Microstructures de l’acier après traitement thermique

Ce qu’une microstructure d’acier enregistre après un traitement thermique

La microstructure comme enregistrement de l’histoire thermique

Le traitement thermique modifie principalement les propriétés de l’acier en transformant sa microstructure, et non en lui ajoutant une dureté qui constituerait une qualité distincte. NPTEL établit directement cette relation entre procédé et propriétés dans son étude de 2024 sur le traitement thermique de l’acier. Le chauffage, le maintien et le refroidissement modifient les phases qui se forment, la quantité de carbone susceptible de se déplacer et les zones où les éléments d’alliage se concentrent. La structure finale enregistre donc une histoire thermique : l’état de l’acier avant le chauffage, le traitement d’austénitisation, le temps disponible pour la diffusion, le parcours de refroidissement, ainsi que tout revenu ou recuit ultérieur.

L’austénite constitue l’état parent central de cet enregistrement. Pendant le chauffage, la ferrite et la cémentite peuvent se transformer en austénite, une phase du fer capable de dissoudre beaucoup plus de carbone que la ferrite. Cela ne signifie pas que chaque atome atteint instantanément une répartition uniforme. Le carbone doit diffuser, la cémentite doit se dissoudre dans la mesure nécessaire et les éléments d’alliage peuvent ralentir ou réorienter ces processus. L’austénite ainsi obtenue peut ensuite se décomposer selon plusieurs voies.

L’histoire du refroidissement détermine la voie prédominante. Dans un acier hypoeutectoïde, un refroidissement continu produit généralement de la ferrite allotriomorphe et de la perlite, selon le Phase Transformations Group de l’Université de Cambridge en 2011. Avec une modification du parcours de refroidissement ou une trempabilité accrue, la structure peut évoluer vers de la perlite plus fine, de la bainite, de la martensite et de l’austénite retenue. Il ne s’agit pas simplement de positions sur une échelle de vitesse de refroidissement. La composition, la structure des grains d’austénite antérieure, l’activité du carbone, la dimension de la section et les effets des éléments d’alliage influencent tous les transformations.

Une transformation lente laisse au carbone le temps de se répartir entre la ferrite riche en fer et le carbure de fer. Une voie rapide peut supprimer une grande partie de cette diffusion et imposer une transformation displacive en martensite. Les voies intermédiaires peuvent produire de la bainite, dont la formation associe une transformation ferritique, une redistribution du carbone et la formation de carbures. La trempe n’explique donc pas à elle seule la dureté d’un acier. Elle constitue un élément d’une séquence qui détermine si l’austénite devient de la martensite, de la bainite, de la perlite, de la ferrite ou un mélange contenant de l’austénite retenue.

Phases, constituants, morphologie et distribution

Une phase est une région présentant une structure cristalline et un état chimique définis, tandis qu’un constituant est une combinaison structurale reconnaissable pouvant contenir plusieurs phases. La ferrite et la cémentite sont des phases. La perlite est un constituant formé de ferrite et de cémentite, généralement disposées en lamelles alternées. La bainite est également un constituant : ScienceDirect la décrit comme une structure ferritique–Fe3C non lamellaire. La martensite est une phase du fer transformée et sursaturée, dont la teneur en carbone et la morphologie reflètent l’austénite à partir de laquelle elle s’est formée. L’austénite retenue est l’austénite qui subsiste après le refroidissement au lieu de se transformer.

Les noms seuls ne décrivent pas la disposition visible. La ferrite peut se présenter sous forme de grains allotriomorphes le long des joints des anciens grains d’austénite, ou sous forme de plaques de Widmanstätten s’étendant dans l’austénite. La perlite peut être grossière, avec des lamelles de cémentite largement espacées, ou fine, avec un espacement beaucoup plus réduit. ScienceDirect indique que la perlite grossière formée à des températures de transformation plus élevées est relativement tendre, tandis que la perlite fine est plus résistante. La distinction est donc à la fois morphologique et compositionnelle.

La bainite présente elle aussi plusieurs aspects. La bainite supérieure contient de la ferrite et des carbures selon une disposition associée à une transformation dans la partie supérieure de la plage bainitique ; la bainite inférieure se forme avec une distribution plus fine des carbures au sein de la ferrite ou en étroite association avec celle-ci. ScienceDirect précise que la bainite inférieure est plus dure que la bainite supérieure. Cette différence ne peut pas être déduite du seul mot « bainite ».

Le traitement thermique peut également modifier la morphologie sans remplacer toutes les phases. Lors de la sphéroïdisation, le Phase Transformations Group de l’Université de Cambridge a indiqué en 2008 que les lamelles de cémentite perlitique deviennent des particules. L’acier contient toujours de la ferrite et de la cémentite, mais la disposition des particules modifie la résistance à la déformation, le comportement lors de l’usinage et les voies disponibles pour les transformations ultérieures. La distribution est importante : un carbure situé à un joint de grain n’a pas le même effet structural qu’un carbure finement dispersé à l’intérieur de la ferrite.

Les références d’ASM International de 2024 identifient l’austénite, la ferrite, la diffusion du carbone, la bainite, la cémentite, la martensite, la perlite et les transformations de phase comme les sujets fondamentaux nécessaires à l’interprétation de ces structures. Sa description de 2024 définit les microstructures des aciers traités thermiquement comme des associations de fer, de carbone et d’autres éléments d’alliage qui forment de la ferrite, de la bainite, de la cémentite, de la martensite et de la perlite. La description utile est donc la suivante : « quelles phases et quels constituants sont présents, dans quelles proportions, et avec quelle morphologie et quelle distribution ».

Pourquoi la dureté seule constitue une description incomplète

Des valeurs de dureté similaires peuvent apparaître dans des aciers présentant des combinaisons de phases et des morphologies différentes ; la dureté seule ne permet donc pas d’identifier les produits de transformation. Limited evidence

La dureté réduit une structure complexe à une seule réponse mesurée. Elle peut indiquer la résistance à l’indentation, mais elle n’identifie pas les produits de transformation à l’origine de cette réponse. Deux aciers peuvent présenter une dureté similaire tout en contenant des combinaisons différentes de perlite fine, de bainite, de martensite et d’austénite retenue. Leur ténacité, leur ductilité, leur stabilité dimensionnelle, leur comportement en fatigue et leur réponse au revenu peuvent néanmoins différer.

La martensite augmente souvent la dureté parce que le carbone est piégé dans une structure cristalline contrainte, mais le résultat dépend de la teneur en carbone, des éléments d’alliage, de l’ampleur de la transformation et du revenu ultérieur. Une martensite non revenue ne constitue pas la même microstructure qu’une martensite revenue. Un acier trempé peut également contenir de la bainite ou de l’austénite retenue si le parcours de transformation n’a pas été uniforme ou si la composition a retardé la transformation.

La même prudence s’applique aux structures plus tendres. La perlite grossière et la cémentite sphéroïdisée peuvent produire une dureté comparable dans certaines conditions tout en présentant des formes de carbures et des mécanismes de déformation différents. La dureté ne permet pas de révéler si la cémentite est lamellaire, particulaire, associée aux joints de grains ou finement dispersée. La microscopie, la diffraction, l’analyse chimique et la connaissance du programme de traitement sont nécessaires pour reconstituer l’enregistrement.

Après un traitement thermique, la question pertinente n’est pas simplement : « Quelle est la dureté de l’acier ? » Il faut se demander : quelle austénite était présente, comment le carbone et les éléments d’alliage se sont-ils déplacés, quelles transformations ont eu lieu et quelle disposition subsiste ? La dureté constitue un élément de preuve. La microstructure en est l’explication.

Austénite, ferrite et cémentite : les constituants fondamentaux

[1][1] Introduction to Steel Heat Treatment. ASM International. ASM Handbook, 2024.

Les microstructures des aciers se lisent comme des arrangements de phases et de constituants, et non comme des points sur une simple échelle allant du dur au tendre. ASM International indique que les microstructures des aciers traités thermiquement sont constituées de phases formées par des associations de fer, de carbone et d’autres éléments d’alliage, notamment la ferrite, la bainite, la cémentite, la martensite et la perlite (ASM International, 2024). Son traitement des traitements thermiques des aciers place également l’austénite, la ferrite, la diffusion du carbone, la cémentite, la perlite, la bainite, la martensite et les transformations de phases dans un même cadre fondamental. Cet ordre est important : la structure présente après le traitement dépend de ce qui s’est formé à partir de l’austénite, de la manière dont le carbone s’est déplacé et des transformations qui ont été autorisées à se poursuivre.

L’austénite comme phase mère à haute température

L’austénite est la forme cubique à faces centrées du fer, capable de dissoudre une quantité de carbone nettement supérieure à celle que peut dissoudre la ferrite. Dans le raisonnement classique relatif aux traitements thermiques, elle constitue la phase mère à partir de laquelle plusieurs structures ultérieures se développent. Chauffer un acier approprié jusqu’à sa zone austénitique ne crée pas directement de martensite, de perlite ou de bainite. Cela prépare un état initial chimiquement et structurellement différent. Le carbone et les éléments d’alliage peuvent se redistribuer au cours de cette étape, tandis que la ferrite et la cémentite existantes se dissolvent dans une mesure déterminée par la composition, la durée, la température et l’état antérieur.

L’expression « phase mère » décrit une relation de transformation et ne garantit pas que chaque partie d’un composant atteigne une austénite identique. Des carbures non dissous, la ségrégation chimique, la taille des grains et les modalités de chauffage peuvent laisser subsister des différences locales. Le diagramme de phases pertinent et les températures de transformation doivent donc être précisés pour une composition donnée avant de fixer les conditions exactes du traitement. Une description générale de l’austénite ne doit pas être confondue avec une affirmation concernant la température applicable à une nuance donnée.

