Ficha de revisão: Introduction aux microstructures métalliques

📋 Plan du Cours

1. Monocristaux, polycristaux et joints de grain
2. Texture et anisotropie des grains
3. Aubes de turbine et monocristaux
4. Structures cristallines des métaux
5. Défauts cristallins et plasticité
6. Aciers, phases et microstructures
7. Effets des éléments d'addition
8. Fontes et diagramme Fe-C
9. Procédés de moulage
10. Traitements thermiques des alliages

📖 1. Monocristaux, polycristaux et joints de grain

🔑 Notions clés & Définitions

• Monocristal : Un matériau monocristallin est constitué d’un unique cristal, formé par un empilement atomique continu et ordonné.
• Polycristal : Un matériau polycristallin est constitué d’un assemblage de plusieurs cristaux, chacun ayant sa propre orientation.
• Joint de grain : Un joint de grain est la zone de contact entre deux cristaux qui ne sont pas orientés de la même façon.
• Taille de grains : La taille des grains correspond aux dimensions des cristaux constituant un polycristal et présente un caractère statistique.

📝 Points essentiels

• Un polycristal est formé d’un assemblage de cristaux, tandis qu’un monocristal provient d’un seul cristal.
• Un joint de grain est cohérent si la perfection cristalline se poursuit malgré l’orientation relative des deux cristaux.
• L’aire totale des joints de grains augmente quand la taille des cristaux diminue.
• La taille de grains se détermine par métallographie.
• La texture se caractérise par des méthodes macroscopiques comme la radiocristallographie ou microscopiques comme la microscopie électronique à balayage.

💡 Astuce mémo

Monocristal = une pièce ordonnée ; polycristal = un puzzle de cristaux ; les joints de grain sont les “coutures” entre pièces.

📖 2. Texture et anisotropie des grains

🔑 Notions clés & Définitions

• Texture des grains : La texture décrit l’orientation statistique des cristaux au sein d’un matériau polycristallin.
• Anisotropie des grains : L’anisotropie traduit le fait que chaque grain réagit différemment selon la direction cristallographique.
• Radiocristallographie : La radiocristallographie est une méthode macroscopique pour déduire la texture d’un polycristal.
• Microscopie électronique à balayage : La microscopie électronique à balayage est une méthode microscopique utilisée pour caractériser la texture des grains.

📝 Points essentiels

• Un cristal-grain présente un comportement anisotrope car sa taille et son orientation relative ont un caractère statistique.
• La texture se définit soit par radiocristallographie (approche macroscopique), soit par microscopie électronique à balayage (approche microscopique).
• Plus les cristaux/grains sont petits, plus la surface de joints de grains augmente, ce qui amplifie l’effet de l’orientation relative sur le matériau.

💡 Astuce mémo

Texture = “orientation statistique” ; Anisotropie = “réponse différente selon la direction” (mesurée en macro : radiocristallographie, en micro : MEB).

📖 3. Aubes de turbine et monocristaux

🔑 Notions clés & Définitions

• Dislocation : Défaut linéaire d’un monocristal responsable des mécanismes de plasticité pendant la déformation.
• Densité de dislocations : Mesure de la quantité de dislocations dans un cristal, donnée par la longueur totale de dislocations par unité de volume.
• Dislocation-coin : Type de dislocation correspondant à l’introduction d’un demi-plan dans le réseau cristallin.
• Maclage : Mode de déformation cristallographique dû au basculement d’une partie du cristal autour d’un plan de macle.
• Contrainte critique de maclage : Valeur seuil à partir de laquelle le maclage devient possible, dépendant de la structure cristallographique et de la température.

📝 Points essentiels

• Les dislocations, défauts linéaires, sont l’origine de tous les processus liés à la plasticité dans le monocristal.
• On distingue trois types de dislocations : coin, vis et mixte.
• La densité de dislocations correspond à la longueur totale de dislocations contenues dans un volume donné, exprimée en cm/cm3.
• Le maclage est caractérisé par un plan de macle, une direction et un taux de maclage qui définissent les systèmes actifs selon la structure cristallographique.
• Les contraintes critiques classent les comportements : CC (maclage principal à basse température), CFC (maclage non observé car contrainte critique > glissement), HC (maclage principal car contrainte critique très faible).
• En micrographie optique, le maclage se révèle après polissage et attaque car la zone maclée a une orientation différente de la zone non maclée.

