La Perlite :
C’est un agrégat constitué de ferrite et de cémentite qui résulte de la transformation eutectoïde :
Austénite à Ferrite + Cémentite
Ces deux constituants
apparaissent sous la forme de plaquettes alternées et formant des
« colonies ».Dans chaque « colonie », les plaquettes sont
parallèles et régulièrement espacées. Pour une même température de
transformation, l’espace qui sépare les plaquettes est sensiblement le même
dans toutes les colonies.
L’examen
d’une coupe plane, d’un échantillon perlitique ( coupe métallographique ),
montre des lamelles alternées de ferrite et de cémentite : l(‘épaisseur
apparente des lamelles peut varier de façon très sensible selon la colonie
considérée ( orientation de celle-ci par rapport au plan de coupe ).
La
proportion en poids de ferrite dans la perlite est de 87% et donc celle de la
cémentite de 13%.Les densités de ces deux constituants étant voisines, les
proportions en volumes et en poids sont très voisines. Les lamelles de ferrite
sont donc beaucoup plus épaisses que celle de cémentite.
La
finesse de la perlite ( épaisseur des lamelles ) est étroitement liée à la
température de transformation. Ainsi, les fontes alliées (CU ; Sn ;
…) présentent une perlite très fine ( abaissement du palier eutectoïde ).
Observée
à faible grossissement après une attaque métallographique ordinaire( Nital 4%,
Picral ; …), la perlite apparait en brun ou en couleur sombre, et présente
souvent un aspect irisé. Cet effet est dû à la réflexion de la lumière sur les
joints qui séparent les lamelles de ferrite et de cémentite et qui sont creusés
par l’attaque métallographique.
Observée
à plus fort grossissement, la perlite peut être « résolue ».On
remarque alors les deux constituants et les joints qui sont fortement attaqués.
Selon la
composition, l’épaisseur des pièces ou les traitements thermiques, la
proportion de perlite présente dans la matrice des fontes peut varier de 0 à
100%.Le complément peut être constitué de ferrite, de martensite, de
bainite,…..
Un
traitement thermique effectué sur une fonte perlitique à pour effet :
-
De décomposer la cémentite de la perlite dont
le carbone précipite sur le graphite.
-
De provoquer la coalescence des lamelles de
cémentite.
Un refroidissement lent peut avoir
des effets semblables.
Selon la température et la
durée du traitement, on peut obtenir :
-
Une matrice constituée entièrement de perlite
coalescée.
-
Une matrice constituée de perlite coalescée
et de ferrite en proportion variables.
-
Une matrice entièrement ferritique (
traitement de ferritisation ).
La Martensite :
Selon la vitesse de refroidissement, la température de
trempe, la composition chimique, la transformation eutectoïde peut être
escamotée et l’austénite peut se transformer en martensite.
Cette
transformation se produit sans diffusion, elle est le résultat d’un déplacement
coopératif d’un ensemble d’atomes groupés dans un plan cristallographique bien
défini ; elle s’apparente d’avantage à une déformation plastique (
cisaillement ) qu’aux autres transformations du type germination et croissance.
La
martensite est une solution solide de carbone dans la phase Alpha. Son réseau
est quadratique centré, voisin de celui du fer Alpha.
La
transformation martensitique est caractérisée par une température de début (Ms)
et de fin (Mf) de transformation. Mf est
souvent situé au-dessous de la température ambiante, c’est pour cela que l’on
observe souvent de l’austénite résiduelle.
Les
cristaux de martensite se présentent sous forme de plaquettes allongées dans
une direction et orientées à l’intérieur de chaque grain initial d’austénite
suivant trois directions parallèles aux cotés d’un triangle équilatéral.
L’examen
d’une coupe plane d’un échantillon martensitique montre une structure aiguillée
très caractéristique. Les aiguilles voisines forment, à l’intérieur d’un même
grain austénitique initial, des angles d’ouverture sensiblement constante.
Selon la
finesse de la martensite et le degré de l’attaque métallographique, la
coloration peut être brune ( claire à sombre ) ou bleue ( souvent très sombre
).