Lors du refroidissement, l’austénite peut suivre différentes voies. Si le carbone diffuse et que les atomes se réarrangent pendant une durée suffisante, de la ferrite et de la cémentite peuvent se former, produisant couramment de la perlite sous la forme d’un mélange organisé des deux. Dans d’autres conditions thermiques, de la bainite peut se développer. Si les réactions dépendant de la diffusion sont évitées, le réseau cristallin de l’austénite peut se transformer en martensite par un mécanisme displacif, tandis qu’une partie de l’austénite peut subsister sous forme d’austénite retenue. Le Phase Transformations Group de Cambridge distingue la ferrite allotriomorphe, la ferrite de Widmanstätten, la perlite, la bainite supérieure, la bainite inférieure, la martensite et la cémentite comme des descriptions structurales distinctes. L’austénite mère établit ainsi le domaine de départ, mais l’historique du refroidissement détermine les produits qui apparaissent et leur morphologie.

La ferrite et le rôle de la solubilité du carbone

La ferrite est une phase riche en fer dotée d’une structure cristalline cubique centrée. Pour les transformations des aciers, sa caractéristique la plus importante est sa faible solubilité d’équilibre du carbone par rapport à celle de l’austénite. Lorsque la ferrite se forme à partir de l’austénite, le carbone ne peut pas rester dissous uniformément à la même concentration. Il doit diffuser loin de la ferrite en croissance ou s’accumuler dans des régions voisines capables d’accueillir davantage de carbone, contribuant souvent à la formation de cémentite.

Diffusion du carboneDiffusion du carbone Déplacement des atomes de carbone à travers les sites interstitiels du réseau de fer, permettant les modifications de composition et les transformations diffusionnelles telles que la formation de ferrite, de cémentite et de perlite.

La diffusion du carbone est le mécanisme qui permet ces transformations diffusionnelles. Les atomes de carbone se déplacent à travers les sites interstitiels du réseau de fer, tandis que la matrice riche en fer change de structure cristalline et de composition. Ce déplacement dépend de la température et du temps, bien que les vitesses exactes et les températures de transformation varient selon la composition et doivent être déterminées à partir du diagramme de phases applicable ou de données cinétiques. Les éléments d’alliage peuvent modifier la diffusion, le déplacement des interfaces, la stabilité des carbures et la trempabilité. Par conséquent, deux aciers soumis à un programme de refroidissement apparemment similaire peuvent former des proportions ou des morphologies différentes de ferrite, de perlite, de bainite, de martensite et d’austénite retenue.

La morphologie de la ferrite renseigne sur son mode de formation. La ferrite allotriomorphe se développe couramment le long des joints des anciens grains d’austénite, tandis que la ferrite de Widmanstätten croît sous forme de plaques ou de lattes à l’intérieur des grains d’austénite. Dans un acier hypoeutectoïde refroidi en continu, Cambridge décrit le résultat classique comme une association de ferrite allotriomorphe et de perlite. Lorsque le refroidissement s’accélère ou que la trempabilité augmente, la séquence de transformation peut évoluer vers une perlite plus fine, puis vers la bainite, la martensite et l’austénite retenue. Il ne s’agit pas simplement de versions progressivement plus dures de la ferrite. Ces constituants correspondent à des répartitions du carbone, des interfaces, des arrangements cristallins et des mécanismes de transformation différents.

Une matrice ferritique peut également contenir des particules, des bandes ou des régions créées par l’historique thermique et chimique antérieur. L’interprétation d’une micrographie exige donc davantage que l’identification d’une ferrite d’aspect clair. L’analyste doit se demander où celle-ci s’est formée, ce qu’est devenu le carbone rejeté et si le constituant environnant est de la perlite, de la bainite ou une région contenant des carbures.

La cémentite et Fe₃C au sein des structures transformées

La cémentite est le carbure de fer Fe₃C : trois atomes de fer associés stœchiométriquement à un atome de carbone dans une structure composée distincte. Il ne s’agit pas simplement de carbone dissous dans la ferrite. La cémentite se forme lorsque le carbone de l’acier ne peut pas rester dans la matrice ferritique à faible solubilité et que les conditions chimiques et thermiques locales permettent la précipitation ou la croissance de carbures.[2][2] Steel Heat Treatment. ScienceDirect. ScienceDirect Topics, 2024.

La perlite est couramment décrite comme un constituant coopératif et stratifié de ferrite et de cémentite. Les lamelles alternées offrent une grande surface interfaciale entre les deux phases. La température de transformation influe sur leur espacement : ScienceDirect identifie la perlite grossière formée à des températures de transformation plus élevées comme relativement tendre, tandis que la perlite plus fine est plus résistante. Cette distinction découle de la morphologie et de l’échelle, et non de la seule présence de cémentite.

La cémentite apparaît également dans des structures qui ne sont pas de la perlite. ScienceDirect décrit la bainite comme une structure non lamellaire de ferrite–Fe₃C et indique que la bainite inférieure est plus dure que la bainite supérieure. Dans la bainite supérieure, l’organisation des carbures diffère de celle de la bainite inférieure, où la précipitation se produit à l’intérieur des plaques ferritiques ou en association étroite avec celles-ci. L’aspect exact dépend de la composition et des conditions de transformation.

Le traitement thermique peut modifier la forme de la cémentite sans changer son identité chimique. Cambridge indique que la sphéroïdisation transforme les lamelles de cémentite de la perlite en particules (University of Cambridge Phase Transformations Group, 2008). Cela réduit la géométrie stratifiée continue de la perlite et modifie la manière dont la matrice ferritique est compartimentée par le carbure. Le recuit, le revenu et d’autres traitements peuvent donc modifier les propriétés en changeant la taille, l’espacement et la répartition des particules. NPTEL indique que les traitements thermiques modifient principalement les propriétés mécaniques en changeant la microstructure (NPTEL, 2024). La quantité, la continuité et la morphologie de la cémentite font partie de cette explication ; la trempe seule n’y suffit pas.

Perlite : structure lamellaire et échelle dépendante du refroidissement

La perlite n’est pas une phase unique. Il s’agit d’une association biphasée de ferrite et de cémentite, généralement notée ferrite–Fe₃C, produite lorsque l’austénite se décompose par une transformation contrôlée par la diffusion. La ferrite est la phase de fer cubique centrée sur le corps relativement pauvre en carbone ; la cémentite est la phase de carbure de fer qui incorpore le carbone rejeté par la ferrite en croissance. Il en résulte une microstructure composite plutôt qu’une solution solide homogène.

Cette distinction est importante, car un acier trempé n’est pas dur simplement parce qu’il a subi un refroidissement rapide. La dureté et la résistance dépendent des transformations qui se sont produites, de la quantité de carbone ayant pu diffuser, des éléments d’alliage présents et de la morphologie des produits. ASM International indique que les microstructures des aciers traités thermiquement sont constituées de phases formées par des associations de fer, de carbone et d’autres éléments d’alliage, notamment la ferrite, la bainite, la cémentite, la martensite et la perlite (2024). La perlite s’inscrit donc dans une succession de produits de transformation qui comprend également la bainite, la martensite et l’austénite retenue — et non dans un simple graphique allant du matériau tendre au matériau dur, contrôlé uniquement par la sévérité de la trempe.

Formation des lamelles de ferrite et de cémentite

Lorsque l’austénite se transforme en perlite, la diffusion du carbone permet à la ferrite et à la cémentite de se former conjointement. La ferrite contient peu de carbone par rapport à l’austénite ; le carbone doit donc s’éloigner de la ferrite en progression et s’accumuler dans la cémentite voisine. Les deux constituants croissent de manière coopérative : des plaques ou des couches de ferrite progressent à côté de plaques ou de couches de cémentite, produisant un agencement lamellaire répétitif.

Une colonie de perlite contient généralement des lamelles ayant une orientation commune, tandis que des colonies différentes peuvent présenter des orientations différentes. Au microscope, l’espacement apparent peut varier selon la direction de coupe ; la distance mesurée ne correspond donc pas toujours à l’espacement réel en trois dimensions. Malgré cela, l’échelle des lamelles fournit des indications utiles sur l’historique de la transformation. Des lamelles rapprochées offrent une plus grande interface ferrite–cémentite par unité de distance pour la redistribution du carbone ; des lamelles plus espacées indiquent une croissance dans des conditions ayant permis une longueur de diffusion plus importante.

Un refroidissement continu produit couramment de la ferrite allotriomorphe et de la perlite dans un acier hypoeutectoïde. Strong evidence

Dans un acier hypoeutectoïde, la perlite ne se forme normalement pas seule. Lors d’un refroidissement continu, une ferrite allotriomorphe peut se former en premier le long des joints de grains de l’austénite initiale, puis la perlite se forme dans l’austénite restante. Le University of Cambridge Phase Transformations Group décrit la « ferrite allotriomorphe plus perlite » comme le produit courant du refroidissement continu d’un acier hypoeutectoïde (2011). Lorsque le refroidissement devient plus rapide, ou lorsque la trempabilité augmente en raison de la composition, la séquence de transformation peut s’orienter vers une perlite plus fine, la bainite, la martensite et l’austénite retenue. La structure finale peut donc contenir de la perlite à côté de ferrite proeutectoïde, plutôt qu’un domaine entièrement perlitique.

La température de transformation contrôle l’échelle parce qu’elle détermine l’équilibre entre la germination, la croissance et la diffusion du carbone. À une température de transformation relativement élevée, la diffusion est comparativement aisée. Un nombre plus réduit de colonies de perlite peut germer, mais chaque colonie peut croître avec un espacement lamellaire plus important. À une température de transformation plus basse, la diffusion est davantage limitée et la force motrice de la transformation est plus élevée ; de nombreuses colonies peuvent se former, et leurs couches de ferrite et de cémentite deviennent plus rapprochées. La vitesse de refroidissement constitue un moyen pratique de modifier la température de transformation, mais elle ne fournit pas une description complète. Les éléments d’alliage peuvent retarder la transformation, modifier l’activité du carbone et changer les températures ainsi que les intervalles de temps dans lesquels la perlite se forme.

