Aciers : martensite, traitements thermiques et soudage

Au cours 2, on a vu que si l’on refroidit plus vite que la vitesse critique, la courbe passe à gauche du nez : ni perlite, ni bainite. L’austénite descend alors jusqu’à M_s sans s’être transformée. Là, elle n’a plus le temps de trier son carbone, mais elle est devenue trop instable pour rester CFC. Elle change donc de maille d’un seul bloc, par un léger cisaillement coordonné de tous les atomes :

• chaque atome ne se déplace que d’une fraction de distance interatomique, et garde ses voisins ;
• le carbone n’a pas le temps de bouger : il reste piégé dans la nouvelle maille, à 0,4 % ou 0,76 % alors que la ferrite n’en accepte que 0,022 % ;
• chaque plaquette se forme en une fraction de microseconde, à une vitesse de l’ordre du tiers de celle du son dans le métal.

C’est une transformation displacive (on dit aussi « militaire », par opposition aux transformations diffusives, dites « civiles », où chaque atome va où il veut). Le produit, la martensite, est une ferrite sursaturée en carbone, déformée : sa maille est quadratique centrée (QC), un cube centré étiré le long d’un axe.

Une transformation qui ne dépend que de la température

La quantité de martensite ne dépend pas du temps passé, seulement de la température atteinte sous M_s. Si l’on arrête la trempe à mi-chemin, la transformation s’arrête ; elle reprend dès qu’on refroidit à nouveau. On dit qu’elle est athermique. C’est pour cela que les lignes M_s, M₅₀ et M₉₀ des diagrammes du cours 2 sont horizontales.

La loi de Koistinen-Marburger décrit cette progression : la fraction d’austénite transformée à la température T vaut f_M = 1 − exp[−0,011 (M_s − T)]. On la calcule en partie 2.

Lattes ou plaquettes

Selon le carbone, la martensite prend deux formes :

• en lattes, sous environ 0,6 % C : de fines lattes parallèles groupées en paquets, riches en dislocations. C’est la martensite des aciers de construction et des soudures ;
• en plaquettes, au-delà d’environ 1 % C : des lentilles qui se recoupent, avec une ligne médiane, au milieu d’austénite résiduelle. Plus dure mais plus fragile, elle peut même se fissurer toute seule.

Ce que Bain n’explique pas

La déformation de Bain donne la bonne correspondance entre les mailles, mais elle déformerait énormément le cristal : environ −20 % selon un axe et +13 % selon les deux autres. En réalité, la martensite croît en plaquettes le long d’un plan d’habitat qui reste non déformé et non tourné. Pour y parvenir, la déformation de Bain se combine à une rotation et à une déformation de cisaillement « invisible » à l’échelle du réseau, réalisée par glissement de dislocations (lattes) ou par maclage (plaquettes). Le résultat macroscopique est une déformation à plan invariant : c’est elle qui crée le relief visible à la surface d’un échantillon poli avant trempe.

Les deux mailles restent liées par des relations d’orientation précises, comme celles de Kurdjumov-Sachs : un plan dense {111} de l’austénite est parallèle à un plan dense {110} de la martensite. Il n’y a pas de diffusion : c’est une signature de la transformation displacive.

La tétragonalité

Dans le CFC, les sites octaédriques sont équivalents selon les trois axes. La correspondance de Bain envoie tous les sites octaédriques du CFC sur une seule des trois familles de sites octaédriques de la maille QC, celle alignée selon l’axe c. Tout le carbone piégé étire donc la maille dans la même direction. Les mesures donnent c/a ≈ 1 + 0,045 × %C : 1,034 à 0,76 % C, 1,020 à 0,45 % C. C’est le lien avec la remarque du cours 1 sur le carbone dans le site octaédrique aplati du CC.

Pourquoi M_s baisse avec le carbone

Le carbone stabilise l’austénite (il est gammagène) et durcit la matrice qui doit se cisailler. Il faut donc une force motrice plus grande, c’est-à-dire un sous-refroidissement plus fort, pour déclencher la transformation. D’où le terme −423 C de la formule d’Andrews du cours 2, qui domine tous les autres.

