Td Ttt

Exercice 1

TD sur les Diagrammes TTT &TRC

En considérant E idé l diagramme le di TTT de d l’acier l’ i 3140 (0.4%C, Mn, Si, Cr, Ni..). Répondez à ces questions? où T = température de trempe (en °C) C) et t = temps de transformation. transformation a) Quelle est la température minimale d’austénitisation ? b) T = 700 / t = 3s. Quelles sont les phases en présence ? c) T = 700 / t = 20 s. s Quelles sont les phases en présence ? d) T = 650 / t = 100s. Quels sont les constituants en présence? Quelle est la dureté ? e) T = 450 / t = 20s. puis trempe à l’eau à 20 °C. Quels sont les constituants en présence? f) Trempe à l’eau à 20 °C. Quels sont les constituants en présence? Quelle est la dureté ?

Solution

a)) Température p minimale d’austénitisation Il faut austénitiser l’acier (mise en solution du carbone dans l’austénite) à une température au moins égale à la température A3 indiquée sur le diagramme TTT. 792 °C C b) Phases en présence après trempe à 700 °C et maintien de 3s. Le point représentatif est dans le domaine de ll’austénite austénite γ instable. instable γ instable. c) Phases en présence après trempe à 700 °C et maintien de 20s. 20s Le point représentatif est dans le domaine de l’austénite γ instable et de la ferrite α stable. γ instable i bl et α stable. bl d) Constituants en présence après trempe à 650 °C et maintien de 100 s. Dureté Le point représentatif est dans le domaine de la ferrite α et du carbure de fer. Les constituants sont donc de la ferrite et de la perlite. La transformation étant complète, ll’acier acier a une dureté de 13 HRC après refroidissement à 20 °C C α stable et perlite13 HRC

e)) Constituants en p présence après p trempe p à 450 °C / maintien de 20 s,, suivi d’une trempe à 20 °C Vingt secondes de transformation à 450 °C conduisent à une microstructure formée dd’austénite austénite γ instable et de bainite stable. stable Si ll’on on trempe cette microstructure à 20 °C, la bainite stable ne subit aucune modification, alors que l’austénite instable se transforme en martensite. Les constituants présents à la fin du traitement sont donc de la bainite et de la martensite. martensite Bainite et Martensite. f) Constituants en présence après trempe à 20 °C. °C Dureté L’austénite s’est transformée en martensite, dont la dureté est égale à 58 HRC. Martensite58 HRC. M Martensite i 58 HRC

Exercice 2

TD sur les Diagrammes TTT &TRC

En considérant le diagramme TRC de l’acier 35NC6. Répondez à ces questions? a) A quelle température doit être austénitisé cet acier ? b) Quelle structure et quelle dureté doit-on obtenir si on refroidit cet acier de 900 900°C C à la température ambiante en 02 minutes ? c) Etudier les transformations de phases au cours du refroidissement des courbes 1, 2, 5 et 10.

Courbe 1

Solution

a) Température d’austénitisation Il faut austénitiser l’acier (mise en solution du carbone dans l’austénite) à une température égale AC3 + 50 pour un acier hypoeutectoide (0.35%m C) 840 °C C b) structure et dureté de l’acier 35NC6 Si on refroidit l’acier 35NC6 de 900°C à la température p ambiante, on obtient les structures suivantes: - Après 36 s : 5% de bainite à T = 330°C. - Après 40 s : martensite à 320 320°C C - Après 120 s : 100 – 5 = 95% martensite. La structure finale est composée de : 5% de bainite + 95% martensite. La dureté correspondante est de: 54 HRC c) Transformations de phases Courbe 01: Entre 440°C et 330°C, il y a apparition de 01 % de bainite. À partir de 330°C. (point M50)) il y a 50 – 1 = 49% l’austénite se transforme en martensite. À 280°C (p martensite. En dessous et jusqu’à la température ambiante la structure finale se compose de 01 % de bainite + 99% martensite avec une dureté de 55 HRC.

Courbe 02: Entre 550°C et 330°C, il y a apparition de 05 % de bainite. À partir de 330°C. l’austénite se transforme en martensite. À 280°C (point M50) il y a 50 – 5 = 45% martensite. En dessous et jjusqu’à q la température p ambiante la structure finale se compose de 05 % de bainite + 95% martensite avec une dureté de 54 HRC. Courbe 05: Après un temps de 60 s, on obtient 20% de ferrite à la température de 620°C. ensuite entre 620°C et 610°C, on obtient 5% perlite. Ensuite entre 610°C et 380°C on obtient bti t 65% bainite. b i it En E dessous d ett jusqu’à j ’à la l température t é t ambiante bi t la l structure t t finale se compose de 20% de ferrite + 5% perlite + 65% bainite + 10% martensite avec une dureté de 30 HRC. Courbe 10: Après un temps de 1000 s, on obtient 50% de ferrite à la température de 695 695°C C. ensuite entre 695°C et 660°C, on obtient 50% perlite. à la température ambiante la structure finale se compose de 50% de ferrite + 50% perlite avec une dureté de 191 HV. HV