Perlite grossière et perlite fine

La perlite grossière présente un espacement ferrite–cémentite relativement important. Elle se forme lorsque l’austénite se transforme à des températures plus élevées, où le carbone peut diffuser sur de plus longues distances pendant la croissance. La structure est relativement tendre comparativement à une perlite plus fine, comme l’indique la référence de ScienceDirect consacrée au traitement thermique des aciers (2024). Cette comparaison est relative et ne correspond pas à une valeur universelle de dureté : la composition, la taille des colonies, la structure des grains d’austénite initiale, la dimension de la section et les traitements ultérieurs influencent tous le résultat mesuré.

La perlite fine présente un espacement lamellaire plus faible. Elle se forme généralement à une température de transformation plus basse, où la diffusion du carbone est moins importante et où la transformation produit un agencement plus fin de ferrite et de cémentite. ScienceDirect identifie la perlite fine comme étant plus résistante que la perlite grossière. La raison est morphologique. Des lamelles de cémentite rapprochées interrompent la ferrite sur de plus courtes distances et offrent davantage d’interfaces s’opposant au mouvement des dislocations. La structure peut donc résister plus efficacement à la déformation plastique, même si la réponse dépend toujours de la teneur en carbone et des additions d’alliage.

Les termes « fine » et « grossière » décrivent l’échelle, et non des phases chimiques distinctes. Les deux structures contiennent de la ferrite et de la cémentite, et toutes deux peuvent coexister avec d’autres produits dans un composant réellement traité thermiquement. Une courbe de refroidissement qui traverse plusieurs domaines de transformation peut produire de la ferrite et de la perlite dans une région, de la bainite dans une autre, ou de la martensite là où l’austénite subsiste jusqu’à l’intervalle de début de formation de la martensite. NPTEL indique que les traitements thermiques modifient principalement les propriétés mécaniques en changeant la microstructure (2024). La perlite illustre clairement ce principe : la modification du parcours de transformation peut changer l’espacement et la morphologie sans modifier l’identité fondamentale ferrite plus cémentite.

Cémentite sphéroïdisée après un traitement prolongé[3][3] Steel Microstructure. University of Cambridge Phase Transformations Group. Phase Transformations Group reference material, 2008.

La perlite peut également perdre sa forme lamellaire. Lors d’un chauffage prolongé en dessous de l’intervalle de transformation eutectoïde, ou au cours de cycles de recuit appropriés, les lamelles de cémentite se fragmentent progressivement et deviennent des particules arrondies dispersées dans une matrice ferritique. Le University of Cambridge Phase Transformations Group indique directement que « la sphéroïdisation transforme les lamelles de cémentite perlitique en particules » (2008).

Cette modification réduit les interfaces de cémentite nettes et continues caractéristiques de la perlite. Les particules ont tendance à grossir avec la poursuite du traitement, car la réduction de la surface interfaciale diminue l’énergie interfaciale du système. La taille et l’espacement des particules dépendent de la perlite initiale, de la température, de la durée et des éléments d’alliage ; un traitement prolongé ne produit donc pas une morphologie unique dans tous les aciers.

La cémentite sphéroïdisée reste de la cémentite et la matrice environnante reste de la ferrite, mais la géométrie est passée de plaques alternées à des particules dispersées. Cette géométrie facilite généralement la déformation par rapport à la perlite lamellaire, notamment lors du formage ou de l’usinage ; toutefois, aucune valeur unique de dureté ne découle du seul terme « sphéroïdisée ». Une interprétation correcte exige de considérer la microstructure complète : la composition de la ferrite, la fraction volumique de cémentite, la taille et l’espacement des particules, la perlite résiduelle, ainsi que toute martensite ou austénite retenue laissée par les opérations antérieures.

Acier hypoeutectoïde lors d’un refroidissement continu

L’acier hypoeutectoïde contient moins de carbone que la composition eutectoïde, de sorte que l’austénite ne se transforme pas entièrement en perlite en une seule fois. Lors du refroidissement, le premier produit formé est normalement la ferrite, suivie de la transformation de l’austénite restante en perlite ou, à des vitesses de refroidissement plus élevées, en d’autres produits. La structure finale enregistre donc une séquence : le carbone quitte la ferrite en croissance, l’austénite résiduelle s’enrichit en carbone, puis cette austénite modifiée se transforme ultérieurement en fonction de la température et du temps disponibles.

Cette séquence explique pourquoi la dureté ne peut pas être attribuée directement à l’opération de trempe. NPTEL indique que les traitements thermiques modifient principalement les propriétés mécaniques en changeant la microstructure, tandis que ASM International identifie l’austénite, la ferrite, la diffusion du carbone, la cémentite, la perlite, la bainite, la martensite et les transformations de phase comme les notions fondamentales nécessaires pour interpréter l’acier traité thermiquement. Le parcours de refroidissement détermine lequel de ces constituants se forme, dans quelle proportion et avec quelle morphologie.

Ferrite allotriomorphe avant la perlite

Lors du refroidissement depuis la région austénitique, l’acier hypoeutectoïde commence généralement à former de la ferrite allotriomorphe aux joints des anciens grains d’austénite. Le terme « allotriomorphe » décrit une ferrite dont la forme extérieure est contrôlée par l’austénite environnante plutôt que par sa propre forme cristallographique. Elle se présente souvent sous forme de films, de couches ou de grains irréguliers le long des anciens joints de grains d’austénite.

La ferrite contient très peu de carbone par rapport à l’austénite. À mesure qu’elle croît, le carbone est rejeté dans l’austénite adjacente. Cette diffusion est au cœur de la transformation : la formation de ferrite rend l’austénite non transformée progressivement plus riche en carbone, rapprochant sa composition de la composition eutectoïde. La ferrite n’est donc pas simplement une région pauvre en carbone qui apparaît indépendamment du reste de la structure. Sa croissance modifie la composition chimique de l’austénite restante.

Le Phase Transformations Group de l’Université de Cambridge présente cette séquence comme la séquence conventionnelle la plus claire pour un acier hypoeutectoïde refroidi continûment. La ferrite allotriomorphe se forme en premier, puis l’austénite restante se transforme en perlite. La ferrite peut former un réseau de joints presque continu lorsque la transformation se déroule suffisamment lentement, bien que son aspect exact dépende de la composition, de la taille des grains d’austénite antérieure et du programme de refroidissement.

La distinction entre ferrite allotriomorphe et ferrite de Widmanstätten est également importante. Des conditions de transformation plus rapides peuvent produire des plaques ou des plaquettes latérales de ferrite qui croissent dans l’austénite, plutôt que la morphologie contrôlée par les joints de grains associée à la ferrite allotriomorphe. Une micrographie montrant de la ferrite ne suffit donc pas à identifier l’historique de refroidissement ; sa forme et sa position doivent également être examinées.

Microstructures ferrite-perlite

Après la formation de la ferrite proeutectoïde, l’austénite restante, enrichie en carbone, se transforme généralement en perlite. La perlite est un mélange coopératif de ferrite et de cémentite, Fe₃C, organisé en régions ou lamelles alternées. Il en résulte une microstructure ferrite-perlite : la ferrite relativement pauvre en carbone occupe la partie proeutectoïde, tandis que la perlite contient le carbone qui s’était concentré dans l’austénite résiduelle.

Il ne s’agit pas d’un aspect unique et fixe. La perlite formée à une température de transformation relativement élevée présente un espacement ferrite-cémentite plus important et est décrite par ScienceDirect comme une perlite grossière ; elle est relativement douce par rapport à une perlite plus fine. À une température de transformation plus basse, les distances de diffusion sont plus courtes et l’espacement lamellaire devient plus fin. La perlite fine est plus résistante, car ses barrières de cémentite rapprochées limitent plus efficacement le mouvement des dislocations, bien que ses propriétés dépendent également de la composition et de la morphologie globales.

La référence de Cambridge identifie la ferrite allotriomorphe associée à la perlite comme un résultat courant du refroidissement continu de l’acier hypoeutectoïde. Cette formulation décrit une voie de transformation, et non une microstructure universelle applicable à chaque nuance ou opération de refroidissement. La teneur en carbone, le manganèse et les autres éléments d’alliage, la taille des grains d’austénite, l’épaisseur de la section et l’historique réel température-temps influencent tous le début et la fin de chaque transformation.

La perlite doit également être distinguée de la cémentite sphéroïdisée. Lors de la sphéroïdisation, le Phase Transformations Group de l’Université de Cambridge indique que les lamelles de cémentite perlitique deviennent des particules. Une matrice de ferrite contenant des particules de cémentite arrondies n’est donc pas simplement une version grossière de la perlite lamellaire ordinaire ; elle traduit un traitement différent et une morphologie différente de la cémentite.

Effet d’un refroidissement plus rapide et trempabilité

À mesure que le refroidissement s’accélère, l’acier séjourne moins longtemps dans la plage de températures où le carbone peut diffuser et où la ferrite et la perlite peuvent croître. La transformation peut toujours produire de la ferrite et de la perlite, mais la perlite devient plus fine et la fraction de ferrite aux joints de grains peut varier. Lorsque le parcours de refroidissement est suffisamment modifié, l’austénite évite partiellement ou totalement la plage de formation de la ferrite et de la perlite.

L’exemple de refroidissement continu de Cambridge place la perlite plus fine, la bainite, la martensite et l’austénite retenue le long de cette progression. La bainite se forme sous la forme d’un mélange non lamellaire de ferrite et de Fe₃C, plutôt que sous la forme des lamelles alternées de la perlite. La bainite supérieure et la bainite inférieure présentent des arrangements différents de ferrite et de cémentite ; ScienceDirect identifie la bainite inférieure comme plus dure que la bainite supérieure, ce qui reflète son échelle plus fine et sa répartition différente des carbures.

Si le refroidissement empêche la transformation diffusionnelle jusqu’à ce que la plage martensitique soit atteinte, l’austénite peut se transformer en martensite par un mécanisme de cisaillement sans diffusion. Le carbone reste piégé dans le réseau de fer déformé au lieu de se répartir entre la ferrite et la cémentite au cours de la croissance. Toute austénite qui ne se transforme pas en martensite peut subsister sous forme d’austénite retenue. Sa quantité dépend de la composition et du parcours de refroidissement, et non de la trempe seule.