Trois effets se cumulent pour bloquer les dislocations, donc la déformation plastique :

1. le carbone piégé déforme localement le réseau autour de chaque atome : c’est le durcissement principal, et il croît avec le % C ;
2. la densité de dislocations (lattes) ou de macles (plaquettes) créées par le cisaillement est énorme ;
3. la finesse des lattes, de l’ordre de 0,1 à 0,5 µm, multiplie les obstacles.

Conséquence directe : c’est le carbone qui fait la dureté de la martensite, pas les éléments d’alliage. Ceux-ci servent à l’obtenir plus facilement (cours 2). Revers de la médaille : sans revenu, la martensite est fragile, pleine de contraintes internes, et le passage γ → martensite augmente le volume de quelques pourcents, ce qui peut fissurer une pièce trempée trop brutalement (les tapures de trempe).

Ce qu’il faut retenir du graphique

• La dureté monte très vite jusqu’à 0,6 % C environ, puis plafonne vers 850–900 HV. On retrouve les valeurs du cours 2 : ≈ 850 HV à 0,76 % C, ≈ 650 HV pour le C45 et le 42CrMo4, ≈ 450 HV à 0,18 % C pour la zone affectée d’un S355.
• Plus il y a de carbone, plus M_s est bas, et plus il reste d’austénite résiduelle à l’ambiante : environ 3 % à 0,45 % C, 11 % à 0,76 % C, beaucoup plus au-delà. Elle adoucit l’acier, et elle peut se transformer plus tard, en service, avec un gonflement : c’est pourquoi les aciers d’outils ou de roulements subissent un traitement par le froid puis un revenu.

Exercice 1. La trempe du C45

On trempe à l’eau une petite pièce en C45 (0,45 % C ; 0,70 % Mn), austénitisée à 830 °C.

1. Pourquoi 830 °C ? (Utilise Ac₃ du cours 2.)
2. La trempe à l’eau est-elle assez rapide pour obtenir de la martensite ? (Utilise le TRC du cours 2.)
3. À quelle température commence la transformation martensitique ? Quelle fraction d’austénite reste à 20 °C ?
4. Estime la dureté et le rapport c/a de la martensite obtenue.
5. Pourquoi ne peut-on pas utiliser la pièce telle quelle ?

Les contraintes de trempe

Deux phénomènes se superposent. Le premier est la contraction thermique : la surface refroidit et se contracte avant le cœur. Le second est la dilatation de transformation : la surface se transforme en martensite, plus volumineuse, avant le cœur. En fin de trempe, le cœur se transforme à son tour et gonfle alors que la surface, déjà dure, ne peut plus suivre : la surface peut se retrouver en traction. Plus la trempe est sévère et plus les sections varient, plus le risque de tapure est grand. Les trempes étagées (partie 3) répondent exactement à ce problème.

Koistinen-Marburger et les lignes du cours 2

Sur le diagramme TTT du cours 2, les lignes M₅₀ et M₉₀ reprennent l’allure du manuel de Callister (160 et 105 °C pour M_s = 220 °C). La loi de Koistinen-Marburger, établie sur d’autres aciers, les place à 157 et 11 °C : même M₅₀, mais une fin de transformation bien plus basse. L’avancement réel dépend de l’acier, de la taille de grain et de la vitesse de trempe. Retiens l’allure exponentielle et l’ordre de grandeur de l’austénite résiduelle, pas le chiffre exact de M₉₀.

L’austénite résiduelle

Elle est riche en carbone, donc stable à l’ambiante, mais métastable. Sous contrainte ou au froid, elle peut se transformer en martensite fraîche, non revenue, avec un gonflement : instabilité dimensionnelle des calibres et des roulements. Le traitement par le froid, puis un revenu, la supprime en grande partie. Dans certains aciers modernes (TRIP), on la garde au contraire volontairement : sa transformation pendant une déformation augmente la ductilité.

