Quels sont les effets des éléments d'alliage sur la ferrite ?

La plupart des éléments d'alliage sont ajoutés à l'acier au carbone faible pour produire un acier durci en solution solide qui résiste à la déformation à certaines températures environnementales, augmentant la contrainte de frottement du réseau δi. Cependant, il est actuellement impossible de prédire la contrainte d'écoulement inférieure uniquement en utilisant des formules, sauf si la taille des grains est connue. Bien que les facteurs déterminants de la contrainte d'écoulement soient la température de recuit et la vitesse de refroidissement, cette méthode de recherche reste importante car elle peut prédire la plage dans laquelle un seul élément d'alliage peut réduire la ténacité de l'acier en augmentant δi.

À ce jour, il n'y a pas de rapports sur l'analyse de régression de la température de transformation non plastique (NDT) et de la température de transition Charpy de l'acier ferritique. Cependant, ce ne sont que des discussions qualitatives sur l'effet de l'ajout d'un seul élément d'alliage sur la ténacité. Voici une brève présentation des effets de plusieurs éléments d'alliage sur les propriétés de l'acier.

1) Manganèse. La majorité de la teneur en manganèse est d'environ 0,5%. En tant que désoxydant ou agent de fixation du soufre, il peut empêcher la fissuration à chaud de l'acier et a les effets suivants dans l'acier au carbone faible.

Pour l'acier avec une teneur en carbone de 0,05%, après refroidissement à l'air ou au four, il y a une tendance à réduire la formation de films de carbure aux joints de grains.

Il peut légèrement réduire la taille des grains de ferrite.

Il peut produire un grand nombre de fines particules de perlite. 

Les deux premiers effets indiquent que la température NDT diminue à mesure que la teneur en manganèse augmente, tandis que les deux derniers effets font que le pic de la courbe de Charpy devient plus aigu.

Lorsque la teneur en carbone de l'acier est élevée, le manganèse peut réduire significativement la température de transformation d'environ 50%. La raison en pourrait être la quantité plus importante de perlite, plutôt que la distribution du cémentite à la limite. Il faut noter que si la teneur en carbone de l'acier est supérieure à 0,15%, la teneur élevée en manganèse joue un rôle décisif dans les performances d'impact de l'acier normalisé. Parce que la forte trempabilité de l'acier fait que l'austénite se transforme en bainite supérieure fragile au lieu de ferrite ou de perlite.

2) Nickel. L'effet de l'ajout de nickel à l'acier est similaire à celui du manganèse, qui peut améliorer la ténacité de l'alliage fer-carbonne. L'étendue de son effet dépend de la teneur en carbone et du traitement thermique. Dans l'acier à très faible teneur en carbone (environ 0,02 %), une teneur de 2 % peut empêcher la formation de carbures aux joints de grains de l'acier laminé à chaud et normalisé, tout en abaissant considérablement la température de début de transformation TS et en augmentant le pic de la courbe d'impact Charpy.

Augmenter encore la teneur en nickel réduit l'amélioration de la ténacité à l'impact. Si la teneur en carbone est suffisamment faible (au point où aucun carbure n'apparaît après normalisation), l'effet du nickel sur la température de transformation deviendra très limité. Dans l'acier normalisé avec une teneur en carbone d'environ 0,10 %, l'ajout de nickel a le plus grand avantage de raffiner les grains et de réduire la teneur en azote libre, bien que le mécanisme soit actuellement inconnu. Cela peut être dû au fait que le nickel agit comme un stabilisateur de l'austénite, abaissant ainsi la température à laquelle l'austénite se décompose.

3) Phosphore. Dans un alliage pur fer-phosphore, la ségrégation du phosphore aux joints de grains de ferrite réduit la résistance à la traction Rm, provoquant de la fragilité entre les grains. De plus, comme le phosphore est également un stabilisant de la ferrite, en l'ajoutant à l'acier, on augmentera considérablement la valeur de δi et la taille des grains de ferrite. Les effets combinés feront du phosphore un fragilisant extrêmement nocif, entraînant une rupture transgranulaire.

4) Silicium. L'ajout de silicium à l'acier est destiné à la désoxydation et est bénéfique pour améliorer les performances d'impact. Si l'acier contient à la fois du manganèse et de l'aluminium, la plupart du silicium se dissout dans la ferrite et augmente δi grâce à l'effet de durcissement par solution solide. L'effet combiné de cette action et de l'augmentation de δi due à l'ajout de silicium est que, dans un alliage fer-carbone stable de taille de grain donnée, l'ajout de silicium en pourcentage massique augmente la température de transformation à 50 % d'environ 44 °C. De plus, le silicium est similaire au phosphore, étant un stabilisant de la ferrite, qui peut favoriser la croissance des grains de ferrite. L'ajout de silicium en pourcentage massique à un acier normalisé augmentera la température moyenne de conversion d'énergie d'environ 60 °C.

5) Aluminium. Les raisons d'ajouter de l'aluminium comme agent d'alliage et de désoxydation à l'acier sont les suivantes : Premièrement, il forme AlN avec l'azote dans la masse fondue pour éliminer l'azote libre ; deuxièmement, la formation d'AlN affine les grains de ferrite. Le résultat de ces deux effets est que pour chaque augmentation de 0,1 % d'aluminium, la température de transformation diminuera d'environ 40 °C. Cependant, lorsque l'ajout d'aluminium dépasse la quantité requise, l'effet de « fixation » de l'azote libre diminuera.

6) Oxygène. L'oxygène dans l'acier causera une ségrégation aux joints de grains, entraînant une rupture intergranulaire de l'alliage de fer. Lorsque la teneur en oxygène dans l'acier atteint 0,01 %, la rupture se produira le long des canaux continus formés par les joints de grains fragiles. Même si la teneur en oxygène dans l'acier est très faible, les fissures se concentreront et formeront des germes aux joints de grains, puis se propageront à travers le grain. La solution au problème de la fragilisation par l'oxygène consiste à ajouter des agents de désoxydation tels que le carbone, le manganèse, le silicium, l'aluminium et le zirconium, qui se combinent avec l'oxygène pour former des particules d'oxyde et éliminent l'oxygène des joints de grains.