Exercice 3

- Un petit échantillon en acier à 1,2 % C est porté pendant 20 mn à la température θ°C, puis refroidi très rapidement à - 100°C. On mesurera sa dureté HV après réchauffage à 20°C. a) Calculer la constitution physico-chimique à la fin du séjour pour les valeurs de θ : 750, 800, 870 °C. (les titres de l'austénite en C étant alors respectivement 0.86, 1 et 1,2). b) Même question à la fin de l’expérience. On suppose que pour l'austénite à 1,2 %C, la proportion de la martensite à –100°C est de 0,8 c) Calculez la dureté HV de l'acier dans les trois cas considérés à l'aide des valeurs approximatives suivantes : (Cémentite : 840); (Austénite : 200); (Martensite : 920 pour C = 0.86 ; 980 pour C = 1 ; 1020 pour C = 1.2). On suppose que la dureté obéit à la loi des mélanges.

Solution

a) Calcul de la constitution physico-chimique à la fin du séjour

b) Calcul de la constitution physico-chimique à la fin de l’expérience

b) Calcul de la dureté HV HV de: ((Cémentite : 840); ); (Austénite ( : 200); ); (Martensite : 920 pour C = 0.86 ; 980 pour C = 1 ; 1020 pour C = 1.2).

Exercice 4 Vous disposez dd’un un acier (alliage « fer – carbone »). ») Cependant, Cependant après avoir chauffé cet acier à 850 °C et l’avoir laissé refroidir lentement au four jusqu’à la température ambiante (20 °C), vous constatez, sur une métallographie de cet acier, qu’il contient 91,3 %m de f i α et 8,7 ferrite 8 7 %m % de d cémentite é i Fe F 3C. C Répondre Ré d aux questions i suivantes i : a) Quelle est la composition nominale C0 (%m) en carbone de cet acier ? b) À 724 °C, quelles sont les phases en présence, leur composition et leur fraction massique respective (en %m) ? c) Quelle est la fraction massique de perlite présente dans l’acier à la température ambiante,, à la fin du refroidissement lent ? Connaissant maintenant la composition nominale de l’acier, vous mettez la main sur son diagramme TTT et vous êtes en mesure de prévoir les constituants présents dans cet acier qui après avoir complètement été austénitisé à 850 °C qui, C, aura subi les traitements thermiques suivants : 1. Trempe à 700 °C et maintien à cette température pendant 100 s, refroidissement quelconque l j jusqu’à l l’ambiante. bi 2. Trempe à l’eau à 20 °C. 3. Trempe à 400 °C, maintien à cette température pendant 20 s et trempe à l’eau à 20 °C. d) Quels sont les constituants présents dans l’acier et la dureté de l’acier après chacun de ces traitements ?

Solution

a) Composition nominale de l’acier en carbone. Connaissant Co a ssa t laa va valeur eu des fractions act o s massiques ass ques so soitt de ferrite e te ((Xα), so soitt de cé cémentite e t te (XFe3C), on applique la règle des segments inverses afin d’en déduire la composition nominale C0de ll’acier acier. En raisonnant par exemple avec la ferrite, on obtient ainsi : Xα = (CFe3C – C0) / (CFe3C – Cα)



C0 = CFe3C – Xα (CFe3C – Cα).

À température ambiante, la solubilité du carbone dans la ferrite est négligeable et Cα ≅ 0 Donc :

C0≅ CFe3C – Xα(CFe3C) = 6,68 – (0,913 x 6,68) C0 = 0,58 %m C

b) Phases en présence à 724 °C C phases

Composition (%m. C)

Proportion (%m)

Austénite

0.8

(0,58 – 0,02)/(0,8 – 0,02) = 71.8%

F it α Ferrite

0 02 0.02

(0 8 – 0,58)/(0,8 (0,8 0 58)/(0 8 – 0,02) 0 02) = 28.2% 28 2%

c)) Fraction F ti massique i de d perlite lit à 20 °C La perlite se forme à 723 °C au cours de la réaction eutectoïde que subit l’austénite présente à 724 °C. Par conséquent la fraction massique de perlite (Xp) est égale g à la fraction massique q d’austénite p présente à 724 °C et calculée à la question ci-dessus.

X p = 71.8 %m

à 723

X p = 72.5 72 5 %m %

à Tamb

d) Co Constituants st tua ts et dureté du eté de l’acier ac e après ap ès traitement t a te e t thermique t e que

Traitement

Constituants

Trempe à 700 °C , maintien pendant 100 s, -

Ferrite (α)

Dureté (HRC) 14

refroidissement quelconque jusqu’à Tamb

-

Perlite

Trempe à l’eau à 20 °C

-

Martensite

62

Trempe à 400 °C, maintien pendant 20 s

-

Bainite

ND

et trempe à l’eau à 20 °C

-

Martensite

(Indéterminée)

Exercice 5

Aux aciers 1340 et 4140, vous appliquez les traitements thermiques suivants : Traitement A

Caractéristiques 1. Austénitisation à 850 °C, 30 min. 2 Trempe à 650 2. 6 0 °C C et maintien i i pendant d 1000 s. 3. Refroidissement quelconque jusqu’à 20 °C.

