Austénite, ferrite, perlite, bainite, martensite

Austénite

Définition : Une solution solide de carbone et d'éléments d'alliage dissous dans du γ-Fe, conservant le réseau cubique à faces centrées du γ-Fe.

Caractéristiques : L’austénite est la microstructure de l’acier ordinaire à haute température, présente dans une plage de température et de composition spécifique. Certains aciers trempés conservent de l’austénite à température ambiante ; on parle alors d’austénite résiduelle. L’austénite est généralement constituée de grains polygonaux équiaxes présentant des macles. Immédiatement après la transformation thermique, les grains d’austénite sont relativement petits, avec des joints de grains irréguliers en forme d’arc. Après une période de chauffage ou de maintien, les grains croissent et les joints de grains peuvent devenir plus rectilignes. Sur le diagramme de phase fer-carbone, l’austénite est une phase haute température, présente au-dessus de la température critique A1, formée par la transformation eutectoïde inverse de la perlite. L’ajout d’éléments chimiques suffisants pour étendre le domaine de la phase austénitique, tels que le nickel et le manganèse, permet de stabiliser l’austénite à température ambiante, comme dans l’acier austénitique.

Ferrite

Définition : Solution solide de carbone et d’éléments d’alliage dissous dans du fer α. Caractéristiques : Dans l’acier hypoeutectoïde, la ferrite, lors d’un refroidissement lent, est massive et présente des joints de grains relativement lisses. Lorsque la teneur en carbone approche la composition eutectoïde, la ferrite précipite le long des joints de grains.

Cémentite

Définition : Composé formé de carbone et de fer. Caractéristiques : La cémentite est peu corrodée par les solutions d'acide nitrique et d'alcool et apparaît d'un blanc éclatant au microscope. En revanche, elle est corrodée par le picrate de sodium alcalin et apparaît noire au microscope. La cémentite présente de nombreuses microstructures ; dans l'acier et la fonte, elle coexiste avec d'autres phases sous forme de structures lamellaires, granulaires, réticulaires ou en plaques. Dans les alliages fer-carbone liquides, la cémentite qui cristallise en premier (cémentite primaire) est massive et présente des angles arrondis. La cémentite eutectique possède une structure squelettique. Les carbures précipités le long de la ligne Acm lors du refroidissement de l'acier hypereutectoïde (cémentite secondaire) forment un réseau, tandis que la cémentite eutectoïde est lamellaire. Lorsque les alliages fer-carbone refroidissent en dessous de Ar1, la cémentite précipite à partir de la ferrite (cémentite tertiaire), apparaissant sous forme de fines plaquettes discontinues sur la cémentite secondaire ou aux joints de grains.

Perlite

Définition : Mélange mécanique de ferrite et de cémentite formé par la réaction eutectoïde dans les alliages fer-carbone. Caractéristiques : La distance interlamellaire de la perlite dépend du degré de surfusion lors de la décomposition de l'austénite. Plus la surfusion est importante, plus la distance interlamellaire de la perlite formée est faible. Les couches lamellaires de perlite formées entre 1 °C et 650 °C sont relativement épaisses. Observées au microscope métallographique à un grossissement de 400x ou plus, on distingue de larges bandes parallèles de ferrite et de fines bandes de cémentite ; on parle alors de perlite grossière, de perlite lamellaire ou simplement de perlite. La perlite formée entre 650 et 600 °C, observée au microscope métallographique à un grossissement de 500x, ne présente qu'un trait noir sur la couche de cémentite ; la structure lamellaire n'est visible qu'à un grossissement de 1000x. On parle alors de sorbite. La perlite formée entre 600 et 550 °C, observée au microscope métallurgique avec un grossissement de 500 fois, ne présente pas de lamelles ; seules des structures sphériques noires sont visibles. La structure lamellaire n'est discernable qu'à un grossissement de 10 000 fois au microscope électronique. Il s'agit alors de la troostite.