Tout traitement thermique se résume à deux décisions :

• jusqu’où chauffer, et combien de temps : cela fixe l’état de départ (tout austénitique, en partie, ou pas du tout). C’est le diagramme d’équilibre du cours 1 qui répond ;
• à quelle vitesse refroidir : cela fixe le produit (perlite, bainite, martensite). Ce sont les TTT et TRC du cours 2 qui répondent.

Le schéma ci-dessous place chaque traitement sur le diagramme Fe–Fe₃C du cours 1, en vue zoomée sur les aciers.

Pourquoi seulement A₁ + 50 °C pour tremper un acier hypereutectoïde ? Au-dessus de A_cm, tout le carbone passerait en solution : M_s chuterait, il resterait beaucoup d’austénite résiduelle, et le grain grossirait. En restant entre A₁ et A_cm, on garde quelques globules de cémentite, très durs et utiles contre l’usure, et une austénite à environ 0,8 % C seulement.

Le revenu : rendre la martensite utilisable

On réchauffe l’acier trempé sous A₁. Le carbone piégé retrouve un peu de mobilité et sort de la maille sous forme de carbures fins. La martensite perd sa tétragonalité et ses contraintes, et devient progressivement de la ferrite parsemée de carbures : la martensite revenue. On échange de la dureté contre de la ténacité, et c’est la température de revenu qui règle cet échange.

Trempe + revenu à 500–650 °C, c’est le traitement dit d’amélioration (en anglais « quench and temper ») des aciers de construction comme le 42CrMo4 : le meilleur compromis entre résistance et ténacité.

Les trempes étagées

Pour limiter déformations et tapures, on évite que la surface et le cœur se transforment à des moments très différents. On trempe dans un bain de sel chaud, puis on attend que toute la pièce soit à la même température :

• trempe étagée martensitique (« martempering ») : palier juste au-dessus de M_s, sans atteindre le début de la bainite, puis refroidissement à l’air. Toute la pièce se transforme en martensite en même temps. C’est l’idée de la question e) de l’exercice 1 du cours 2 ;
• trempe étagée bainitique (« austempering ») : palier dans le domaine de la bainite jusqu’à transformation complète. On obtient une bainite, souvent inférieure, sans revenu nécessaire. C’est le « bain de sel à 400 °C » du cours 2.

Exercice 2. Quel traitement choisir ?

1. Une barre d’acier à 1 % C doit être usinée avant d’être transformée en outil.
2. Une pièce forgée en C45 présente un gros grain irrégulier.
3. Un arbre de transmission en 42CrMo4 doit être à la fois résistant et tenace.
4. Une charpente soudée épaisse en acier faiblement allié doit être débarrassée de ses contraintes résiduelles.
5. Un poinçon en acier à 0,9 % C doit être le plus dur possible, sans casser au premier choc.
6. Une pièce en 42CrMo4 de forme complexe se déforme trop à la trempe à l’huile.

Temps et température de revenu sont équivalents

Le revenu est gouverné par la diffusion : un revenu plus long à plus basse température peut donner le même résultat. Le paramètre de Hollomon-Jaffe le formalise : P = T(K) × (20 + log t), avec t en heures. Même P, même dureté. Exemple : 1 h à 600 °C donne P = 873 × 20 = 17 460 ; pour 10 h, il suffit de T = 17 460/21 = 831 K, soit environ 558 °C. C’est ce paramètre qu’on utilise pour vérifier qu’un traitement après soudage ne dégrade pas trop le métal de base.

Les fragilités de revenu

• Vers 250–400 °C : la cémentite précipite en films le long des lattes de martensite, et la ténacité chute. On évite simplement ce domaine.
• Vers 350–575 °C, ou en refroidissant lentement à travers ce domaine : des impuretés (P, Sn, Sb, As) ségrègent aux anciens joints de grains d’austénite. C’est la fragilité de revenu « réversible ». Le molybdène la limite : c’est une des raisons de sa présence dans le 42CrMo4.

