A l'état solide les aciers sont de caractère cristallin, le cristal est formé à partir de motif (maille élémentaire) répété périodiquement dans les 3 dimensions de l'espace et formant un réseau de structure, la figure 1 en est une représentation schématique et purement conventionnelle, car aucun cristal ne représente un réseau aussi simple.

Les cristaux ainsi formés peuvent atteindre individuellement des dimensions voisinant le dixième de millimètre et pouvant aller au-delà du centimètre .La zone marquant le passage d'un cristal au cristal voisin est désignée sous le nom de joint, elle est affectée par un changement d'orientation du système cristallin (fig. 2).

Le nom de grain désignant le cristal doit être attribué avec précaution, car il peut s'appliquer à des agrégats constitués de plusieurs cristaux (exemple grain de perlite, fig. 5).

1.3. Solution de carbone ou d'éléments étrangers dans le fer.

Solution solide.

À l'état solide les atomes de fer occupent les positions qui leur sont dévolues aux nœuds du réseau cristallisé (fig. 1). Par contre, les atomes de carbone dont les dimensions sont inférieures à celles des atomes de fer trouvent place dans les espaces vacants du réseau. C'est une solution d'insertion (fig3).

Si un atome différent vient prendre la place de l'atome de fer au noeud du réseau en se substituant à lui, le réseau présente alors une distorsion d'autant plus grande que le diamètre de cet atome est important, c'est une solution de substitution (fig. 4).

Elle intéresse généralement les aciers alliés

1-4. Structure de l'acier.

1-4-.1. A la température ordinaire.

Le fer ne peut contenir en solution qu'une quantité de carbone de l'ordre de 0,006 %. Il porte le nom de ferrite de résistance à la rupture Rm = 300 N/mm2 avec une dureté de 80HB.Si la teneur en carbone est supérieure, il se forme un second constituant composé d'un atome de carbone et de trois atomes de fer, c'est le carbure de fer (CFe3) appelé cémentite. Ce constituant contient 6,7 % de carbone en poids et a une dureté de 700 HB.

Située dans le joint des grains, la cémentite facilite la propagation d'une cassure. Intégrée à un agrégat formé de lamelles alternées de ferrite et de cémentite étroitement associées, elle confère une bonne résistance au métal Sans provoquer de fragilité.

Cet agrégat porte le nom de perlite lamellaire. Le réseau cristallin examiné au § 1.2 est formé de mailles élémentaires de ferrite représentées conventionnellement

fig. 5a. Cette maille appartient au système cubique (fer alpha) magnétique.

A haute température.

(Au dessus de 900 °C pour le fer pur ) La structure de la maille s ‘est modifiée (fig. 5) pour appartenir au système cubique à faces centrées (fer y) amagnétique

La mobilité des atomes allant en croissant avec la température cette nouvelle organisation s'amorce à une température AC1 pour se terminer en AC3 pour un acier (voir diagramme de constitution fig. 5).

Elle donne une configuration au réseau qui prend le nom d'austénite. Elle permet l'insertion d'une teneur en carbone allant jusqu'à 1,7 % pour = 1 130 °C. Etat stable au-dessus de AC3, instable en dessous. Les autres éléments ajoutés au fer, tels que silicium, manganèse, nickel, chrome, tungstène et molybdène (pour ne citer que les plus courants), ont une dimension atomique voisine de celle du fer et forment une solution solide de substitution. Au cours du chauffage, le changement d'organisation des atomes crée une discontinuité dans l'évolution de la dilatation. Cette discontinuité permet de situer par variation de volume les points Ac1 et AC3.

Compte tenu de la structure, du chemin à parcourir par les atomes, de leur dimension, cette transformation peut demander un certain temps.

1-4-3. Au cours du refroidissement.

Plusieurs possibilités.

La réversibilité de transformation se produit, on retrouve après refroidissement les structures initiales d'équilibre, l'énergie de transformation restitue de la chaleur elle permet de définir la position de Ar3 et Ar1, ce phénomène provoque les états recuits.

La température abaissée rapidement limite le déplacement de certains atomes qui restent bloquées dans le réseau de ferrite. On obtient alors un ou des constituants de trempe dont la situation sera examinée ultérieurement.

Ces constituants de la trempe prennent le nom de bainite ou de martensite. Enfin, si aucune modification de la structure austénitique n'a lieu au cours du refroidissement, on conserve l'état austénitique homogène à la température ambiante, c'est l’état d'hypertrempe.