Après un
revenu de détente, la martensite conserve le même aspect qu’a l’état brut de
trempe.
Après un
revenu effectué en vue de modifier la structure, on observe selon la durée et la
température de traitement :
-
Une structure d’aspect très aiguillé dans
laquelle les aiguilles de martensite nettement reconnaissables encore sont
doublées d’une précipitation de fins carbures.
-
Une structure d’aspect aiguillé constitué de
fins carbures alignés selon les orientations des aiguilles de martensite
disparues et de ferrite ( sorbite orientée ).
-
Une structure constituée de fins carbures
répartis au hasard sur une matrice ferritique ( sorbite ).
La Bainite :
Des additions d’éléments carburigènes font apparaître sur les courbes TRC et TTT une bosse supplémentaire, située entre la transformation perlitique et la transformation martensitique, qui correspond à la transformation bainitique.
Cette
transformation se produit avec diffusion des éléments carburigénes, mais
celle-ci reste faible en raison de la température où se produit cette
transformation.
La
bainite est constituée de ferrite fortement alliée ( en éléments carburigénes )
et de cémentite peu alliée.
L’aspect
de la ferrite ( constituant directeur ) est aciculaire. C’est elle qui donne à
la bainite son apparence particulière.
Une
attaque métallographique ordinaire met bien en évidence ces aiguilles de
ferrite dont le contour est souvent irrégulier.
Selon la
composition chimique, la vitesse de refroidissement ou la température du
maintien isotherme, la bainite peut être plus ou moins fine ( Bainite
supérieure ou inférieure ).
La Troostite :
Pour une vitesse de refroidissement un peu supérieure à celle de la transformation perlitique, la diffusion du carbone est encore suffisante mais celle du fer est très faible, on obtient alors un agrégat appelé TROOSTITE qui est constitué de ferrite et de cémentite orientée selon certains plans du réseau de l’austénite.
La
Troostite n’est pas résolue en microscopie optique ; elle se présente
souvent sous la forme de rognons dans lesquels on aperçoit des orientations
radiales.
En
raison de la fine dispersion de ses deux constituants, la Troostite se colore très
rapidement lors de l’attaque métallographique. Elle apparaît en gris clair ou
sombre selon la durée de l’attaque.
La
Troostite est souvent associée à la martensite ou à la perlite fine.
Les Carbures Complexes :
Il
existe une grande variété de fontes blanches alliées. Les éléments d’alliage
sont :
-
Des éléments non carburigénes :
Ni ; Si ; Al ; Cu ; …
-
Des éléments carburigènes : Mn ;
Cr ; Mo ; W ; Ta ; V ; Nb ; Ti.
Si les
éléments carburigènes se trouvent en faible proportion dans la fonte, le carbure
a la structure de la cémentite, car ces éléments sont solubles en faible
proportion dans celle-ci.
Au-delà
d’une certaine proportion, il apparaît des carbures complexes ou spéciaux qui
coexistent souvent avec la cémentite. Ces carbures ont une formule du type ( X,
Fe ) x Cy.
L’aspect de
ces carbures est très variable selon la nature de l’élément carburigène, la
proportion de cet élément ajoutée à la fonte et la vitesse de refroidissement.
Ainsi, le
chrome favorise souvent l’apparition de carbures polyédriques, le vanadium
donne des carbures légèrement rosés, d’aspect globulaire ou étoilé…
L’Eutectique Phosphoreux :
Afin
d’améliorer la coulabilité de la fonte, on a recours à des additions de phosphore.
Dés que la teneur de cet élément dépasse 0,10% environ, on remarque
l’apparition d’un eutectique ternaire. L’intervalle de solidification se trouve
considérablement augmenté.
Cet
eutectique ternaire est constitué de phosphure de fer, d’austénite et de
cémentite ( eutectique phosphoreux ternaire) ou de graphite ( eutectique
phosphoreux pseudo-binaire ).
Selon
les ségrégations et les conditions de refroidissement, l’austénite peut se
transformer en perlite ou donner des cristaux de ferrite.