Trempabilité et effet de masse

Une pièce épaisse refroidit moins vite à cœur qu’en surface : pour une même trempe, le cœur peut rester bainitique ou ferrito-perlitique. Les fiches des aciers donnent des diamètres limites pour chaque milieu de trempe, à partir de l’essai Jominy (cours 2). C’est l’origine des classes d’aciers : non alliés pour les petites sections trempées à l’eau, faiblement alliés au Cr, Mo ou Ni pour les grosses sections trempées à l’huile.

Et les traitements de surface ?

La même logique s’applique localement : la trempe superficielle (par induction ou à la flamme) n’austénitise qu’une couche ; la cémentation enrichit la surface en carbone avant trempe ; la nitruration durcit par des nitrures, sans trempe, vers 500–570 °C. Ils sortent du cadre de ce cours.

Pendant le soudage, chaque point du métal de base subit un cycle thermique : chauffage très rapide (quelques secondes), passage bref à une température maximale, puis refroidissement imposé par la conduction de la chaleur dans la tôle. La température maximale, la température de pic, diminue à mesure qu’on s’éloigne du cordon.

Reprends la verticale du cours 1 à 0,18 % C (un S355) : chaque bande de la ZAT correspond à une portion de cette verticale. Selon la hauteur atteinte, l’acier est entièrement, partiellement ou pas du tout austénitisé, et la zone se comporte comme après un traitement différent.

La formule d’Adams

Pour une tôle d’épaisseur d soudée en pleine pénétration, la température de pic à la distance Y de la ligne de fusion vérifie :

avec ρc ≈ 0,0044 J/(mm³·°C) pour l’acier, Q_net l’énergie de soudage en J/mm et T_f la température de fusion. Lis-la comme une règle de proportion : la ZAT s’élargit avec l’énergie, rétrécit quand la tôle s’épaissit, et s’élargit avec le préchauffage.

Pourquoi la zone à gros grains est la plus critique

Au-delà de 1100 à 1200 °C, les précipités qui ancraient les joints de grains (nitrures d’aluminium, carbonitrures de niobium ou de vanadium) se dissolvent, et le grain d’austénite grossit en quelques secondes. Moins de joints, c’est moins de sites de germination pour la ferrite : les courbes TRC se décalent vers la droite (cours 2, grain et trempabilité). La même vitesse de refroidissement donne alors bainite supérieure ou martensite au lieu de ferrite. Les aciers modernes « TMCP » limitent ce grossissement par de fins nitrures de titane, stables jusqu’à très haute température.

La zone intercritique et les îlots M-A

Entre Ac₁ et Ac₃, seule la perlite et un peu de ferrite voisine deviennent austénite. Cette austénite hérite du carbone de la perlite, elle est donc très trempante : au refroidissement, elle donne de petits îlots de martensite et d’austénite résiduelle, les constituants M-A. En soudage multipasse, une zone à gros grains réchauffée dans l’intercritique par la passe suivante combine gros grain et îlots M-A : ce sont les zones fragiles locales, surveillées dans les aciers offshore.

Pour un acier C-Mn ou faiblement allié, toutes les transformations de l’austénite se produisent entre 800 et 500 °C. Le temps passé dans cet intervalle, le t_8/5, résume donc à lui seul l’effet du refroidissement sur la microstructure. Les TRC de soudage sont tracés en fonction de ce t_8/5.

1. L’énergie de soudage

Le rendement thermique k tient compte de la chaleur perdue : 1,0 en arc submergé, 0,8 en électrode enrobée et en MIG/MAG, 0,6 en TIG et plasma.

2. Tôle épaisse ou tôle mince ?

Dans une tôle épaisse, la chaleur s’échappe dans les trois directions (écoulement 3D). Dans une tôle mince, elle ne s’échappe que dans le plan (2D), donc plus lentement. La norme EN 1011-2 donne les deux formules, avec T₀ la température initiale (préchauffage) et d l’épaisseur en mm :

On applique la formule 3D si l’épaisseur dépasse l’épaisseur de transition d_t, où les deux formules donnent le même résultat :

Les facteurs de forme F tiennent compte de la géométrie du joint : 1 pour un cordon sur tôle, 0,9 pour les passes d’un joint bout à bout, 0,67 en 3D pour une soudure d’angle (0,67 à 0,9 en 2D pour un angle extérieur, 0,45 à 0,67 pour un joint en T). Un angle évacue la chaleur dans plus de directions : il refroidit plus vite.