bainite supérieure

Définition : Mélange de ferrite aciculaire sursaturée et de cémentite, cette dernière étant intercalée entre les aiguilles de ferrite. Caractéristiques : Produit de transformation de phase de l'austénite surfondue à des températures intermédiaires (350 à 550 °C). Sa morphologie typique est un faisceau de lamelles de ferrite approximativement parallèles, présentant un déphasage de 6 à 8°, avec de courts bâtonnets ou de petites plaquettes de carbure répartis entre chaque lamelle, le long de leur axe longitudinal. La bainite supérieure typique présente une structure en forme de plume, les joints de grains constituant l'axe de symétrie. Selon leur orientation, ces plumes peuvent être symétriques ou asymétriques. Elles peuvent être aciculaires, ponctuées ou massives. Dans les aciers à haute teneur en carbone et fortement alliés, les plumes aciculaires sont peu visibles ; dans les aciers à teneur moyenne en carbone et moyennement alliés, elles sont plus nettement visibles ; dans les aciers à faible teneur en carbone et faiblement alliés, les plumes sont très nettes et les aiguilles sont grossières. Au cours de la transformation, la bainite supérieure se forme d'abord aux joints de grains et se développe à l'intérieur des grains, sans les pénétrer.

bainite inférieure

Définition : Identique à la précédente, mais avec de la cémentite intercalée dans les aiguilles de ferrite. Caractéristiques : Produit de transformation de l'austénite surfondue à 350 °C~Ms. Sa morphologie typique est celle d'une ferrite lenticulaire biconvexe contenant du carbone sursaturé, avec des lamelles de carbures disposées de manière unidirectionnelle. À l'intérieur des grains, elle présente une structure aciculaire, les aiguilles ne se croisant pas, mais pouvant s'intersecter. Contrairement à la martensite revenue, qui présente des couches distinctes, la bainite inférieure a une couleur uniforme. Les particules de carbure de la bainite inférieure sont plus grossières que celles de la martensite revenue, ce qui la rend plus sensible à la corrosion et au noircissement, tandis que la martensite revenue est plus claire et moins sensible à la corrosion. Les aciers fortement alliés à haute teneur en carbone présentent une dispersion des carbures plus importante et des aiguilles plus fines que les aciers faiblement alliés à faible teneur en carbone.

Bainite granulaire

Définition : Microstructure multiphasée caractérisée par de nombreux îlots dispersés au sein de ferrites larges ou en forme de rubans ; produit de transformation de l’austénite surfondue à la limite supérieure de la plage de températures de transformation bainitique. À sa formation initiale, elle est constituée de ferrite massive résultant de la fusion de ferrite en rubans et d’austénite riche en carbone en forme d’îlots. Lors du refroidissement ultérieur, l’austénite riche en carbone peut être entièrement conservée sous forme d’austénite résiduelle ; elle peut également se décomposer partiellement ou totalement en un mélange de ferrite et de cémentite (perlite ou bainite) ; le plus souvent, elle se transformera partiellement en martensite et une partie subsistera pour former un mélange biphasé, appelé structure MA.

bainite sans carbure

Définition : Microstructure composée de phases uniques de ferrite en lattes, également appelée bainite ferritique. Caractéristiques : Sa température de formation se situe dans la partie supérieure de l’intervalle de température de transformation bainitique. De l’austénite riche en carbone se forme entre les particules de ferrite en lattes et subit une transformation similaire lors du refroidissement ultérieur. La bainite sans carbures est généralement présente dans les aciers à faible teneur en carbone, mais elle se forme également facilement dans les aciers à haute teneur en silicium et en aluminium.

Martensite

Définition : Solution solide sursaturée de carbone dans le fer α. Caractéristiques : La martensite en lattes est constituée de fines lamelles de martensite de taille sensiblement identique, orientées parallèlement et formant des faisceaux ou domaines de martensite. L’orientation des domaines est très variable ; plusieurs domaines d’orientations différentes peuvent se former au sein d’un même grain d’austénite initial. Du fait de sa température de formation élevée, la martensite en lattes subit inévitablement un revenu lors du refroidissement, entraînant la précipitation de carbures au sein de la martensite formée et la rendant sensible à la corrosion et au noircissement.

