Fig.1 : Explication du diagramme TTT pour un acier eutectoïde

1. Description :

Le diagramme TTT indique les transformations isothermes (à température constante), d'un matériau, suite à un refroidissement ultrarapide à partir d'une température d'austénitisation jusqu'à la température d’intérêt. Voir Fig. 1

Sur chaque ligne isotherme on marque les temps de début et de fin des différentes transformations. l'ensemble des points qui définissent les temps de début et de fins des transformations correspondent aux courbes de de début et de fin de transformation.

À la température d'austénitisation Ta>Ac3, l'austénite est stable, suite au refroidissement rapide, au dessous de la ligne Ac3, l'austénite devienne instable (car elle s'est située à une température inférieure à sa température d'équilibre) et ne se transformera pas brusquement, mais elle reste quelque temps pourqu'elle commance à se transformer.

On définit le temps d’incubation à une température de maintient donnée, le temps nécessaire pour commencer la transformation de l’austénite (instable).

2. Méthode d’obtention pratique:

Physiquement, un tel traitement est réalisé en trempant un bout de métal dans un bain liquide à la température souhaitée. Ensuite, on sort l’éprouvette après des différents temps et on fait une analyse métallographique de la structure pour déterminer la fraction transformée après les différents temps. Pour des températures allant jusqu’à 250°C on refroidit dans des bains d’huiles, pour les températures plus élevées on se sert de bain de sel.

3. Lecture du diagramme :

Puisqu’il s’agit des diagrammes pour des transformations isothermes, on ne peut les lire qu’à température constante c’est-à-dire: qu’enligne horizontale (lignes isothermes). Les courbes limitant les domaines des différentes phases sous forme de nez indiquent, en fonction de la température, après combien de temps de maintien la phase γ commence à se former et quand leur formation est terminée.

4. Forme de la courbe TTT :

La forme des nez est en fait liée au taux de transformation. A une température près de l’équilibre le taux de transformation (*) est bas, et beaucoup plus bas en température ambiante c’est la vitesse de déformation qui limite et le taux de transformation et la croissance à partir des germes stables. Entre deux, le taux de transformation passe par un maximum et ceci se produit dans une température intermédiaire à laquelle la transformation est la plus rapide.

5. Composés et transformations du diagramme TTT :

5.1. Transformation perlitique :

Quand l’acier se transforme à haute température avec un faible sous refroidissement, la perlite est grossière et les lamelles de carbure largement espacées. A plus basse température, la perlite obtenue est plus fine, parfois appelée “troostite”.

Fig. 2 : Transformation perlitique

5.2. Transformation bainitique :

En dessous du nez de la courbe en C, la transformation est trop rapide pour que l'austénite puisse se transformer (précipiter) en belles lamelles de perlite. Dans ce cas, il croît en fibres isolées (lamelles de ferrites et des particules (Plaquettes) de carbure Fe3C) et la structure ainsi obtenue est la “bainite supérieure” (figure 3).

Quand la température de transformation isotherme est encore plus basse, l'austénite croit sous forme de petits cylindres (‘bainite inférieure”).

Fig.3 Microstructure bainitique

La bainite est un constituant qui possède les mêmes phases que la Perlite mais la microstructure est différente (plus fine) sous forme d'aiguilles.

Fig. 4 Microstructure de la bainite

(selon wikipedia.org)

5.3. Transformation martensitique :

Pour faire de la martensite dans du fer, il faut le refroidir très rapidement. Prenons le cas de l’acier à 0,8% de carbone qui est un acier eutectoïde : quand on le refroidit lentement, il se transforme en perlite (Fe3C +α). Cette réaction eutectoïde ne peut se produire qu’en dessous de 723°C. Le nez de la courbe en C est aux environs de 525°C (figure 7) soit environ 175°C en dessous du nez de la courbe en C du fer pur qui est environs de 700°C. Par suite une vitesse de refroidissement de 200°C.s-1 suffit à éviter le nez de la courbe en C à 1%, et à produire la martensite.

La transformation de l’austénite en martensite est indépendante du temps, elle dépend principalement de la température de maintien après trempe. La transformation débute à une température de refroidissement appelée « Ms », et se termine à une température de fin de transformation désigné « Mf », (M Martensite, s : start et f : finish). Fig 5.

A une température intermédiaire située dans l’intervalle (Ms, Mf), correspond un certain taux de transformation martensitique. “Ms” et “Mf” sont de températures caractéristiques de la transformation martensitique, qui varient en fonction du taux de carbone

Toute quantité d’austénite non transformée à la température de la trempe est appelée “austénite résiduelle”.

Fig.5 Transformation martensitique

Fig. 6 Martensite

Exemple :

Si l’acier est trempé à l’eau froide, la phase ne se transformera pas complètement en martensite. L’acier retiendra de la phase “résiduelle” qui ne se transformera en martensite que si l’acier est refroidi en dessous de la température MF égale à -50°C.

6. Exemples :

Soit un acier hypoeutectoïde de composition indiquée par fig.6,

Fig. 6 : Diagramme TTT pour un acier de composition donnée

Pour un refroidissement jusqu’à la température de maintient 600°C, on peut donc trouver qu’à partir de 20 secondes de maintien, commence à se former la ferrite. De même après 50 secondes la décomposition eutectoïde en ferrite et carbure, donc la perlite, commence. Elle est terminée après à peu près 15 minutes. Toute à droite on peu encore trouver la dureté qui résulte de cette transformation. Pour notre cas à 600°C elle prend une valeur de 30 sur l’échelle HRC.