capacité de l'acier à former la martensite de la surface au noyau pendant la trempe. En se dissolvant en austénite, ces éléments d'alliage retardent la formation de phases de diffusion telles que la perlite et la bainite, fournissant une "fenêtre" plus longue pour la transformation martensitique.
Tempérant: équilibrer la dureté et la ténacité
La martensite après extinction est extrêmement difficile, mais elle présente également des contraintes internes importantes et une forte fragilité, ce qui rend difficile l'utilisation directement. Par conséquent, la température est nécessaire. Le tempérament implique de réchauffer l'acier trempé à une température en dessous du point MS et de le maintenir à cette température pendant une période de temps. Le but de la température est de libérer des contraintes internes et d'améliorer la ténacité du matériau tout en maintenant une dureté élevée. Pendant le processus de tempérament, les atomes de carbone sursaturés précipitent du réseau de martensite, formant de beaux carbures dispersés dans toute la matrice de ferrite. Ce mécanisme de renforcement des précipitations permet au matériau de maintenir une forte résistance tout en améliorant la ténacité. Différentes températures de tempérament produisent différentes microstructures et propriétés. Par exemple, la température à basse température (environ 150-250 ° C) maintient principalement la dureté élevée, tandis que la température à haute température (environ 500 à 650 ° C) améliore considérablement la ténacité et la ductilité, mais réduit la dureté.