Remarque sur le diagramme d'équilibre (fig. 5).

- A l'état. d'équilibre et à la température ambiante l'acier pourra donc se présenter sous les trois formes suivantes :

-Ferrite + Perlite (aciers hypoeutectoïdes) :

-Perlite (aciers eutectoïdes 0,85 %C) :

-Perlite + carbures (aciers hypereutectoïdes).

- Pour un refroidissement suffisamment lent ou un traitement particulier (oscillation autour de ACl) les particules de carbone évoluent vers une forme sphérique stable, la structure se présente alors sous forme de perlite globulaire.

En pratique la perlite lamellaire est favorable aux travaux d'usinage par enlèvement de métal.

La perlite globulaire, qui conduit à l'adoucissement maximal, facilite l'écoulement de ce dernier en déformation à froid.

1-4-4. États structuraux des aciers trempés.

(Etats hors d'équilibre.)

Bainite. Formée par la transformation de l'austénite dans un intervalle de températures comprises entre celle où se forme la perlite et celle où apparaît la martensite. Entre 400 et 500 °C sa structure est composée d'agrégat assez grossier de ferrite dans laquelle la cémentite a

précipité en bâtonnets ou plaquettes. Elle est nommé bainite supérieure.

Entre 300 et 400 oC elle est composée de ferrite plus ou moins en forme d'aiguilles, contenant une cémentite très finement précipitée. C'est la bainite inférieure.

Martensite. C'est une solution sursaturée en atomes de carbone bloqués dans le fer apha, le réseau subit une distorsion et est le siège de tensions très élevées qui rendent ce

constituant d'autant plus dur et cassant que sa teneur en carbone est plus grande.

La martensite est généralement obtenue par une vitesse de refroidissement assez rapide, mais variable avec la composition de l'acier. Elle se présente sous forme de structure aiguillée, ces

aiguilles sont orientées à l'intérieur de chaque grain d'austénite suivant des directions d'un triangle équilatéral.

Austénite. Les constituants précédents sont issus de la transformation de l'austénite. Une transformation incomplète laisse subsister à la température ambiante de l'austénite résiduelle.

1-4-5. Identification des constituants.

Elle est généralement faite par examen au microscope métallographique d'une surface polie spéculairement et attaquée par des réactifs spécifiques capables de révéler les différents constituants et impuretés des alliages par l'observation du faciès de corrosion obtenu. NFA05-150.

1-4-6. Etat du grain.

Nous avons déjà vu qu'il s'agissait d'un cristal élémentaire d'une structure polycristalline. Il est défini comme une structure polygonale que l'on fait apparaître en réseau sur une coupe micrographique, par une attaque appropriée qui révèle son contour (joint de grain). Le nombre de grains compté par unité de surface (généralement le mm2) définit un indice : plus l'indice est élevé et plus le nombre de grains est grand, donc plus le grain est fin.( Voir NF 04-102.)

1-4-6-1 Influence de sa grosseur.

Un gros grain facilite la transmission de la chaleur et du refroidissement. Par contre Il fragilise l'acier en facilitant la progression d'une cassure (fig. 6), il réduit la résistance aux chocs (résilience) et à la fatigue.Ces raisons sont suffisantes pour montrer que le but des traitements thermiques est aussi celui d'obtenir un grain fin.

1-4-6-2. Mécanisme de l'affinage.

La finesse de la structure résulte de deux recristallisations intervenant successivement au cours du chauffage, puis du refroidissement à partir de germes (fig. 7).

Chauffage. Le passage de l'intervalle de transformation à l'échauffement se traduit par une germination (fig. 8) qui affine le grain en multipliant le nombre.Une augmentation de la vitesse du chauffage accentue encore la multiplication des germes et accroît la finesse du grain d'austénite.

L'affinage est terminé au passage du point AC3. Le grain ainsi formé reste stable pour une marge de température comprise entre AC3 et AC3 + 50 °C, certains précipités de nitrures d'aluminium ou de Niobium améliorent cette stabilité. Au-dessus de cette marge, le grain grossit avec la température et le temps.

Refroidissement. La vitesse de diffusion des atomes diminue rapidement au fur et à mesure de la baisse de température, le ralentissement de la croissance des cristaux qui en résulte permet à de nouveaux germes d'apparaître avant la fin de la transformation, ce qui accentue la finesse de la structure.