TrempabilitéTrempabilité Aptitude d’un acier à former des produits de transformation plus durs dans toute l’épaisseur d’une section sous une condition de refroidissement donnée ; elle se distingue de la dureté mesurée en un emplacement.

La trempabilité détermine jusqu’à quelle profondeur un acier peut suivre cette voie de refroidissement plus rapide dans un composant réel. Les éléments d’alliage peuvent retarder les transformations de la ferrite, de la perlite ou de la bainite, permettant ainsi la formation de martensite à des endroits qui se transformeraient en ferrite et en perlite dans un acier moins trempant. Une section épaisse peut donc présenter des structures différentes entre sa surface et son centre, même lorsque toute la pièce reçoit le même traitement.

La conclusion pratique est directe : l’acier hypoeutectoïde ne passe pas du « tendre » au « dur » comme s’il s’agissait d’un simple interrupteur. Le refroidissement continu peut produire de la ferrite allotriomorphe associée à de la perlite, de la perlite plus fine, de la bainite, de la martensite, de l’austénite retenue ou des mélanges de ces produits. L’élément décisif est la séquence de transformation et la morphologie qui en résulte.

Bainite : produits de transformation supérieurs, inférieurs et non lamellaires

La bainite comme structure ferrite–Fe₃C

La bainite n’est pas une phase unique et ne doit pas être considérée comme un point sur une simple échelle de dureté. Il s’agit d’un produit de transformation constitué principalement de ferrite et de carbure de fer, Fe₃C, dont les propriétés sont déterminées par l’agencement, la taille et la distribution de ces constituants. La synthèse de 2024 publiée par ScienceDirect sur les traitements thermiques des aciers définit la bainite comme une « structure ferrite–Fe₃C non lamellaire ». Cette définition distingue la bainite de la perlite au niveau morphologique : toutes deux contiennent de la ferrite et de la cémentite, mais leurs agencements ferrite–cémentite sont différents.

La ferrite de la bainite se forme à partir de l’austénite, tandis que le carbone rejeté par la ferrite en croissance contribue à la formation ou à la redistribution des carbures dans l’austénite environnante. La transformation implique donc à la fois la formation de régions ferritiques et le déplacement du carbone. Les éléments d’alliage peuvent modifier l’activité du carbone, la précipitation des carbures, la croissance de la ferrite et l’intervalle de températures dans lequel la bainite se forme. La structure finale est par conséquent déterminée par le chemin de transformation, et non par le simple fait que l’acier a été trempé ou refroidi rapidement.

Cette distinction correspond à la description, publiée en 2024 par ASM International, des microstructures des aciers traités thermiquement comme des associations de fer, de carbone et d’autres éléments d’alliage qui forment de la ferrite, de la bainite, de la cémentite, de la martensite et de la perlite. L’austénite est la structure mère à partir de laquelle plusieurs de ces produits se développent. Le refroidissement modifie les conditions de diffusion du carbone et de transformation de phase ; le produit obtenu peut contenir plusieurs constituants si la transformation se déroule sur un intervalle de températures.

Le terme « non lamellaire » ne signifie pas que la bainite est dépourvue d’un agencement interne répétitif. La ferrite bainitique se présente couramment sous forme de plaquettes, de lattes ou de faisceaux, tandis que les carbures apparaissent entre les unités de ferrite ou à l’intérieur de celles-ci, selon le produit de transformation. Les interfaces et les relations cristallographiques entre la ferrite et l’ancienne austénite influencent la résistance, la ténacité et la propagation des fissures. Une micrographie peut donc montrer une structure organisée sans présenter les plaquettes régulières et alternées associées à la perlite.

Le mécanisme de transformation diffère également d’un réarrangement contrôlé uniquement par une diffusion à longue distance. La ferrite se forme avec une modification de forme liée au réseau cristallin de l’austénite, puis le carbone se redistribue par diffusion. La précipitation des carbures dépend de la concentration locale en carbone et des conditions de transformation. Cette combinaison de formation de ferrite, de déplacement du réseau, de partitionnement du carbone et de précipitation des carbures explique pourquoi la bainite occupe une position distincte entre les produits perlitiques et martensitiques. Elle n’est ni simplement une perlite plus fine, ni une martensite portant un autre nom.

Bainite supérieure et bainite inférieure

Le Phase Transformations Group de l’Université de Cambridge distingue la « bainite supérieure » et la « bainite inférieure » comme des microstructures distinctes des aciers. Cette distinction concerne principalement la localisation et la morphologie des carbures. Dans la bainite supérieure, la ferrite se forme généralement sous forme de lattes ou de plaquettes, la cémentite apparaissant préférentiellement entre les unités de ferrite adjacentes. Les régions riches en carbures délimitent certaines parties de l’agrégat ferritique. Dans la bainite inférieure, des particules de carbure ou de minces précipités de carbure se forment à l’intérieur des plaquettes de ferrite ainsi que dans les régions associées. Le schéma de précipitation interne est plus fin et davantage lié à la ferrite elle-même.

Ces descriptions sont morphologiques, mais elles reflètent des équilibres différents entre la formation de ferrite et la diffusion du carbone. Dans les conditions associées à la bainite supérieure, le carbone peut se redistribuer suffisamment pour que les carbures se forment principalement entre les lattes de ferrite. Dans les conditions de formation de la bainite inférieure, la ferrite se forme alors qu’une sursaturation en carbone demeure importante à l’intérieur de celle-ci, ce qui permet la précipitation de carbures au sein des unités ferritiques. L’aspect exact dépend de la composition de l’acier, de la structure des grains d’austénite antérieure, de l’historique de transformation et des effets des éléments d’alliage.

La bainite inférieure est plus dure que la bainite supérieure, selon la synthèse de 2024 publiée par ScienceDirect sur les traitements thermiques des aciers. Cette différence ne doit pas être présentée comme une conséquence mystérieuse d’une « trempe plus importante ». Des unités de ferrite plus fines, la précipitation interne des carbures et les obstacles qui en résultent au mouvement des dislocations contribuent à la dureté plus élevée associée à la bainite inférieure. La bainite supérieure possède une disposition différente des carbures et offre généralement un autre équilibre entre résistance et ténacité. Aucun de ces termes ne suffit à lui seul pour prédire complètement les propriétés mécaniques, car les produits mixtes et les variations d’échelle sont fréquents.

Un acier hypoeutectoïde refroidi en continu peut ne pas se transformer en un constituant uniforme unique. L’étude de Cambridge publiée en 2011 sur les microstructures mixtes indique qu’un refroidissement continu produit généralement de la ferrite allotriomorphe et de la perlite, tandis qu’un refroidissement progressivement plus rapide ou une trempabilité plus élevée peut produire de la perlite plus fine, de la bainite, de la martensite et de l’austénite résiduelle. Un même échantillon peut donc contenir, dans différentes régions, de la ferrite proeutectoïde, de la perlite, de la bainite supérieure, de la bainite inférieure, de la martensite ou de l’austénite résiduelle. La séquence de transformation est aussi importante que la désignation nominale du traitement thermique.

Pourquoi la bainite ne doit pas être décrite comme une perlite fine

Qualifier la bainite de « perlite fine » est incorrect, car cela confond la composition et la structure. Les deux produits peuvent contenir de la ferrite et du Fe₃C, mais la perlite est définie par un agencement lamellaire : des plaquettes alternées de ferrite et de cémentite produites lors de la transformation eutectoïde. La bainite est définie par un agencement non lamellaire de ferrite et de cémentite. L’affinement de la perlite réduit l’espacement lamellaire ; il ne transforme pas ces lamelles en plaquettes de ferrite bainitique ni en distributions de carbures caractéristiques de la bainite.

La synthèse de 2024 publiée par ScienceDirect établit directement le contraste : la perlite grossière formée à des températures de transformation plus élevées est relativement douce, la perlite plus fine est plus résistante, la bainite est une structure ferrite–Fe₃C non lamellaire et la bainite inférieure est plus dure que la bainite supérieure. Les deux premières affirmations décrivent les variations d’échelle au sein d’une même morphologie. Les suivantes identifient une morphologie différente, puis distinguent deux formes de bainite. La dureté varie dans les deux cas, mais la raison structurale n’est pas la même.

La distinction demeure également après un traitement thermique ultérieur. Cambridge a indiqué en 2008 que la sphéroïdisation transforme les lamelles de cémentite de la perlite en particules. Ce traitement modifie la morphologie des carbures de la perlite, mais le produit reste une structure perliti­que sphéroïdisée et ne devient pas de la bainite. Inversement, le revenu d’une structure martensitique produit une précipitation de carbures au sein d’une matrice ferritique, mais cela ne transforme pas rétroactivement la structure en bainite. Les dénominations décrivent l’historique de transformation et la morphologie, et pas seulement les éléments présents.

NPTEL a indiqué en 2024 que les traitements thermiques modifient principalement les propriétés mécaniques en changeant la microstructure. La bainite montre pourquoi ce principe est important. Sa dureté dépend du fait que le produit soit une bainite supérieure ou inférieure, de la taille des unités de ferrite, de la position et de la taille des carbures, des éléments d’alliage, ainsi que de la présence éventuelle de martensite, de perlite, de ferrite ou d’austénite résiduelle adjacente. La trempe ne constitue qu’une partie de l’historique. L’élément déterminant est la structure laissée par la transformation de phase et la redistribution du carbone.

Martensite et austénite retenue après refroidissement rapide

La martensite comme produit du refroidissement rapide

La martensite se forme lorsque l’austénite est refroidie suffisamment rapidement pour que les réactions diffusives produisant de la ferrite, de la cémentite, de la perlite ou de la bainite ne puissent pas la consommer entièrement au préalable. Le carbone reste donc associé au réseau de fer en transformation au lieu de se répartir entièrement dans la cémentite ou de diffuser vers l’extérieur. Il en résulte un produit de transformation sursaturé, dont la structure et la morphologie dépendent de la teneur en carbone, des éléments d’alliage, de la structure des grains d’austénite antérieure et du parcours thermique.

