Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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La présente invention concerne un procédé
d'élaboration de produits à très haute charge à la
rupture à partir d'un acier austénitique instable, et
1e produit obtenu par ce procédé, notamment sous forme
de fil ou de bande. Ce procédé est du type dans lequel
on soumet l'acier â une première déformation plastique
à une température supérieure à la température limite
(Md) de formation de la martensite par déformation et
inférieure â la température de recristallisation puis
â une seconde déformation dudit acier à une tempé-
rature inférieure à ladite température (Md).
Généralement, l'acier laminé à chaud, préa-
lablement à la première déformation, est soumis à un
traitement thermique de recuit standard dit hyper
trempe consistant à placer ledit acier sous une
température comprise entre 1000 et 1100°C pendant
environ 30 minutes.
Un tel procédé est connu. Un grand nombre
d'études ont été faites sur le comportement en trac-
fion, au-dessous de la température limite (Md) de
formation de la martensite par déformation, tant à Ia
température ambiante qu'en dessous de la température
ambiante, de matériaux â l'austênite instable, préa-
lablement écrouis au-dessus de ladite température 1i-
mite (Md) qui peut varier en fonction de la composi-
tion de l'acier austénitique entre -150°C et +250°C.
0n peut citer le brevet US n' 4 415 377
décrivant un procédé et un dispositif pour laminer des
acïers à austénite instable et particulièrement un
acier inoxydable, procédé selon lequel 1°acier est
soumis .
- à un premier laminage au-dessus de la
température limite (Md) puis,
- à un sE~cond laminage au-dessous de la
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température limite (Md).
Ces deux laminages permettent d'obtenir de manière
plus aisée des produits déterminés en dimension, c'est-à-dire
de réduire le nombre de passes de laminage comparativement à
l'obtention desdits produits par un laminage à froid, tout en
conservant aux produits des caractéristiques mécaniques
analogues.
Le procédé décrit dans le brevet cité ne permet pas
l'obtention de caractéristiques mécaniques particulières en
comparaison avec un laminage à froid.
Le but de l'invention est de contrôler la formation
de martensite de façon à obtenir des produits de caractéris-
tiques en traction particulièrement élevées.
Selon un aspect de la présente invention, il est
prévu un procédé d'élaboration de produits à très haute charge
à la rupture, à partir d'un acier austénitique instable, selon
lequel on soumet l'acier à une première déformation plastique
à une température supérieure à la température limite (Md) de
formation de la martensite par déformation et inférieure à la
température de recristallisation, puis on soumet cet acier à
une seconde déformation à une température inférieure à ladite
température limite (Md), caractérisé en ce que lors de la
seconde déformation, on déforme l'acier dans un domaine
déterminé de température de formation de la martensite de façon
que pour une déformation rationnelle supplémentaire de 0,1,
l'augmentation du taux de martensite formée ne dépasse pas, à
tout instant, 20~.
De préférence et afin d'obtenir des caractéristiquws
mécaniques en traction très élevées, on s'assure qu'après
déformation plastique, la charge à la rupture de l'acier est
supérieure à 1000 MPa, de préférence supérieure à 1300 MPa.
De préférence, on déforme l'acier à une température
inférieure à (Md) avec une déformation rationnelle cumulée
comprise entre 0,7 et 3, ce qui correspond à un taux de
réduction de section compris entre 50 et 95%.
Avec une déformation rationnelle cumulée minimale de
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0,7 on peut atteindre ou dépasser légèrement des charges à la
rupture envisagées dans les procédés de tréfilage de l'art
antérieur.
La déformation rationnelle cumulée ne dépassant pas
3, correspond à une valeur correspondant à un seuil maximum
admissible de fragilité de l'acier déformé.
De préférence après la seconde déformation, on soumet
l'acier à un traitement de vieillissement.
Dans un mode de réalisation préférentiel, une
l0 déformation rationnelle supérieure à 1,65 correspondant à un
taux de réduction de section supérieure à 80% introduit, au
sein de l'acier; une quantité de défauts cristallographiques
suffisante sous forme de dislocations pour favoriser
l'accommodation, c'est-à-dire le développement de plaquettes de
martensite sous l'effet de la déformation à froid. Le taux de
réduction peut être largement supérieur à ce taux minimum.
Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un
produit à très haute charge à la rupture, obtenu par
déformation d'un acier austénitique instable, sous forme
20 notamment de fil ou de bande caractérisé en ce qu'il est
élaboré par un procédé tel que décrit plus haut.
De préférence, l'acier austénitique est un acier
comprenant dans sa composition:
de 0,01 à 0,15% de carbone
de 13 à 22% de chrome
de 5 à 13% de nickel
de o,2 à 2,5% de manganèse
de 0,2 à 3% de silicium
de 0,01 à 0,15% d'azote,
30 le reste étant du fer.
