Influence d’éléments d’addition sur les transformations de la martensite revenue dans les aciers faiblement alliés

Effects of alloying elements on the tempering behaviour of a low alloyed steel

• Auteur / Autrice : Muriel Hantcherli
• Direction : Anna Fraczkiewicz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Génie des Matériaux
• Date : Soutenance le 15/04/2010
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, EMSE
• Ecole(s) doctorale(s) : EDSIS 488
• Jury : Président / Présidente : Elisabeth M. Aeby-Gautier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Danoix, Wieslaw Swiatnicki
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Epicier, Patricia Donnadieu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cémentite

Chrome

Silicium

Vanadium

Résistance des matériaux

Aciers alliés

Martensite

Mots clés libres

Éléments d’addition

Austénitisation

Précipitation au revenu

Martensite

Silicium

Vanadium

Chrome

Cémentite alliée

Résistance au revenu

Alloying elements

Austenitisation

Precipitation

Tempering

Martensite

Silicon

Vanadium

Chromium

Cementite

Résumé

L’objectif de ce travail est d’optimiser la résistance au revenu d’un acier martensitique à 0,6% de carbone, faiblement allié en Cr, V, et Si/Al. Une série d’alliage modèle ternaire de haute pureté (Fe-C-X, X=Cr, V, Si, Al) a été élaborée à l’EMSE par fusion en creuset froid.. L’étude du comportement des alliages a été réalisée au moyen d’une caractérisation fine de la précipitation (Diffraction RX, MEB-FEG, MET) complétée par des mesures dilatométriques. Le comportement des alliages modèles a été comparé à celui de l’alliage industriel. Le vanadium est responsable de deux effets : (i) les carbures de vanadium bloquent la croissance des grains au cours de l’austénitisation ; (ii) le vanadium dissous permet la précipitation d’une cémentite (V,Cr,Fe)3C à l’origine d’un pic de durcissement secondaire pour un revenu vers 550°C. Le silicium a un effet particulier : il stabilise la matrice martensitique et retarde la précipitation de la cémentite vers des températures de revenu plus élevées, augmentant ainsi la résistance au revenu. Cependant, le silicium se révèle nocif pour le procédé industriel de mise en forme utilisé. Deux nouveaux alliages ont alors été élaborés pour chercher un élément de substitution à l’aluminium : un alliage ou le silicium est remplacé par l’aluminium, et un alliage ou le silicium est absent. L’aluminium reste neutre dans l’alliage mais l’étude de ces deux nuances a permis de mettre en évidence la possibilité d’utiliser une nuance ne contenant pas de silicium mais présentant une résistance au revenu comparable a celle de la nuance industrielle, du fait de la présence conjointe du chrome et du vanadium.

The purpose of this work is to optimise the strength of a tempered martensitic medium C steel, containing low-level of Cr, V and Si/Al. A series of high purity "model" ternary alloys (Fe-C–X, X=Cr, V, Si, Al) was prepared (EMSE) by the cold crucible method. The initial structures of quenched alloys were optimised through appropriate austenitizing conditions. Analysis of alloys behaviour on tempering was performed through carbide precipitation characterisation (X-ray diffraction, SEM and TEM), completed by hardness and dilatometric measurements. The behaviour of "model" alloys was compared to that of the industrial material.Vanadium addition is responsible for two effects: (i) vanadium carbides lock the grain growth during the austenitizing; (ii) dissolved vanadium promotes the precipitation of (V,Cr)3C, that is at the origin of a secondary hardening peak near 550°C. Silicon addition has an interesting effect, as it stabilises the martensitic matrix and increases the temperature of cementite precipitation. Therefore, a high value of hardness is conserved up to high tempering temperatures.Unfortunately, because of some noxious properties, the industrial process in concern excludes the presence of Si. That’s why two new model alloys have been prepared and tested, in which the silicon addition (i) was absent, or (ii) replaced by Al.Aluminium has been shown to be "neuter" vs tempering behaviour. Moreover, the interesting effect of secondary hardening (550°C) has been observed in both Si-free steels, showing that alloying with only Cr and V can be enough to get the expected behaviour of the studied steel.