Cela ne revient pas à dire que la « trempe crée la dureté » par un effet physique direct. La trempe modifie le temps disponible pour le déplacement des atomes et la formation des phases concurrentes. La martensite ainsi obtenue peut accroître la dureté parce que sa structure contenant du carbone résiste à la déformation plastique, mais la propriété finale dépend de la quantité de martensite formée, des autres constituants présents et de l’existence éventuelle d’un revenu ultérieur de l’acier. Un composant trempé peut contenir de la martensite conjointement avec de la bainite, de la perlite, de la ferrite ou de l’austénite retenue.

Le groupe de recherche sur les transformations de phase de l’Université de Cambridge situe la martensite dans une progression de produits obtenus à partir d’un acier hypoeutectoïde refroidi continûment. À une vitesse de refroidissement relativement faible ou avec une faible trempabilité, la structure commence généralement par de la ferrite allotriomorphe et de la perlite. Lorsque le refroidissement est plus rapide ou que la trempabilité est plus élevée, les produits évoluent vers une perlite plus fine, la bainite, la martensite et l’austénite retenue. Cette progression décrit des voies de transformation concurrentes, et non un commutateur qui convertirait automatiquement chaque partie d’une section en un seul constituant.

Les éléments d’alliage influencent cette concurrence en modifiant la cinétique des transformations diffusives et en modifiant la trempabilité de l’acier. L’épaisseur de la section joue un rôle pour la même raison : la surface et le cœur peuvent suivre des parcours de refroidissement différents. Une surface peut atteindre des conditions favorables à la formation de martensite, tandis que l’intérieur reste suffisamment longtemps dans une plage de température où peuvent se former de la ferrite, de la perlite ou de la bainite. Même au sein d’un seul grain d’austénite antérieure, la composition locale et l’histoire thermique peuvent influer sur la séquence de transformation.

Le cadre de traitement thermique de NPTEL relie cette séquence aux propriétés d’ingénierie : « Les traitements thermiques modifient principalement les propriétés mécaniques en modifiant la microstructure » (NPTEL, 2024). La trempe y est présentée comme un traitement de durcissement parce qu’elle favorise une structure contenant de la martensite ; le revenu modifie ensuite cette structure et la répartition de son carbone. La désignation du procédé reste donc incomplète sans indication des phases résultantes. « Trempé » désigne un traitement thermique, et non un diagnostic microstructural garanti.

L’austénite retenue dans l’acier refroidi continûment

L’austénite retenue est la fraction d’austénite qui subsiste après le refroidissement au lieu de se transformer en martensite ou en un autre produit. Il ne s’agit pas simplement de matière non transformée qui attendrait la fin de la trempe. Sa persistance reflète la composition de l’acier, l’état de l’austénite antérieure, le parcours de refroidissement et le degré auquel les autres transformations ont déjà consommé ou modifié l’austénite.

L’enrichissement en carbone constitue une voie importante de sa stabilisation. Lorsque de la ferrite, de la bainite ou d’autres produits se forment, le carbone peut être rejeté dans l’austénite restante. Les éléments d’alliage peuvent également modifier la cinétique des transformations et la stabilité de l’austénite. Par conséquent, un acier refroidi continûment peut contenir de la martensite formée à partir d’une partie de l’austénite, tandis qu’une autre partie subsiste sous forme d’austénite retenue.

La référence de Cambridge inclut précisément l’austénite retenue parmi les produits possibles dans un acier hypoeutectoïde refroidi plus rapidement ou présentant une plus grande trempabilité. Ce point est important, car un acier peut être fortement affecté par un refroidissement rapide sans devenir entièrement martensitique. Une micrographie peut révéler une matrice majoritairement martensitique contenant de petites quantités d’austénite retenue, ou un mélange de ferrite, de bainite et de martensite dans lequel l’austénite retenue est concentrée entre les régions transformées.

L’austénite retenue montre également que le terme « dureté » constitue un résumé inadéquat de la structure. L’austénite est généralement plus déformable que la martensite, mais sa présence ne produit pas une valeur de dureté fixe, indépendante de la composition et de la morphologie. Elle peut se transformer au cours d’une sollicitation mécanique ultérieure, d’un refroidissement ou d’un revenu, ce qui modifie les dimensions et les contraintes internes. La quantité et la répartition comptent autant que sa désignation. De minces films intercalés entre des régions bainitiques ou martensitiques n’ont pas le même effet structural que des îlots plus volumineux.

L’interprétation correcte doit donc être fondée sur les phases. Il faut déterminer quelle quantité d’austénite s’est transformée, quels produits se sont formés en premier, où le carbone s’est déplacé et quels constituants subsistent après le refroidissement. Le traitement de 2024 d’ASM International décrit les microstructures des aciers traités thermiquement comme des associations de fer, de carbone et d’autres éléments d’alliage formant de la ferrite, de la bainite, de la cémentite, de la martensite et de la perlite. L’austénite, la diffusion du carbone et les transformations de phase fournissent le cadre nécessaire pour comprendre pourquoi l’austénite retenue apparaît.

Pourquoi la trempe ne garantit pas un résultat monophasé

Une trempe est une opération de refroidissement caractérisée par une sévérité et une histoire thermique particulières, et non une garantie d’obtention d’une seule phase. Le parcours de refroidissement requis dépend de la composition de l’acier et de la géométrie de la section. Si une région quelconque se refroidit suffisamment lentement pour permettre la formation de ferrite, de perlite ou de bainite avant l’apparition de la martensite, ces produits subsistent après la trempe. Si une partie de l’austénite ne se transforme pas au cours du parcours de refroidissement disponible, de l’austénite retenue subsiste également.

C’est pourquoi un acier hypoeutectoïde trempé peut contenir de la ferrite allotriomorphe ainsi que de la martensite, de la bainite ainsi que de la martensite, ou de la martensite ainsi que de l’austénite retenue. À un autre endroit, en particulier vers un cœur refroidi plus lentement, la perlite peut coexister avec la bainite et la ferrite. La structure finale enregistre le parcours à travers les domaines de transformation plutôt que le nom de l’opération effectuée dans le four.

La vitesse de refroidissement ne suffit pas non plus à expliquer tous les résultats. Le carbone et les éléments d’alliage modifient la diffusion, la stabilité des phases et la trempabilité. La taille des grains d’austénite antérieure, la pratique d’austénitisation, l’état de surface et l’épaisseur de la section influencent les voies de transformation disponibles. Une trempe peut inhiber certaines réactions diffusives sans les inhiber toutes. Il en résulte souvent une structure constituée d’un mélange de constituants.

La synthèse de 2024 de ScienceDirect consacrée aux traitements thermiques des aciers illustre l’importance de ces distinctions : la perlite grossière formée à des températures de transformation plus élevées est relativement tendre, la perlite plus fine est plus résistante, la bainite est une structure non lamellaire de ferrite–Fe3C, et la bainite inférieure est plus dure que la bainite supérieure. La martensite n’est qu’un membre de cette famille. La réponse mécanique finale dépend de l’association, de l’échelle et de la répartition des produits, et non de la seule désignation du refroidissement.

Une description microstructurale rigoureuse devrait donc indiquer les constituants effectivement présents. « Acier trempé » peut être une indication utile de l’histoire du traitement ; ce n’est pas suffisant pour décrire les phases. La mention de la martensite devrait s’accompagner de la possibilité de présence d’austénite retenue et d’autres produits de transformation. Cette distinction évite l’erreur courante consistant à considérer le refroidissement rapide comme un mécanisme de durcissement garantissant une seule phase.

Comment les traitements thermiques réorganisent la microstructure

NPTEL classe les principaux procédés de traitement thermique de l’acier selon leur effet recherché : la trempe et la cémentation sont des traitements de durcissement, tandis que le revenu, le recuit et la détente des contraintes sont des traitements d’adoucissement. Cette division est utile, mais les termes « durcissement » et « adoucissement » ne décrivent le résultat que de manière indirecte. L’événement déterminant est la réorganisation des phases et du carbone. En 2024, NPTEL indique que les traitements thermiques modifient principalement les propriétés mécaniques en changeant la microstructure. ASM International précise le même cadre : l’acier traité thermiquement contient des phases formées par les associations du fer, du carbone et des éléments d’alliage, notamment la ferrite, la bainite, la cémentite, la martensite et la perlite.

Un traitement ne crée donc pas la dureté en tant que propriété indépendante. Il transforme l’austénite en un mélange déterminé de produits de transformation, ou modifie la forme, l’espacement et la répartition des phases déjà présentes. La vitesse de refroidissement, la teneur en carbone, les additions d’alliage et la dimension de la section déterminent les transformations qui peuvent se produire avant que l’acier n’atteigne un état à plus basse température.

La trempe et la cémentation en tant que traitements de durcissement

La trempe vise à supprimer les transformations diffusionnelles pendant le refroidissement de l’austénite. Lors d’un refroidissement plus lent, le carbone peut se déplacer à travers le réseau cristallin du fer, ce qui permet à la ferrite et à la cémentite de se former sous la forme de perlite, ou à la ferrite bainitique et à la cémentite de se développer. Une trempe suffisamment rapide interrompt une grande partie de cette redistribution. L’austénite se transforme alors, par un mécanisme de cisaillement sans diffusion, en martensite, dont le réseau sursaturé en carbone est fortement déformé.