💡 Astuce mémo

CC : C oin de basse T° (maclage principal) ; CFC : C ritiques trop hautes (pas de maclage) ; HC : H eures basses T° (maclage facile).

📖 4. Structures cristallines des métaux

🔑 Notions clés & Définitions

• Ferrite : Phase du fer notée α où le carbone se dissout très peu, ce qui donne une structure douce, très ductile et résiliente.
• Austénite : Phase du fer notée γ où le carbone se dissout plus facilement, conduisant à une structure très ductile et résiliente.
• Cémentite : Carbure de fer noté Fe3C, très dur mais plutôt fragile, dont la décomposition vers ferrite (ou austénite) et graphite peut demander une température élevée et du temps.
• Perlite : Microconstituant eutectoïde issu de la transformation isotherme de l’austénite, formé par un mélange α + Fe3C.

📝 Points essentiels

• Le carbone se dissout pratiquement pas dans la ferrite α, alors qu’il pénètre bien davantage dans l’austénite γ grâce à des sites interstitiels plus grands.
• La cémentite correspond à un carbure métastable de formule Fe3C et sa décomposition suit Fe3C → 3Fe + C.
• La transformation eutectoïde γ → α forme la perlite à la température où la réaction a lieu, avec début de nucléation aux joints de grains.
• Dans la perlite, la morphologie est souvent lamellaire mais peut devenir globulaire lors de traitements thermiques.
• À l’échelle microscopique, une rupture intergranulaire se propage le long des joints de grains et est en général fragile, tandis qu’une rupture intragranulaire se propage dans les grains et peut être fragile ou ductile.

💡 Astuce mémo

α = peu de C (ductile + résilient) ; γ = plus de C (ductile + résilient) ; Fe3C = dur mais fragile.

📖 5. Défauts cristallins et plasticité

🔑 Notions clés & Définitions

• Transformation eutectique : Transformation eutectique : lors d'un refroidissement, un liquide se transforme en deux phases solides.
• Transformation eutectoïde : Transformation eutectoïde : au refroidissement, une phase solide se transforme en deux phases solides.
• Transformation péritectique : Transformation péritectique : pendant le refroidissement, une phase solide se forme à partir d'une phase solide et d'une phase liquide.
• Transformation monotectique : Transformation monotectique : au refroidissement, une phase liquide se transforme en une autre phase liquide et une phase solide.

📝 Points essentiels

• Une solidification à 30% Sn dans le système Pb-Sn conduit à une microstructure issue d'une évolution pendant le refroidissement vers des phases Pb-rich solid et Sn-rich solid.
• Dans le diagramme Pb-Sn, une transformation eutectique correspond au passage d'une phase liquide à deux phases solides pendant le refroidissement.
• Dans le diagramme Fe-C et plus généralement pour les alliages, une transformation eutectoïde correspond au passage d'une phase solide à deux phases solides pendant le refroidissement.
• Une transformation péritectique implique la formation d'une phase solide à partir d'une phase solide et d'une phase liquide pendant le refroidissement.
• Une transformation monotectique implique la transformation d'une phase liquide en une autre phase liquide accompagnée de la formation d'une phase solide pendant le refroidissement.

💡 Astuce mémo

Eutec : Liquide→2 solides ; Eutect : Solide→2 solides ; Péri : Solide + Liquide→Solide ; Mono : Liquide→Liquide + Solide.

📖 6. Aciers, phases et microstructures

🔑 Notions clés & Définitions

• Acier hypereutectoïde : Un acier hypereutectoïde correspond à un acier dont la microstructure montre un excès de constituant carboné par rapport au point eutectoïde.