B

1. Austénitisation à 850 °C,, 30 min. 2. Trempe à 600 °C et maintien pendant 100 s. 3. Trempe à l’eau à 20 °C.

C

11. Austénitisation A té iti ti à 850 °C, °C 30 min. i 2. Trempe à 400 °C et maintien pendant 300 s. 3. Trempe à l’eau à 20 °C

Pour chacun de ces aciers et pour chacun des traitements thermiques subis, dites quels sont les constituants et la dureté finale de l’acier (voir diagrammes TTT). Traitement  A acier  1340

Constituants Dureté (HRC)

acier  4140

Constituants Dureté (HRC)

Traitement  B

Traitement  C

Solution

Dureté Constitu uants (HRC)

Acier 1340

Traitement A

Traitement B

Traitement C

Ferrite + Perlite (grossière)

Ferrite (très peu) + Perlite (fine)

Bainite (inférieure) + Martensite (peu)

15

23

Indéterminée

D Dureté Constitu uants ((HRC)

Acier 4140

T it Traitement t A

T it Traitement t B

T it Traitement t C

Ferrite + Perlite

Ferrite + Martensite

Bainite (inférieure)

20

Indéterminée

46

Exercice 6

Les fontes,, composées p essentiellement de fer contenant de 2,5 , à 5 %m. de carbone C,, sont des alliages ferreux fréquemment utilisés, car elles sont bon marché. En annexe, vous disposez du diagramme Fe-C (jusqu’à 6,68m%C) et vous étudiez le d'une 3 0 %m C qui a été portée à ll’état refroidissement à ll'équilibre équilibre d une fonte à 3,0 état liquide: a) Quel est le type de cette fonte b) Quelles sont les températures de début (θd) et de fin (θf) de solidification de cette fonte (en °C) C) ? c) À 1000°C, quelles sont les phases en présence, leur composition respective et leurs proportions (en %m) ? °C quels l sontt les l constituants tit t de d cette tt ffonte, t leur l iti respective ti ett d) À 722 °C, composition leurs proportions (en %m) ? e) Que se passe-t-il dans cette fonte lorsqu’elle est refroidie à l’équilibre de 722°C jusqu’à 20°C ? Donner la(les) bonne(s) réponse(s).  1- Les pphases existant à 722 °C n’évoluent plus p au cours du refroidissement 2-La perlite se décompose progressivement en ferrite α et en cémentite Fe3C 3- Il y a précipitation fine de cémentite dans ou autour de la ferrite. 44- La cémentite se décompose en ferrite et en perlite 5- La ferrite s'appauvrit en carbone.

Solution

a) Type de fonte fonte.

C’est C est une fonte blanche hypoeutectique. hypoeutectique

b) Température de début et de fin de solidification. Voir figure (lignes (1)) θd = 1300 ± 10 °C0.5 θf = 1147 °C0.5 c)) Ph Phases en présence é à 1000 °C. °C Voir V i figure fi (lignes (li (2)) Phase

Composition (%m. C)

Proportion (%m)

Austénite (γ) Cémentite (Fe3C)

11,66 6,68

(6,68 (6 68 – 3)/(6,68 3)/(6 68 – 1,6) 1 6) = 72,44 % (3 – 1,6)/(6,68 – 1,6) = 27,56 %

p à 722 °C. Voir figure g ((lignes g (3)) ( )) d)) Constituants en présence Constituant Perlite Cémentite (Fe3C)

Composition (%m. C) 0,8 6,68

Proportion (%m) (6,68 – 3)/(6,68 – 0,8) = 62,60 % (3 – 0,8)/(6,68 – 0,8) = 37,40 %

e)) Refroidissement à l’équilibre q de 722 à 20 °C. 3- Il y a précipitation fine de cémentite dans ou autour de la ferrite. 5- La ferrite s'appauvrit en carbone

Exercice 7

L’acier 5160 est fréquemment utilisé dans l’industrie de l’automobile pour fabriquer q des ressorts hélicoïdaux ou des barres de torsion. Sa composition p chimique est la suivante : C = 0,6 %m, Mn = 0,9 %m, Cr = 0,9 %m. a)

En supposant que cet acier obéit au diagramme binaire Fe – C, quelles sont les phases présentes dans l’acier, leur composition (en %m C) et leur proportion (en %) aux températures suivantes : 800 °C, 724 °C et 722 °C ?

b) À 722 °C, quels sont les constituants de cet acier, leur composition (en %m C) et leur proportion (en %) ?

Solution a)) Phases en équilibre q à diverses températures p

b) C Constituants tit t en équilibre é ilib à 722 °C