C’est pourquoi il n’est pas exact de décrire la trempe comme un simple fait de « refroidir l’acier pour le rendre dur ». La structure obtenue peut contenir de la martensite, mais aussi de l’austénite résiduelle non transformée et, lorsque le refroidissement ou la trempabilité sont insuffisants, de la bainite ou de la perlite. Les éléments d’alliage modifient la trempabilité en changeant la cinétique des transformations ; ils n’ajoutent pas simplement de la dureté de manière isolée. Un acier hypoeutectoïde refroidi en continu peut produire de la ferrite allotriomorphe et de la perlite, comme l’a rapporté en 2011 le University of Cambridge Phase Transformations Group. Avec un refroidissement plus rapide ou une trempabilité accrue, la séquence évolue vers une perlite plus fine, de la bainite, de la martensite et de l’austénite résiduelle.

La cémentation modifie la répartition du carbone avant l’étape finale de durcissement. Le carbone diffuse dans la surface d’un acier à faible teneur en carbone, créant une couche superficielle enrichie en carbone et un intérieur moins riche en carbone. La trempe qui suit transforme la couche superficielle en une martensite tendant vers une forte teneur en carbone, tandis que le cœur suit le comportement de transformation permis par sa composition initiale et par le cycle de refroidissement appliqué. La caractéristique microstructurale essentielle est le gradient de carbone : la couche superficielle et le cœur ne commencent pas avec la même composition de l’austénite et ne sont donc pas nécessairement destinés à former des produits identiques.

La cémentation est ainsi une préparation rendue possible par la diffusion, suivie d’une suppression rapide des transformations. La diffusion du carbone joue un rôle central pendant l’enrichissement, mais elle est limitée durant la trempe. Le traitement n’est pas équivalent à la trempe d’un matériau uniformément riche en carbone, et la structure finale doit être examinée sur toute la section plutôt que déduite d’une valeur de dureté superficielle.

Le revenu après l’obtention d’une structure durcie

Le revenu appartient au groupe des traitements d’adoucissement de NPTEL, car il réduit les déformations extrêmes et la fragilité associées à la martensite après trempe. Il n’efface pas simplement la structure durcie. Au contraire, le carbone se redistribue à partir du réseau martensitique sursaturé, et des phases de carbures se forment ou deviennent plus stables tandis que la structure évolue vers une martensite revenue.

Les produits exacts dépendent de la teneur en carbone et en éléments d’alliage de l’acier ainsi que des conditions de revenu ; il n’existe donc pas une microstructure universelle unique du revenu. De manière générale, le traitement réduit la distorsion du réseau, modifie la morphologie et la répartition des carbures et permet, dans certains aciers, la décomposition ou la transformation de l’austénite résiduelle. Le résultat est généralement une matrice ferritique contenant des carbures finement dispersés, plutôt que la martensite sursaturée en carbone produite directement par la trempe.

Cette évolution explique pourquoi le revenu peut réduire la dureté après trempe tout en améliorant la résistance à la fissuration et aux dommages d’impact. Le contraste pertinent est celui qui oppose le carbone piégé au carbone redistribué. La trempe laisse le carbone dans une configuration martensitique déformée ; le revenu offre au carbone une voie vers la formation de carbures et la répartition chimique. Un acier trempé puis revenu n’est donc pas simplement un « acier trempé moins dur », mais une association différente de phases de matrice et de carbures.

L’austénite résiduelle joue également un rôle important. Si elle subsiste après la trempe, le revenu ultérieur peut modifier sa stabilité, et sa transformation peut influer sur la stabilité dimensionnelle et sur le mélange final de phases. Le résultat doit donc être interprété à partir de la séquence complète — austénitisation, trempe, austénite résiduelle et revenu — et non à partir de la seule opération de revenu.

Le recuit et la détente des contraintes

Le recuit utilise la diffusion et un refroidissement contrôlé pour faire évoluer l’acier vers une structure à plus faible énergie et à répartition chimique plus homogène. Comparativement à la trempe, il laisse davantage de temps au carbone pour se répartir entre la ferrite et la cémentite. Selon la composition et l’état initial, les produits peuvent comprendre de la ferrite accompagnée de perlite grossière, de perlite plus fine ou des particules de cémentite sphéroïdisée dans une matrice ferritique.

La température de transformation influe sur la morphologie. La synthèse de 2024 sur les traitements thermiques de l’acier publiée par ScienceDirect distingue la perlite grossière relativement tendre, formée à des températures de transformation plus élevées, de la perlite fine, plus résistante. Elle identifie également la bainite comme une structure non lamellaire de ferrite–Fe3C et la bainite inférieure comme étant plus dure que la bainite supérieure. Ces distinctions montrent pourquoi le terme « recuit » ne constitue pas une description microstructurale complète : l’espacement de la cémentite, la structure des grains de ferrite et la présence éventuelle de bainite ou de martensite résiduelle restent déterminants.

La sphéroïdisation constitue un exemple particulièrement clair d’évolution contrôlée par la diffusion. En 2008, le University of Cambridge Phase Transformations Group a indiqué que la sphéroïdisation convertit les lamelles de cémentite perlitique en particules. Les plaques continues de cémentite deviennent des particules arrondies, ce qui réduit la géométrie interfaciale entre la ferrite et la cémentite. L’acier peut ainsi devenir plus facile à déformer, mais l’événement central est un grossissement morphologique et une redistribution, et non une perte inexpliquée de dureté.

La détente des contraintes occupe une place plus restreinte. Elle vise principalement à réduire les contraintes résiduelles dues au soudage, à l’usinage, au formage ou à un refroidissement non uniforme, sans remplacer délibérément la constitution principale des phases. La diffusion atomique permet aux contraintes locales de se relâcher, tandis que le traitement reste en dessous de la plage dans laquelle une transformation majeure est recherchée. Toutefois, si les conditions sont excessives, une restauration, un revenu, une précipitation ou une transformation de phase peuvent se produire. La détente des contraintes ne constitue donc pas une garantie de neutralité vis-à-vis des phases ; son effet microstructural dépend de l’acier et de l’exposition thermique.

Dans les trois procédés, le contraste fondamental est clair : la trempe limite la diffusion et préserve un produit de transformation déformé, tandis que le revenu, le recuit et la détente des contraintes offrent des degrés variables de temps pour la redistribution du carbone, la réorganisation des carbures, la restauration ou le grossissement.

Interprétation des microstructures mixtes en métallographie

Une coupe d’acier ayant subi un traitement thermique contient rarement un constituant parfaitement uniforme. Un acier hypoeutectoïde refroidi continûment à partir de l’austénite peut présenter de la ferrite allotriomorphe aux joints des anciens grains d’austénite, de la perlite dans les régions restantes, ainsi que de petites zones de bainite ou de martensite là où les conditions locales de refroidissement différaient. L’interprétation correcte commence par l’historique des transformations, et non par une indication de dureté. NPTEL indique que les traitements thermiques modifient principalement les propriétés mécaniques en changeant la microstructure ; la dureté est donc le résultat de la structure, de la composition et de la morphologie, plutôt que le nom d’une phase observée visuellement.

Reconnaître simultanément la ferrite, la perlite, la bainite et la martensite

Commencez par un faible grossissement. Notez la répartition des régions avant d’attribuer un nom aux constituants individuels. Recherchez une matrice continue, une décoration des joints, des colonies, des paquets, des aiguilles, des lattes et des particules isolées. Augmentez ensuite le grossissement et examinez la structure interne de chaque région.

La ferrite est généralement le constituant le moins fortement attaqué dans une éprouvette d’acier au carbone préparée selon les méthodes conventionnelles. Dans un acier hypoeutectoïde, la ferrite allotriomorphe se forme couramment en premier le long des joints des anciens grains d’austénite, produisant des films de joint relativement lisses, polygonaux ou irréguliers. Elle peut également se présenter sous forme de régions équiaxes plus étendues. La ferrite de Widmanstätten possède une apparence différente : elle croît sous forme de plaques ou de plaques latérales à partir des joints de grains d’austénite vers l’intérieur de ces grains. Toutefois, une apparence en plaques ne suffit pas à prouver que le constituant est de la ferrite de Widmanstätten.

La perlite se reconnaît à ses colonies constituées de ferrite et de cémentite alternées. À faible grossissement, une colonie peut apparaître comme un îlot sombre ; à plus fort grossissement, des lamelles convenablement orientées peuvent être résolues. D’autres colonies peuvent rester sombres parce que leurs lamelles sont presque parallèles à la direction d’observation ou parce que le contraste d’attaque est faible. La perlite grossière traduit généralement une transformation à une température plus élevée que la perlite fine. ScienceDirect décrit la perlite grossière comme relativement douce et la perlite fine comme plus résistante, mais le contraste observé dépend également du polissage, de l’attaque, de l’orientation de la coupe et de la composition de l’alliage.

La bainite occupe une position interprétative intermédiaire, car son arrangement ferrite–cémentite n’est pas lamellaire au sens propre à la perlite. La bainite supérieure se présente couramment sous forme de groupes de lattes ou de plaques de ferrite avec de la cémentite entre elles, tandis que la bainite inférieure contient des arrangements de carbures plus fins à l’intérieur ou à proximité des plaques de ferrite. Selon la référence de ScienceDirect consacrée aux traitements thermiques des aciers, la bainite inférieure est plus dure que la bainite supérieure. Ne qualifiez pas automatiquement de bainite toute région sombre et aciculaire : la martensite non revenue, la bainite inférieure et la perlite fortement attaquée peuvent avoir une apparence similaire.

La martensite présente couramment une morphologie en lattes dans de nombreux aciers à faible et moyenne teneur en carbone, et une morphologie en plaques dans certains aciers à plus forte teneur en carbone ou alliés. Des paquets de lattes et des régions plus massives peuvent être visibles, mais la microscopie optique ne permet souvent pas d’établir cette distinction avec certitude. La martensite peut également être mélangée à de la ferrite, de la bainite, des carbures et de l’austénite retenue, notamment lorsque la trempabilité, la taille de la section ou le refroidissement ne sont pas uniformes. Un constituant sombre situé à un joint d’ancien grain d’austénite n’est pas automatiquement de la martensite ; la ferrite de joint et les films de carbure peuvent produire un contraste similaire.