D’où viennent ces formules

Elles dérivent des solutions de Rosenthal pour une source de chaleur mobile. Loin derrière l’arc, la température d’une tôle épaisse décroît comme 1/t (3D), celle d’une tôle mince comme 1/√t (2D). C’est pourquoi t_8/5 est proportionnel à Q en 3D et à (Q/d)² en 2D : en tôle mince, doubler l’énergie quadruple le t_8/5, et doubler l’épaisseur le divise par quatre. Le préchauffage agit dans les deux cas en réduisant l’écart entre la tôle et l’intervalle 800–500 °C.

Le vrai diagramme TRC de soudage

Sur un TRC de soudage « complet », l’axe horizontal est le temps compté depuis le passage à 800 °C (ou depuis le pic), et chaque courbe de refroidissement est étiquetée par son t_8/5. On y retrouve les domaines F, P, B, M du cours 2, les pourcentages le long des courbes et la dureté au bout. La forme compacte ci-dessus en est la lecture systématique, courbe par courbe.

La fissuration à froid (ou fissuration par l’hydrogène) apparaît dans la ZAT, parfois des heures après le soudage, quand trois conditions sont réunies :

1. une microstructure sensible : de la martensite dure dans la zone à gros grains. On limite souvent la dureté vers 350 HV ; la norme de qualification des modes opératoires EN ISO 15614-1 tolère par exemple 380 HV10 pour les aciers courants non traités après soudage ;
2. de l’hydrogène diffusible, apporté par l’humidité de l’enrobage ou du flux, le gaz, la graisse ou la rouille ;
3. des contraintes : retrait, bridage, épaisseur.

Elle ne se produit que près de l’ambiante, en dessous de 150 à 200 °C environ. Chaque remède agit sur un des facteurs.

• Le préchauffage et le maintien d’une température entre passes allongent le t_8/5 (moins de martensite) et laissent à l’hydrogène le temps de s’échapper.
• Les consommables bas hydrogène (électrodes basiques étuvées, fils pleins) réduisent la source.
• Le post-chauffage (dégazage à 200–300 °C pendant quelques heures) chasse l’hydrogène avant refroidissement.
• Le traitement thermique après soudage (détente à 550–650 °C) revient la martensite de la ZAT et relâche les contraintes.

Le carbone équivalent

Pour juger la trempabilité d’un acier en un seul nombre, on pondère chaque élément par son effet relatif à celui du carbone. La formule de l’Institut international de la soudure (IIW) :

Ordres de grandeur : moins de 0,40, soudabilité généralement bonne sans précaution particulière en épaisseur modérée ; de 0,40 à 0,50, préchauffage souvent nécessaire ; au-delà, soudage délicat, avec préchauffage, bas hydrogène et souvent traitement après soudage. La norme EN 1011-2 propose aussi le CET, qui sert à calculer directement un préchauffage :

avec d l’épaisseur en mm, HD la teneur en hydrogène diffusible du métal fondu en ml/100 g et Q l’énergie en kJ/mm. Domaine de validité : CET de 0,2 à 0,5 ; d de 10 à 90 mm ; HD de 1 à 20 ; Q de 0,5 à 4 kJ/mm.

Exercice 3. Souder un S355 de 20 mm

On soude en MAG, bout à bout, deux tôles de S355 (C 0,18 ; Mn 1,40 ; Si 0,30) de 20 mm d’épaisseur. Passes de remplissage : U = 28 V, I = 250 A, v = 300 mm/min. Passe de racine : Q = 0,6 kJ/mm. On prend F₃ = 0,9 pour toutes les passes.