L’eutectique
phosphoreux pseudo-binaire se présente sous forme de cristaux aux contours plus
ou moins arrondis et dans lesquels on remarque la présence de globules (
austénite transformée le plus souvent en perlite ).
L’eutectique
phosphoreux ternaire présente en plus de petites plaquettes de cémentite
dispersées dans les cristaux.
Répartition des cristaux d’eutectique phosphoreux :
Dans les pièces de faible
épaisseur :
Réseau continu ou discontinu dans les joints de cellules.
Dans les pièces de moyenne
épaisseur :
Cristaux répartis de façon sensiblement uniforme.
Dans les pièces de forte
épaisseur :
Réseau discontinu dans les joints de cellules ( faible
phosphore )
Le phosphure de fer de l’eutectique phosphoreux peut
être coloré à l’aide du réactif à l’hypobromite de soude.
Dans
certains cas ( solidification rapide ; présence d’éléments stabilisateurs
des carbures, faible silicium), on peut obtenir un réseau de cristaux mixtes (
eutectique phosphoreux + carbures ).Dans ce cas, les carbures ont une forme
analogue à celle des cristaux d’eutectique phosphoreux ; l’imbrication des
cristaux est moins nette que dans le cas de l’eutectique ternaire.
Dans les
pièces traitées thermiquement l’aspect de l’eutectique phosphoreux peut changer,
les globules d’austénite coalescent. On peut observer après un traitement assez
prolongé des cristaux unis de phosphure de fer.
Sulfures de Manganèse Eutectique Phosphoreux
FGL 250 , après attaque Nital , Grossissement x 500 ,
matrice perlitique.
INCLUSIONS NON-METALLIQUES
Les Sulfures :
Le
diagramme FeS-Fe3C présente un eutectique ternaire riche en FeS, or
ce FeS a une température de fusion assez basse ( 1190° C au maximum ).De plus
l’activité du soufre dans le bain liquide à une très grande importance pour la
métallurgie de la fonte.
On
ajoute à la fonte du manganèse. Le soufre apparait alors dans les inclusions de
MnS dont le point de fusion est voisin de 1600° C.Ces inclusions sont rarement
constituées uniquement de MnS. Il s’agit en général d’un composé MnS FeS ( FeS
soluble dans MnS ).
Les
inclusions de MnS apparaissent en gris gorge de pigeon ( ou gris souris ).Elles
sont isotropes en lumière polarisée.
Ces inclusions peuvent prendre :
-
Une forme compacte idiomorphe ( fonte coulée
à basse température )
-
Une forme d’ancre ( bas soufre ) Haute
température
-
Une forme dendritique ( soufre en quantité
importante ) Haute température
Souvent ces formes évoluent selon
des phénomènes très complexes. Les formes les plus courantes sont compactes.
Dans les pièces massives, les
sulfures de manganèse peuvent ségréger ( faible densité ).
Dans les pièces minces, ils
sont répartis uniformément dans la masse.
Dans les fontes
hypoeutectiques, le développement des dendrites d’austénite contribue à
diminuer la ségrégation majeure.
S’il existe un déséquilibre du
rapport S/Mn, il peut apparaître un eutectique MnS - FeS. On observe alors des
inclusions doubles ( jaune d’ocre clair- gris ).
Les autres sulfures que l’on
peut rencontrer sont les TiS.
Carbonitrures de titane Sulfures de manganèse
FGL 250 , après attaque Nital
, grossissement x 500 , matrice perlitique.
Les
Nitrures :
Le titane souvent ajouté en faible quantité à la
fonte est très avide d’azote. Le nitrure formé est très stable ( fusion à 2900°
C ) ; la couleur de ce nitrure est jaune-orangé.
Le titane à également une
forte affinité pour le carbone. Il se forme des combinaisons complexes :
carbonitrure ou cyano-nitrures. Ces inclusions ont également une couleur
jaune-orangé. Leur forme est souvent polyédrique. Elles voisinent souvent avec
les inclusions de sulfure de manganèse.
Sulfure de Manganèse Carbonitrure de titane
FGL 250 , après attaque Nital
, grossissement x 500 , matrice perlitique.