Selon des caractéristiques préférentielles du produit
selon l'invention:
- l'acier peut comprendre dans sa composition de 0,5
à 2% d'aluminium;
- l'acier peut comprendre dans sa composition moins
de 2% de molybdène;
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l'acier austénitique peut être un acier comprenant
dans sa composition:
de 0,2 à 1ô de carbone
de 15 à 30~ de manganèse
de 0,01 à 0,7~ d'azote,
le reste étant du fer;
- l'acier peut comprendre moins de 5ô de chrome et
moins de 7~ d'aluminium;
-,la charge à la rupture, avant vieillissement peut
être supérieure à 2300 MPa;
- l'acier austénitique peut être un acier comprenant
dans sa composition:
de 0,1 à 0,6~ de carbone
de 6 à 25~ de nickel
de 0 à 13~ de chrome
de 0 à 4~ de molybdène
de 0 à 3ô de silicium;
- la charge à la rupture après vieillissement peut
être supérieure à 2500 MPa.
La description qui suit, ainsi que les dessins
annexés, le tout donné à titre d'exemple non limitatif, feront
bien comprendre l'invention.
Sur ces dessins:
- les courbes 1A à 3A représentent dans deux
opérations de laminage à tiède puis à froid pour trois aciers
pris en exemple, le taux de martensite obtenu en fonction de
différentes déformations rationnelles cumulées;
- les courbes 1B à 3B représentent les caracté-
ristiques en traction pour les trois aciers pris
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en exemple, en fonction de la déformation rationnelle
cumulée, dans différentes conditions de traitement.
Les produits à très haute charge à la
rupture selon l'invention, notamment sous la forme de
5 fil ou de bande, sont obtenus par un effet de plasti
cité induite par déformation.
Les aciers écrouis à une température supé-
rieure à la température limite (Md) de formation de la
martensite par déformation, appelés aussi écrouis "à
tiède" ne présentent pas de propriétés d'usage parti-
culières.
Lorsque les aciers sont soumis à un ëcrouis-
sage à tiède puis â un écrouissage à froid, on ob-
serve, dans certaines conditions, une plasticité
particulièrement élevée, qui permet une transformation
mécanique à froid par passes successives, par exemple
avec des taux de réduction de 25$q et l'obtention de
niveaux de charge à la rupture de plus de 2x00 MPa, le
produit conservant d'une passe à l'autre une ductilité
acceptable.
L'effet de plasticité à froid aprês un
écrouissage à tiède est d'autant plus important que la
charge à la rupture de l'acier écroui â tiède est
élevée.
eJn vieillissement des aciers soumis à un
écrouissage à tiêde, suivi d'un écrouissage à froid
selon le procédé peut augmenter la charge à la rupture
d'environ 200 MPa et parfois plus en fonction de la
nuance d'acier utilisée.
Les conditions d'obtention des hautes
charges à la rupture sont attachées d'une part aux
caractéristiques mécaniques obtenues lors de
l'écrouissage à tiède, l'acier devant avoir au moins
une charge à la rupture supérieure à 1000 MPa et
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d'autre part aux conditions d'êcrouissage à froid,
selon lesquelles l'écrouissage de l'acier est réalisé
dans ~.n domaine de température déterminé, appelé do-
maine critique de température de déformation de la
martensite, de façon que pour une formation rationne-
lle supplémentaire de 0,1, l'augmentation du taux de
martensite formé ne dépasse pas, â tout instant, 20°~.
On entend par déformation rationnelle le
logarithme du rapport de la surface S de la section
apxès déformation sur la surface So de la section
initiale (1n S/So).
I1 est â noter qu'en fonction de la nuance
d'acier ou d'alliage austénitique instable considérée,
la vitesse de formation de la martensite, liée au
domaine critique de température de formation de la
martensite et à la déformation rationnelle cumulée
comprise entre 0,7 et 3, doit être contrôlée pour
l'obtention de caractéristiques mécaniques élevées, en
d'autres termes il est nêcessaire de ne pas former
trop rapidement la martensite lors de l'écrouissage à
froid.
Le domaine déterminé de température de for-
mation de la martensite est, pour les aciers pris en
exemple, compris dans l'intervalle -20'C +180'C. En
effet, au-delà de +180°C il ne se forme plus de mar-
tensite en quantité appréciable alors qu'en deçà de
-20'C la formation de martensite est excessive.
Des essais de tréfilage ont été réalisés et
ont permis de mettre en évidence l'effet surprenant de
la plasticité ïnduite dans les aciers austénitiques
instables, traités selon le procédé de l'invention.
Trois exemples de réalisation mettant en
évidence l'invention vont être décrits ci-après .