C’est pourquoi le Cambridge Phase Transformations Group décrit le refroidissement continu d’un acier hypoeutectoïde comme produisant couramment de la ferrite allotriomorphe et de la perlite, avec des mélanges progressivement différents comprenant de la perlite plus fine, de la bainite, de la martensite et de l’austénite retenue lorsque le refroidissement devient plus rapide ou que la trempabilité augmente. Cette séquence constitue un cadre utile, mais ne remplace pas l’examen.

Morphologie et identification des phases

La morphologie décrit la forme et l’arrangement. L’identification d’une phase établit la nature de la région. Ces deux tâches se recoupent, mais elles ne sont pas interchangeables.

Utilisez la morphologie pour formuler une hypothèse. Un film de joint suggère de la ferrite allotriomorphe ; des plaques parallèles suggèrent de la ferrite de Widmanstätten ; des colonies suggèrent de la perlite ; des groupes de lattes suggèrent de la bainite ou de la martensite. Vérifiez ensuite cette hypothèse en vous appuyant sur la chimie et la cristallographie. Une attaque sélective, la lumière polarisée lorsque cela est approprié, la microscopie électronique à balayage, la diffraction des électrons rétrodiffusés, la microscopie électronique en transmission ou la diffraction des rayons X peuvent fournir des éléments que l’apparence optique ne permet pas d’obtenir.

La préparation peut modifier la réponse apparente. Une attaque excessive élargit les joints et assombrit les constituants fins. Un polissage insuffisant peut arracher la cémentite ou laisser une déformation ressemblant à de la martensite. L’orientation de la coupe peut masquer les lamelles de perlite, tandis qu’une coupe bidimensionnelle à travers une structure tridimensionnelle en lattes peut donner à la bainite une apparence granulaire. Le grossissement est également important : une région qui semble homogène à 200× peut se révéler constituée de ferrite et de cémentite à 5 000×.

Un rapport rigoureux doit donc séparer l’observation de l’interprétation : « colonies sombres avec des lamelles partiellement résolues » est une observation ; « perlite » est une interprétation étayée par cette observation et, si nécessaire, par des éléments obtenus à plus haute résolution ou par des analyses. Le traitement publié en 2024 par ASM International place l’austénite, la ferrite, la diffusion du carbone, la bainite, la cémentite, la martensite, la perlite et les transformations de phases dans un même cadre interprétatif. Cela rappelle qu’aucun élément visuel isolé ne suffit à établir un diagnostic complet.

Austénite retenue et morphologie de la cémentite

L’austénite retenue est l’austénite qui subsiste après le refroidissement au lieu de se transformer complètement. Dans une structure martensitique, elle peut apparaître sous forme de films minces entre les lattes, d’îlots massifs entre les paquets ou de régions irrégulières à proximité de zones enrichies en carbone. Le contraste varie fortement selon le réactif d’attaque et le mode d’imagerie ; une région claire entre des lattes de martensite ne doit donc pas être identifiée comme de l’austénite retenue sur la seule base de son apparence. La diffraction des rayons X, l’EBSD ou des méthodes métallographiques soigneusement validées peuvent être nécessaires.

La cémentite, Fe₃C, est tout aussi importante, car sa forme enregistre la manière dont le carbone s’est redistribué. Dans la perlite, elle forme des lamelles avec la ferrite. Dans la bainite, elle se présente sous forme de particules ou de films discrets associés aux plaques de ferrite, bien que l’arrangement diffère entre la bainite supérieure et la bainite inférieure. Dans un acier sphéroïdisé, les lamelles de cémentite de la perlite se sont transformées en particules arrondies. Le Cambridge Phase Transformations Group indique explicitement en 2008 que la sphéroïdisation transforme les lamelles de cémentite perlitique en particules.

Enfin, reliez chaque constituant observé au parcours thermique : condition d’austénitisation, diffusion du carbone, continuité du refroidissement, interruption de la transformation, ainsi que tout revenu ou recuit ultérieur. Une image mixte ne signifie pas nécessairement que le traitement a échoué. Elle témoigne des endroits où les transformations ont commencé, se sont arrêtées ou se sont déroulées à des vitesses différentes.

De la microstructure aux propriétés mécaniques

Résistance, dureté et morphologie des transformations

Les propriétés mécaniques résultent de la structure produite au cours de la transformation, et non du seul mot trempe. NPTEL indique en 2024 que « les traitements thermiques modifient principalement les propriétés mécaniques en modifiant la microstructure ». La trempe modifie le parcours thermique à partir de l’austénite, mais la dureté obtenue dépend des transformations qui se produisent, de la proportion de chaque constituant et de l’organisation de ces constituants.

ASM International décrit les microstructures des aciers traités thermiquement comme des associations de fer, de carbone et d’éléments d’alliage qui forment de la ferrite, de la bainite, de la cémentite, de la martensite et de la perlite. L’austénite est la phase mère de nombreux traitements, tandis que la diffusion du carbone et la concurrence entre les mécanismes de transformation déterminent les produits qui la remplacent. Un acier hypoeutectoïde refroidi lentement ou modérément peut contenir de la ferrite allotriomorphe et de la perlite ; un refroidissement plus rapide peut produire une perlite plus fine, de la bainite, de la martensite ou de l’austénite retenue, selon la composition et la trempabilité. Le groupe Phase Transformations de l’Université de Cambridge a décrit cette évolution pour un acier hypoeutectoïde refroidi continûment en 2011.

La morphologie est tout aussi importante que le nom de la phase. Les grains de ferrite, les particules de cémentite, les colonies de perlite, les plaquettes de ferrite bainitique, les paquets de martensite et les zones d’austénite retenue ne résistent pas à la déformation de la même manière et ne répartissent pas les contraintes de la même façon. Un acier contenant une faible fraction de martensite dans une matrice ferritique n’est pas mécaniquement équivalent à un acier contenant principalement de la martensite avec de la ferrite isolée. Tous deux peuvent être décrits comme des « aciers martensitiques », mais leur résistance, leur dureté, leur ductilité et leur comportement à la rupture peuvent différer considérablement.

La martensite accroît généralement la dureté, car le carbone est piégé dans un réseau de fer sursaturé et déformé au cours de la transformation sans diffusion de l’austénite en martensite. Cette description ne fournit toutefois pas une valeur universelle de dureté. La teneur en carbone, la taille des grains d’austénite préalable, les éléments d’alliage, la sévérité de la trempe, la taille de la section, le revenu et l’austénite retenue influencent tous le résultat. Le revenu modifie ensuite la structure martensitique en permettant la redistribution du carbone et la formation de carbures ; il réduit généralement la dureté après trempe tout en améliorant la stabilité dimensionnelle et la ténacité.

L’austénite retenue complique également un classement simple des duretés. Elle est plus tendre que la martensite non revenue dans de nombreux aciers trempés, mais elle peut se transformer en service ou pendant un essai, ce qui modifie les dimensions et les contraintes locales. La morphologie de la cémentite est également importante. La référence de Cambridge de 2008 indique que la sphéroïdisation transforme les lamelles de cémentite de la perlite en particules. L’agencement ferrite–cémentite qui en résulte se déforme généralement différemment de la perlite lamellaire ; ainsi, le terme « perlite » ne suffit pas à lui seul à décrire l’état mécanique.

Le rôle de la finesse de la perlite et du type de bainite

La perlite est constituée de ferrite et de cémentite formées conjointement, généralement sous la forme de lamelles alternées. Sa résistance est fortement influencée par la finesse de la perlite, c’est-à-dire par l’espacement et la finesse de ces lamelles ainsi que par la taille des colonies de perlite. La synthèse de 2024 sur les traitements thermiques des aciers publiée par ScienceDirect identifie la perlite grossière, formée à des températures de transformation plus élevées, comme relativement tendre, et la perlite plus fine comme plus résistante. Des lamelles de cémentite rapprochées entravent plus efficacement le mouvement des dislocations que des lamelles largement espacées, tandis que les colonies fines réduisent également la distance sur laquelle la déformation peut se concentrer.

Cela ne signifie pas que tous les aciers perlitiques fins présentent la même résistance. La composition de la ferrite, la teneur en carbone, la taille des colonies, la fraction de perlite et la présence éventuelle de ferrite proeutectoïde restent importantes. Une structure hypoeutectoïde contenant beaucoup de ferrite et une perlite fine peut être moins résistante qu’une structure à plus forte teneur en carbone contenant une fraction de perlite plus importante, même si toutes deux contiennent de la « perlite fine ». La distribution est déterminante : des régions ferritiques continues, des constituants en bandes et des colonies isolées produisent des modes de déformation différents.[4][4] Steel Heat Treatment. ScienceDirect. ScienceDirect Topics, 2024.

La bainite exige la même rigueur. ScienceDirect décrit la bainite comme une structure ferrite–Fe3C non lamellaire et indique que la bainite inférieure est plus dure que la bainite supérieure. La bainite supérieure contient généralement de la ferrite formée selon une organisation en faisceaux, avec de la cémentite entre les régions ferritiques, tandis que la bainite inférieure se forme dans une plage de transformation plus basse et comporte des carbures fins à l’intérieur des plaquettes de ferrite ou en étroite association avec celles-ci. La distribution plus fine des carbures rend la bainite inférieure plus résistante au mouvement des dislocations.

Le qualificatif « bainitique » laisse donc de côté des informations essentielles. La distinction entre bainite supérieure et bainite inférieure, la taille et la position des carbures, la morphologie de la ferrite, la fraction de constituants et la présence de martensite ou d’austénite retenue influencent toutes les propriétés mesurées. Les structures mixtes sont fréquentes après un refroidissement continu, en particulier lorsque différentes parties d’une section suivent des histoires thermiques différentes. La surface peut contenir de la martensite, tandis que le cœur contient de la bainite, de la perlite ou de la ferrite. La dureté varie alors avec la profondeur au lieu de prendre une valeur unique pour l’ensemble du composant.