📝 Points essentiels

• Dans un acier hypereutectoïde, la microstructure est constituée de perlite plus cémentite.
• Exemples de propriétés : la ferrite a une dureté ~80 Brinnel, une limite à la rupture ~300 MPa et un allongement ~40 %.
• Exemples de propriétés : la cémentite atteint ~700 MPa mais avec allongement 0 % et une dureté ~550 Brinnel.
• Exemples de propriétés : la perlite très fine a ~1100 MPa, ~10 % d’allongement, ~200 J/cm2 de résilience et ~250 Brinnel de dureté.
• Exemples de propriétés : la perlite normale a ~850 MPa, ~15 % d’allongement, ~200 J/cm2 de résilience et ~205 Brinnel de dureté.
• Les éléments d’addition ont deux familles pour le domaine austénitique : gammagènes (Ni, Mn, Cu) élargissent la zone où la phase γ est stable et alphagènes (Cr, W, Mo, V, B) élargissent la zone où la phase α est stable.

💡 Astuce mémo

Gammagènes → γ (Ni/Mn/Cu) ; Alphagènes → α (Cr/W/Mo/V/B).

📖 7. Effets des éléments d'addition

🔑 Notions clés & Définitions

• Silicium : Le silicium est un élément d’addition qui favorise la formation de graphite dans les fontes et intervient dans la voie vers la forme sphéroïdale du graphite.
• Magnésium : Le magnésium est un agent modificateur qui perturbe la cristallisation du graphite en lamelles et favorise l’apparition de nodules plus ou moins sphériques.
• Chrome : Le chrome est l’élément indispensable des aciers inoxydables car il permet la passivation au contact de l’oxygène.
• Molybdène : Le molybdène est un élément d’addition pouvant être ajouté aux aciers inoxydables pour compléter leurs propriétés en service.
• Nickel : Le nickel est un élément d’addition utilisé dans certains aciers inoxydables, influençant leur structure et leurs propriétés.

📝 Points essentiels

• Dans la fonte à graphite sphéroïdal, un refroidissement lent et un pourcentage élevé en Si favorisent l’obtention d’une forme de graphite adaptée.
• L’ajout de Mg agit comme antigraphitisant et retarde la solidification, ce qui conduit à des nodules de graphite plus ou moins sphériques.
• Le magnésium est introduit dans le bain de fonte vers 1450°C pour obtenir la sphéroïdisation du graphite.
• Pour qu’un acier soit inoxydable, il doit contenir au moins 10,5% de chrome.
• Selon les pourcentages d’éléments d’alliage, l’acier inoxydable peut présenter une structure martensitique, ferritique ou austénitique, notamment dans les alliages Fe-Cr ou Fe-Cr-Ni.

💡 Astuce mémo

Si aide la fonte, Mg arrondit le graphite en nodules (Si puis Mg : sphéroïdal).

📖 8. Fontes et diagramme Fe-C

🔑 Notions clés & Définitions

• Diagramme de phases : Un diagramme de phases est une représentation des phases stables d’un alliage en fonction de la température et de la composition.
• Transformations métastables : Des transformations métastables correspondent à des états non en équilibre qui peuvent apparaître lors de traitements hors conditions d’équilibre.
• Diagrammes TTT : Un diagramme TTT décrit l’évolution structurale d’un alliage en conditions isothermes pendant le refroidissement.
• Diagrammes TRC : Un diagramme TRC décrit l’évolution structurale d’un alliage en conditions anisothermes pendant le refroidissement.

📝 Points essentiels

• Les transformations à l’état solide ne se produisent pas toujours en conditions d’équilibre, ce qui rend parfois les diagrammes de phases insuffisants et conduit à des phases métastables.
• Pour prévoir l’évolution hors équilibre, on utilise des diagrammes de type TTT pour des maintiens isothermes et des diagrammes TRC pour des conditions variant avec le temps.
• Dans un TRC, un refroidissement lent mène généralement à une structure perlitique.
• Dans un TRC, quand la vitesse de refroidissement dépasse la vitesse critique, la structure obtenue devient généralement martensitique.
• Le choix du traitement thermique dépend notamment de la température, des vitesses de chauffage et de refroidissement, et du temps de maintien, avec la composition de l’alliage et sa structure initiale.
• Pour obtenir une phase hors d’équilibre, les diagrammes de phases à l’équilibre ne suffisent pas et doivent être complétés par des diagrammes TTT ou TRC.