Le fil de base utilisé dans ces trois
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exemples est un fil-machine d'environ 5,6mm de dia-
mètre ; le fil est écroui à tiède à 250°C en plusieurs
passes jusqu'à un diamètre d'environ~2mm, puis ce fil
est tréfilé à froid à la température ambiante de 20°C
afin d'obtenir un fil d'environ 0,5mm en diamètre, les
taux de rêduction de section par passe de tréfilage
étant d'environ 25~. Aprês chacyue passe de tréfilage
le fil reprend 1a température ambiante avant une autre
passe. Le nombre de passe à tiède est d'environ 20, le
nombre de passe à froid ëtant d'environ 10.
Exemple 1 .
L'acier utilisé pour la mise en oeuvre du
procédé est un acier référencé 1, ayant la composition
pondérale suivante . 0,08% de carbone, 18,6°~s de
chrome, 8,5s de nickel, 0,3% de manganèse, 0,5~ de si-
licium, 0,04% d'azote.
Pendant l'écrouissage à tiède, il n'y a pas
formation de martensite et la charge à la rupture
atteinte est d'environ 1500 MPa; après le tréfilage à
froid la charge à la rupture du fil d'acier est
d'environ 2500 MPa.
ün traitement de vieillissement à 400°C
pendant une heure lui confère alors une charge à la
rupture d'environ 2700 MPa.
La courbe 1A représente, pour l'acier rë-
féxencé 1, l'évolution du taux de martensite en
fonction de la déformation rationnelle, ce taux de
martensite atteignant environ 60% après trëfilage à
froid.
La courbe 1fi représente l'évolution de la
charge à la rupture lois de l'écrouissage à tiède
juscgu'à 1400 Mra puis l'évolution de la charge à la
rupture lors du tréfilage à froid atteignant alors
2500 MPa; un vieillissement permet d'obtenir une
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charge à la rupture d'environ 2700 MPa.
L'augmentation de la charge à la rupture est
obtenue en contrôlant l'augmentation de la formation
de la martensite d'une passe de tréfilage à l'autre.
Exemple 2 .
L'acier utilisé est un acier référencé 2,
ayant la composition pondérale suivante : 0,09% de
carbone, 17,3% de chrome, 8,3% de nickel, 0,9% de
manganèse, 0,8% de silicium, 0,06% d°azote.
La courbe 2A illustre pour l'acier rêférencé
2 1°ëvolution du taux de martensite en fonction de la
déformation rationnelle cumulée, le taux de martensite
atteint étant de 45°s environ.
La courbe 2B représente l'évolution de la
charge à la rupture lars de l'écrouissage à tiède,
jusqu'à une charge à la rupture de 1â00 MPa, puis
l'évolution de ladite charge à la rupture lors du
tréfilage à froid, atteignant environ 2500 MPa.
Un vieillissement à 400°C pendant 1 heure
améliore 1a valeur de la charge à 1a rupture d'environ
200 MPa.
Exemple 3 .
L'acier utilisé est un acier référencé 3 et
ayant la composition suivante . 0,09% de carbone,
17,3% de chrome, 7,7% de nickel, 0,5% de manganèse,
0,8% de silicium, 0,15% d'azote, 1% d'aluminium.
La courbe 3A représente pour l'acier réfé
rencé 3 l'ëvolution du taux de maxtensite en fonction
de la déformatïon rationnelle, 1e taux de martensite
gouvant atteindre 95%.
La courbe 3E~ représente l'évolution de la
charge à la rupture lors de 1°écrouissage à tiède,
jusqu'à la charge à la rupture d'environ 1600 MPa,
puis l'évolution de ladite charge à la rupture lors du
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tréfilage à froid, atteignant environ 2300 MPa.
Le gain après traitement thermique à 480'C
pendant 45 minutes est dans cet exemple d'environ 300
MPa.
De telles caractéristiques sont obtenues par
la formation de martensite lors du tréfilage à froid,
formation plus lente sur un produit préalablement
écroui à tiède que par un tréfilage à froid direct du
fil machine.
On peut obtenir des caractéristiques encore
plus élevées
- en optimisant l'écrouissage à tiède;
par addition dans les compositions d'élé-
ments tels que molybdène, silicium, ...
pour durcir la
martensite formée;
- par addition d'éléments tels que cuivre,
aluminium, ... favorïsant des précipitations durcis-
santes lors du vieillissement final.
La première opération de déformation ou
d'écrouissage "à tàède" peut être un tréfilage, comme
décrit dans les exemples, mais aussi un laminage, un
martelage ou un forgeage, une torsion, une flexion
altexnée, ou autre.
La deuxième opération de déformation à froid
peut également prendre divers aspects : tréfilage,
laminage au autre.