1. Calcule l’énergie de soudage des passes de remplissage.
2. Le régime est-il 2D ou 3D ? Calcule le t_8/5 sans préchauffage.
3. Avec le diagramme de soudage de la partie 5 (ZAT à gros grains), estime la dureté maximale. Est-elle acceptable ?
4. Même question pour la passe de racine. Quel préchauffage ramène la dureté vers 350 HV ?
5. Calcule CEV et CET. Quel préchauffage donne la méthode de la norme EN 1011-2 avec un fil plein (HD ≤ 5), puis avec des électrodes rutiles (HD ≈ 15) ? Commente l’écart avec la question 4.

Pourquoi l’hydrogène fissure la martensite

L’hydrogène atomique, minuscule, diffuse vite dans l’acier, même à l’ambiante. Il se concentre là où le réseau est dilaté : pointes de fissures, zones en traction, interfaces. Il y facilite la décohésion et la plasticité locale. Une martensite dure, chargée de contraintes, est le pire terrain. La fissuration est différée : il faut le temps que l’hydrogène rejoigne les zones critiques. C’est pourquoi beaucoup de codes imposent d’attendre, souvent de 16 à 48 h, avant le contrôle final des soudures sensibles.

Le diagramme de Graville

Il classe les aciers selon leur carbone et leur carbone équivalent. Zone I, peu de carbone : facile à souder. Zone II, carbone plus élevé mais trempabilité faible : on agit sur la vitesse de refroidissement (énergie, préchauffage). Zone III, carbone et trempabilité élevés : la martensite est inévitable, il faut bas hydrogène, préchauffage et traitement après soudage. Le S355 (0,18 % C, CEV ≈ 0,41) est en zone II, le 42CrMo4 (CEV ≈ 0,80) en zone III : c’est la réponse de l’exercice 3 du cours 2.

Le traitement thermique après soudage

C’est un revenu (partie 3) appliqué à toute la soudure : la martensite et la bainite de la ZAT sont revenues, les contraintes résiduelles tombent à la limite d’élasticité à chaud du métal, et l’hydrogène s’échappe. Il faut rester sous Ac₁, et vérifier par le paramètre de Hollomon-Jaffe que le métal de base ne s’adoucit pas trop.

Le fil rouge des trois cours. Chauffé dans le domaine γ, l’acier dissout son carbone. En refroidissant, le fer redevient α et doit s’en débarrasser. Tout dépend du temps qu’on lui laisse :

La composition règle l’horloge (cours 2) : les éléments d’alliage retardent perlite et bainite, et rendent la martensite plus facile à obtenir. Le carbone règle la dureté de cette martensite (cours 3). En soudage, les deux se retrouvent dans le carbone équivalent, et le t_8/5 joue le rôle de la vitesse de refroidissement.

Les questions à se poser devant n’importe quel exercice

1. Quelle est la composition ? Hypo, eutectoïde ou hyper ? Allié ou non ?
2. Jusqu’où chauffe-t-on ? Austénitisation complète, partielle ou aucune ? (cours 1)
3. Comment refroidit-on ? Paliers : TTT. Continu : TRC. Soudage : t_8/5. (cours 2 et 3)
4. Qu’obtient-on, en quelles proportions, avec quelle dureté ?
5. Faut-il un traitement complémentaire : revenu, détente, préchauffage ? (cours 3)

Les pièges propres à ce cours

• Croire que le temps de maintien sous M_s fait avancer la martensite : seule la température compte.
• Attribuer la dureté de la martensite aux éléments d’alliage : c’est le carbone.
• Oublier le revenu après une trempe : la martensite brute n’est presque jamais utilisable.
• Oublier le rendement k dans l’énergie de soudage, ou mélanger les unités (mm/min et mm/s, J/mm et kJ/mm).
• Appliquer la formule 3D à une tôle plus mince que d_t.
• Croire qu’une ZAT est homogène : de la ligne de fusion au métal de base, on traverse en quelques millimètres toutes les zones du diagramme.