La martensite aciculaire, également appelée martensite en plaquettes ou martensite à haute teneur en carbone, se caractérise par les éléments suivants : la première plaquette de martensite qui se forme au sein d’un grain d’austénite est relativement grande, pénétrant souvent tout le grain, le divisant et limitant ainsi la taille de la martensite formée ultérieurement. Par conséquent, la martensite en plaquettes présente une taille variable et une distribution irrégulière. La martensite aciculaire se forme selon une orientation spécifique. Une crête est présente à l’intérieur des aiguilles de martensite ; plus la teneur en carbone est élevée, plus la crête est prononcée et plus la martensite est acérée. De l’austénite résiduelle blanche est également présente entre les particules de martensite.

Leedsbury

Définition : Mélange eutectique d’austénite et de cémentite. Caractéristiques : Austénite dendritique dispersée dans une matrice de cémentite.

martensite trempée

Définition : Mélange de carbures de transition extrêmement fins et de phase α sursaturée (faible teneur en carbone) obtenu par décomposition de la martensite. Caractéristiques : Il se forme par revenu de la martensite à 150–250 °C. Cette structure est très sensible à la corrosion. Au microscope optique, elle apparaît comme une structure sombre en forme d’aiguilles (conservant l’orientation de la martensite trempée), très semblable à la bainite inférieure. Seul un microscope électronique à fort grossissement permet d’observer des particules de carbure extrêmement fines.

Site de confort tempéré

Définition : Mélange de carbures et de phase α. Caractéristiques : Il se forme par revenu de la martensite à température moyenne (350-500 °C). Sa microstructure est caractérisée par des carbures granulaires extrêmement fins dispersés dans une matrice de ferrite. La morphologie aciculaire disparaît progressivement, mais reste faiblement visible. Les carbures sont indiscernables au microscope optique ; seule une structure sombre est observée. Seul le microscope électronique permet de distinguer clairement les deux phases et de constater la croissance significative des particules de carbure.

Sorbite trempée

Définition : Matrice de ferrite contenant des particules de carbure uniformément réparties. Caractéristiques : Elle se forme par revenu de la martensite à haute température (500-650 °C). Sa microstructure est caractérisée par une structure multiphasée composée de ferrite équiaxe et de carbures à grains fins. Les traces de plaquettes de martensite ont disparu et la morphologie de la cémentite est relativement nette, mais reste difficile à distinguer au microscope optique. Au microscope électronique, les particules de cémentite apparaissent plus grandes.

Perlite globulaire

Définition : Composée de ferrite et de carbures granulaires. Caractéristiques : Obtenue par recuit de sphéroïdisation, la cémentite se présente sous forme de sphéroïdes dans une matrice de ferrite. La taille de ces sphéroïdes dépend du procédé de recuit, notamment de la vitesse de refroidissement. La perlite globulaire se divise en quatre types : sphéroïdes grossiers, sphéroïdes, sphéroïdes fins et perlite ponctuée.

Structure de Widmanstätten

Définition : Si les grains d'austénite sont relativement grossiers et que la vitesse de refroidissement est appropriée, la phase proeutectoïde peut exister sous une forme aciculaire (lamellaire) mélangée à de la perlite lamellaire, appelée structure de Widmanstätten.

Caractéristiques : Dans l’acier hypoeutectoïde, la ferrite de structure Widmanstätten présente une morphologie lamellaire, en forme de plume ou triangulaire. La ferrite grossière est distribuée selon des motifs parallèles ou triangulaires. Elle apparaît aux joints de grains d’austénite et s’y développe. Dans l’acier hypereutectoïde, la cémentite de Widmanstätten a une morphologie aciculaire ou en bâtonnet et se développe à l’intérieur des grains d’austénite.