Applications des aciers bainitiques

par H. K. D. H. Bhadeshia

traduit par T. Sourmail


Il existe un large marché pour les aciers dont la limite d'élasticité est inférieure à 1000 MPa, et le contenu en éléments d'alliage inférieur à 2% en masse. Les aciers bainitiques sont bien adaptés à ce créneau. L'alliage doit toutefois être conçu avec attention pour permettre l'obtention de la bonne microstructure. Les tentatives pour améliorer la trempabilité débouchent souvent sur l'obtention de microstructures partiellement martensitiques. La solution est de se tourner vers des aciers à bas carbone, faiblement alliés et contenant de petites quantités de bore et de molybdène pour éviter la formation de ferrite allotriomorphe. Le bore facilite la formation de bainite. Les autres éléments d'alliage peuvent être en faible quantité de sorte que la formation de martensite est évitée. Un exemple de composition typique est Fe-0.1C-0.25Si-0.50Mn-0.55Mo-0.003B wt.%. De tels aciers peuvent présenter une microstructure presque totalement bainitique, avec très peu de martensite après traitement thermique.

[Rail sections]

Les aciers bainitiques les plus récents ont une teneur en carbone beaucoup plus faible et des concentrations différentes en éléments d'alliage. Ils sont obtenus par un refroidissement accéléré permettant d'obtenir la microstructure bainitique. La teneur réduite en éléments d'alliage donne une meilleure soudabilité ainsi qu'une plus haute limite d'élasticité due à la structure particulièrement fine.

La gamme des aciers bainitiques disponibles dans le commerce comprend des aciers à très bas carbone pour une bonne soudabilité, des aciers à très haute résistance qui rivalisent avec des alliages martensitiques trempés et revenus, des aciers résistant au fluage qui sont utilisés depuis des dizaines d'années dans l'industrie de production de l'énergie, des aciers de forgeage meilleurs que les aciers martensitiques car nécessitant mois de travail, des aciers inoculés dans lesquels la bainite se forme intragranulairement, donnant ainsi une bonne résistance à la propagation des fissures, etc. Les aciers à très haute limite d'élasticité ont une microstructure faite d'un mélange de ferrite bainitique, de martensite et d'austénite résiduelle. Leur trempabilité est améliorée par l'ajout de manganèse, chrome et nickel; ils contiennent souvent une large quantité de silicium (environ 2%) pour empêcher la formation de cémentite. Ils contiennent très peu d'impuretés et d'inclusions et sont donc sensibles à la formation de particules de cémentite, qui doit être évitée.

Composition chimique d'aciers bainitiques typiques, en % massiques.
Elément C Si Mn Ni Mo Cr V B Nb Other
Premiers aciers bainitiques0.10 0.25 0.5 - 0.55 - - 0.003 -
Ultra bas carbone 0.02 0.20 2.0 0.3 0.30 - - 0.010 0.05
Tràs haute résistance 0.20 2.00 3.00 - - - - - -
Résistant au fluage 0.15 0.25 0.50 - 1.00 2.3 - - -
Acier de forgeage 0.10 0.25 1.00 0.5 1.00 - - -0.10
Inoculés 0.08 0.20 1.40 - - - - - 0.10 0.012 Ti

Les aciers à résistance moyenne, de même microstructure mais moins alliés ont trouvés des applications dans l'industrie automobile où ils servent pour les barres de renfort latérales. Une autre avancée importante dans l'industrie automobile a été l'utilisation des alliages bainitiques pour des composants tels que l'arbre à cames, qui étaient précedemment réalisés en aciers martensitiques forgés, trempé, tempéré, .. Toutes ces opérations sont remplacées par un refroidissement controllé depuis la température de forgeage, pour obtenir une microstructure bainitique, avec une réduction des coûts qui a parfois permis à toute une unité de passer de pertes à profits.

Les aciers bainitiques résistants au fluage sont utilisés avec succés depuis les années 40 dans l'industrie de l'énergie. Leur trempabilité doit être telle que des pièces faisant jusqu'à un mètre de diamètre puissent subir un refroidissement continu pour obtenir une microstructure bainitique sur toute la section. Ces alliages utilisent du chrome et du molybdène, qui permettent d'améliorer la trempabilité, mais aussi favorisent la précipitation pendant les traitements thermiques ultérieurs, augmentant nettement la résistance au fluage.

On peut inoculer un acier à l'état liquide avec une quantité controllée de particules non métalliques, pour favoriser la germination intragranulaire de bainite par rapport à la germination aux joints de grain. Cette bainite intragranulaire est appellée ferrite aciculaire. La structure est beaucoup plus chaotique, donc plus susceptible de gêner la propagation de fissures. De tels aciers sont disponibles dans le commerce et utilisés dans les structures telles que les citernes à essence destinées à des environnements hostiles.

Les progrés dans les techniques de laminage permettent de refroidir rapidement la plaque durant le laminage, sans provoquer de distortions. On a pu ainsi développer des aciers à refroidissement accéléré, qui présentent une microstructure bainitique, sont facilement mis en forme et rivalisent avec les aciers obtenus par le laminage controlé.






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