Pourquoi la composition et la trempabilité restent essentielles

La composition détermine à la fois les produits de transformation disponibles et les températures et durées auxquelles ils se forment. Le carbone influence la stabilité de l’austénite, la quantité de cémentite susceptible de se former et le potentiel de dureté de la martensite. Les éléments d’alliage modifient la cinétique des transformations, la formation des carbures, la diffusion et la trempabilité. La trempabilité n’est pas synonyme de dureté : elle décrit l’aptitude d’un acier à former des produits de transformation plus durs à travers une section dans des conditions de refroidissement données.

La taille de la section rend cette distinction concrète. Une petite section peut refroidir rapidement dans toute son épaisseur, tandis qu’une grande section développe, à cœur, un refroidissement plus lent. Une même composition et un même cycle au four peuvent donc produire de la martensite près de la surface, mais de la perlite ou de la bainite au centre. Le milieu de trempe, l’agitation, le traitement d’austénitisation, le temps de transfert et le cycle de revenu ajoutent d’autres sources de variation.

Pour cette raison, aucune valeur universelle de propriété ne peut être attribuée à la ferrite, à la perlite, à la bainite, à la martensite ou à un traitement thermique donné sans préciser la composition, la taille de la section, le cycle de traitement et la méthode d’essai. Une dureté mesurée selon Vickers, Brinell ou Rockwell n’est pas interchangeable sans précautions, et un résultat de dureté ne permet pas à lui seul de prédire complètement la ténacité, la ductilité, le comportement en fatigue ou le comportement à la rupture. Une interprétation défendable commence par la microstructure complète : fractions des constituants, morphologie, finesse, distribution et histoire de transformation. La trempe n’est qu’un événement parmi d’autres dans cette séquence.

Une séquence pratique de référence pour l’analyse des traitements thermiques de l’acier

Commencer par la composition et l’état initial de l’acier

Commencez par identifier le matériau, et non par la dureté mesurée. Notez exactement la désignation de la nuance telle qu’elle est fournie, la norme applicable, ainsi que la coulée ou la forme du produit lorsqu’elles sont connues. Une mention telle que « AISI/SAE 1045, normalisé » apporte davantage d’informations que « acier de dureté moyenne » ; une mention telle que « ASTM A36 » identifie une spécification, mais n’établit pas à elle seule l’historique thermique antérieur ni la microstructure finale. L’analyse chimique doit inclure le carbone, le manganèse, le silicium, le chrome, le molybdène, le nickel, le vanadium et les autres additions intentionnelles, ainsi que les éléments résiduels lorsqu’ils peuvent affecter la transformation.

La teneur en carbone détermine si un acier au carbone non allié est hypoeutectoïde, eutectoïde ou hypereutectoïde par rapport à la composition eutectoïde. Pour un acier hypoeutectoïde, le refroidissement depuis l’austénite permet généralement à de la ferrite proeutectoïde de se former avant que l’austénite restante ne se transforme en perlite. Cette distinction est importante : ferrite plus perlite ne constitue pas la même structure que de la perlite seule, même lorsque les deux échantillons présentent des valeurs de dureté similaires.

L’état initial doit également être consigné. Les états brut de réception, laminé à chaud, normalisé, recuit, trempé et revenu, cémenté et écroui présentent des tailles de grains, des répartitions de carbures, des contraintes résiduelles et des historiques d’austénite antérieure différents. L’acier sphéroïdisé constitue un cas particulièrement important. Le Phase Transformations Group de l’Université de Cambridge a indiqué en 2008 que la sphéroïdisation transforme les lamelles de cémentite perlitique en particules. Les constituants nominaux restent la ferrite et la cémentite, mais leur géométrie modifie la réponse aux chauffages, aux déformations et aux durcissements ultérieurs.

La taille des grains et la ségrégation méritent une place dans le relevé. Une structure à gros grains d’austénite antérieure peut favoriser des morphologies de transformation différentes de celles produites par une structure à grains fins, tandis que la ségrégation en bandes peut entraîner des répartitions de ferrite, de perlite ou de martensite dépendant de la direction. « Ferrite » constitue donc une observation incomplète si son emplacement et sa forme ne sont pas également décrits.

Reconstituer le cycle de chauffage et de refroidissement

Reconstituez ensuite le parcours thermique sous forme de séquence, plutôt que d’attribuer simplement un nom au traitement. Notez la température de départ, la vitesse de chauffage lorsqu’elle est disponible, la température d’austénitisation et le temps de maintien, l’état du four ou de l’atmosphère, le temps de transfert, le milieu de trempe, l’agitation, les interruptions du refroidissement ainsi que toute étape de réchauffage ou de revenu. « Trempé » décrit une opération ; cela ne prouve pas que toute la section est devenue martensitique.

Demandez-vous d’abord quelles phases étaient présentes pendant le chauffage. Le recuit ou la normalisation peuvent dissoudre une partie de la cémentite et produire de l’austénite, tandis qu’un traitement intercritique peut laisser de la ferrite non dissoute. La cémentation modifie le profil de carbone ; la surface et le cœur suivent donc des parcours de transformation différents pendant le refroidissement. La décarburation peut produire un gradient opposé. Une seule valeur de dureté peut dissimuler ces deux situations.

Identifiez ensuite la plage probable de transformation. La diffusion du carbone permet la redistribution de la ferrite et de la cémentite au cours des transformations diffusionnelles. À des températures de transformation plus élevées, la perlite présente généralement un espacement plus grossier ; la présentation de 2024 consacrée aux traitements thermiques des aciers, publiée par ScienceDirect, décrit la perlite grossière comme relativement tendre et la perlite plus fine comme plus résistante. La même source définit la bainite comme une structure non lamellaire de ferrite–Fe3C et indique que la bainite inférieure est plus dure que la bainite supérieure. Il s’agit de distinctions morphologiques et transformationnelles, et non simplement de points sur une échelle de dureté.

La vitesse de refroidissement, l’épaisseur de la section, les éléments d’alliage et la taille des grains d’austénite antérieure déterminent les transformations susceptibles de se produire avant que l’acier n’atteigne des températures plus basses. Le chrome, le molybdène, le manganèse et le nickel peuvent modifier la diffusion, la cinétique de transformation et la trempabilité. Un refroidissement plus rapide peut inhiber la ferrite et la perlite diffusionnelles et permettre la formation de bainite ou de martensite, mais le résultat peut rester mixte, car le refroidissement est rarement identique dans toute une pièce. De l’austénite retenue peut subsister lorsque la transformation est incomplète.

Le Phase Transformations Group de Cambridge a rapporté en 2011 qu’un refroidissement continu produit couramment de la ferrite allotriomorphe ainsi que de la perlite dans un acier hypoeutectoïde. Avec un refroidissement plus rapide ou une trempabilité plus élevée, la séquence peut évoluer vers de la perlite plus fine, de la bainite, de la martensite et de l’austénite retenue. Cette séquence constitue un cadre d’interprétation utile, mais ne remplace ni l’enregistrement thermique réel ni l’examen microscopique.

Décrire précisément les constituants et la morphologie

Distinguez le nom du constituant de sa morphologie. Lorsque les observations l’étayent, indiquez « ferrite allotriomorphe proeutectoïde », « colonies de perlite à faible espacement interlamellaire », « bainite supérieure », « bainite inférieure », « martensite en lattes », « martensite en plaquettes », « austénite retenue » ou « particules de cémentite sphéroïdisées ». Ne réduisez pas toutes les régions à attaque sombre à de la « perlite » et ne qualifiez pas toute région aciculaire de « martensite ».

La ferrite peut se présenter sous forme de grains allotriomorphes le long des joints de grains de l’austénite antérieure ou sous forme de plaques de Widmanstätten. La cémentite peut apparaître sous forme de lamelles perlitiques, de particules bainitiques, de particules sphéroïdisées ou de carbures non dissous. La martensite peut avoir une forme en lattes ou en plaquettes, et son aspect peut être modifié par le revenu. La bainite doit être identifiée d’après son arrangement ferrite–carbures et son contexte de transformation, et non d’après sa seule forme.

Utilisez des méthodes de microscopie adaptées à la question étudiée. La microscopie optique peut révéler la répartition des constituants et la structure des colonies de perlite ; la microscopie électronique à balayage peut résoudre des arrangements de carbures plus fins ; les essais de dureté et la diffraction peuvent étayer l’identification métallographique, mais ne peuvent pas la remplacer. Si la présence d’austénite retenue est suspectée, indiquez la méthode utilisée pour l’évaluer. Évitez d’affirmer la présence d’une phase unique lorsque l’image montre un mélange de transformation.

Un flux de travail reproductible consiste à : établir la composition et déterminer, lorsque cela est pertinent, si l’acier est hypoeutectoïde ; documenter l’état initial ; reconstituer le chauffage, l’austénitisation, le refroidissement, la trempe et le revenu ; prendre en compte la diffusion, les effets des éléments d’alliage, la dimension de la section et la vitesse de refroidissement ; identifier les constituants obtenus ; puis décrire séparément la morphologie et les noms nominaux des phases. La description publiée en 2024 par ASM International constitue la correction appropriée à une approche fondée d’abord sur la dureté : les microstructures des aciers traités thermiquement sont des associations de fer, de carbone et d’éléments d’alliage formant de la ferrite, de la bainite, de la cémentite, de la martensite et de la perlite. Après traitement, l’acier est généralement l’enregistrement, dans une microstructure mixte, d’un historique de transformations, et non une simple catégorie de dureté.

Références

1. [1]ASM International. Introduction to Steel Heat Treatment. ASM Handbook, 2024. https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/18/chapter-abstract/278662/Introduction-to-Steel-Heat-Treatment-1
2. [2]ScienceDirect. Steel Heat Treatment. ScienceDirect Topics, 2024. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/steel-heat-treatment
3. [3]University of Cambridge Phase Transformations Group. Steel Microstructure. Phase Transformations Group reference material, 2008. https://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2008/Steel_Microstructure/SM.html
4. [4]ScienceDirect. Steel Heat Treatment. ScienceDirect Topics, 2024. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/steel-heat-treatment