Austénite

L'austénite , également connue sous le nom de fer en phase gamma ( γ-Fe ), est un allotrope métallique non magnétique du 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 eutectoïde critique de 1 000 K (727 °C) ; d'autres alliages d' acier ont des températures eutectoïdes différentes. L'allotrope austénite doit son nom à Sir William Chandler Roberts-Austen (1843-1902). Elle existe à température ambiante dans certains aciers inoxydables en raison de la présence de nickel stabilisant l'austénite à des températures plus basses.

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 à faces centrées (FCC) du fer gamma, également appelé austénite. Cette forme est également douce et ductile, mais peut dissoudre beaucoup plus de carbone (jusqu'à 2,03 % en masse à 1 146 °C (2 095 °F)). Cette forme gamma du fer est présente dans le type d' acier inoxydable le plus couramment utilisé pour la fabrication d'équipements hospitaliers et de restauration.

L'austénitisation consiste à 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 de 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 .

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

En modifiant la température d'austénitisation, le processus de trempe austénitique 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 trempée austénitique. La ​​teneur en carbone de l'austénite en fonction du temps de trempe austénitique a été établie.

Lorsque l'austénite 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 stratification de ferrite et de cémentite, appelée perlite , peut se former. Si la vitesse de refroidissement est très rapide, le carbone n'a pas suffisamment de temps pour se diffuser et l'alliage peut subir une grande distorsion du réseau connue sous le nom de transformation martensitique dans laquelle il se transforme en martensite , une structure tétragonale centrée sur le corps (BCT). La vitesse de refroidissement détermine les proportions relatives de martensite, de ferrite et de cémentite, et détermine donc les propriétés mécaniques de l'acier obtenu, telles que la dureté et la résistance à la traction .

Une vitesse de refroidissement élevée des sections épaisses entraînera un gradient thermique important dans le matériau. Les couches extérieures de la pièce traitée thermiquement refroidiront plus rapidement et rétréciront davantage, ce qui entraînera une tension et une contrainte thermique. À des vitesses de refroidissement élevées, le matériau passera de l'austénite à la martensite, qui est beaucoup plus dure et générera des fissures à des déformations beaucoup plus faibles. Le changement de volume (la martensite est moins dense que l'austénite) peut également générer des contraintes. La différence de taux de déformation de la partie intérieure et extérieure de la pièce peut provoquer le développement de fissures dans la partie extérieure, ce qui oblige à utiliser des taux de trempe plus lents 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 une trempabilité accrue. Le revenu suivant la trempe transformera une partie de la martensite fragile en martensite revenue. 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 rendent le produit sujet à une fracture soudaine.

Lors du refroidissement de l'austénite, sa décomposition joue un rôle crucial dans la détermination de la microstructure finale de l'acier. La cinétique de cette transformation est fortement influencée par la morphologie des carbures présents dans le matériau. La présence de carbures grossiers, par exemple, peut ralentir la vitesse de formation de l'austénite lors du recuit intercritique, en raison de leur lente cinétique de dissolution. La perlite, une structure lamellaire composée de couches alternées de ferrite et de cémentite, se forme par des processus coopératifs de nucléation et de croissance à partir de l'austénite. L'épaisseur de ces couches a un impact direct sur les propriétés mécaniques de l'acier.

La décomposition de l'austénite est influencée par la vitesse de refroidissement, qui affecte la morphologie des carbures et donc la structure finale de l'acier. Des vitesses de refroidissement lentes permettent le développement de particules de cémentite grossières aux joints de grains, tandis que des vitesses de refroidissement plus rapides favorisent la formation de fines colonies perlitiques. La température d'enroulement, en particulier, a un impact significatif sur la morphologie du carbure : des températures d'enroulement plus basses (en dessous de la température eutectoïde) favorisent la formation de perlite fine, tandis que des températures plus élevées encouragent la formation de cémentite grossière. Cette différence de morphologie du carbure influence la vitesse et la température auxquelles l'austénite se forme et se décompose lors des traitements thermiques ultérieurs.

Le chauffage de la fonte blanche (contenant du carbure de fer, c'est-à-dire de la cémentite, mais pas de carbone non combiné) 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.

L'ajout de certains éléments d'alliage, tels que le manganèse et le nickel , peut stabiliser la structure austénitique, facilitant ainsi 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 ainsi la température 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 développés sur un cube à faces centrées (fcc) ou un cube en diamant . La croissance épitaxiale de l'austénite sur la face en diamant (100) est réalisable en raison de la correspondance étroite du réseau et de la symétrie de la face en diamant (100) en fcc. Plus d'une monocouche de fer γ peut être développée 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.

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 austénite. Ce comportement est attribué à la nature paramagnétique de l'austénite, tandis que la martensite et la ferrite sont toutes deux fortement ferromagnétiques .

Lors du traitement thermique , un forgeron provoque des changements de phase dans le système fer-carbone pour contrôler les propriétés mécaniques du matériau, souvent en utilisant 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 une mesure approximative de la température . La température est souvent mesurée en observant la température de couleur de la pièce, avec la transition d'un rouge cerise profond à un rouge orangé (815 °C (1 499 °F) à 871 °C (1 600 °F)) correspondant à la formation d'austénite dans l'acier à teneur moyenne et élevée 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 son intensité la plus faible 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 juger avec précision la couleur de la lueur.