📖 9. Procédés de moulage

🔑 Notions clés & Définitions

• Fonderie au sable : Procédé de moulage utilisant un moule réfractaire en sable pour couler des pièces à fortes épaisseurs et en général avec un état de surface rugueux.
• Fonderie à la cire perdue : Procédé de moulage où la cire sert de modèle pour former le moule, donnant un état de surface de haute qualité pour des pièces de faible épaisseur.
• Fonderie en coquille par gravité : Procédé de moulage en moule métallique (fonte ou acier) utilisé pour des petites et moyennes séries, coulé par gravité avec la possibilité d’utiliser des noyaux.
• Fonderie sous pression : Procédé de moulage à bas coût unitaire pour grandes séries, avec une forte porosité à cœur qui limite la ductilité et sans possibilité d’emploi de noyaux (sauf cas particuliers).

📝 Points essentiels

• En fonderie, la pièce est obtenue par solidification du métal liquide dans un moule qui fixe les formes et dimensions finales.
• Les produits moulés sont souvent isotropes mais peuvent être hétérogènes, avec un mauvais état de surface, une porosité importante et une ségrégation.
• Moules non permanents : ils permettent un haut point de fusion (ex. alliages ferreux), avec fonderie au sable pour fortes épaisseurs et fonderie à la cire perdue pour faible épaisseur et meilleure qualité de surface.
• Fonderie au sable : pièces de forte épaisseur (supérieures à 3 mm) et état de surface rugueux.
• Fonderie à la cire perdue : pièces de faible épaisseur (supérieures à 1 mm) et état de surface de haute qualité.
• Fonderie sous pression : grandes séries à bas coût mais investissement élevé, porosité à cœur assez élevée et limitation de la ductilité, avec impossibilité des noyaux (sauf cas spécifiques).

💡 Astuce mémo

Non permanent = haut point de fusion + surface rugueuse (sable) ou haute qualité (cire perdue) ; permanent = bas point de fusion (coquille) ; sous pression = grandes séries mais porosité à cœur et noyaux interdits (sauf cas).

📖 10. Traitements thermiques des alliages

🔑 Notions clés & Définitions

• Durcissement superficiel : Le durcissement superficiel correspond à un gain de résistance local près de la surface grâce à une modification de l’état structural et/ou des contraintes dans cette zone.
• Contraintes résiduelles de compression : Les contraintes résiduelles de compression sont des contraintes internes qui restent après le traitement et qui peuvent améliorer le comportement mécanique en service.
• Transformation de phase : Une transformation de phase est un changement de structure cristalline ou de constituant dans l’alliage, pouvant modifier la résistance à la fatigue et à la corrosion.

📝 Points essentiels

• Le traitement vise à combiner un durcissement superficiel, une modification structurale et l’introduction de contraintes résiduelles de compression par déformation plastique hétérogène en surface.
• Le matériau peut se durcir par écrouissage superficiel et/ou par diminution de la taille de grain et/ou par transformation de phase.
• Les contraintes résiduelles de compression sont souvent favorables à la résistance en fatigue et à la corrosion sous contraintes.
• Les déformations plastiques peuvent aussi dégrader la résistance à la corrosion si elles induisent une transformation de phase défavorable.
• La rugosité augmente après certains traitements de surface et devient souvent défavorable à la résistance à l’usure et aux frottements ainsi qu’à la tenue en fatigue.

📅 Repères chronologiques

Date	Événement
2002	Références de livres de métallurgie (Barralis & Maeder ; Philibert & al.)
1972	Référence « La rupture des métaux » (D. François, L. Joly)
2013	Référence « Influence de l’usinage sur la durée de vie en fatigue… » (Université Toulouse 3)

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des transformations eutectique/eutectoïde/péritectique/monotectique

Type	Transformations	Phases obtenues (selon le cours)	Exemple cité
Eutectique	Refroidissement : liquide → 2 solides	Passage d’une phase liquide à deux phases solides	Pb-Sn (dans le cours)
Eutectoïde	Refroidissement : solide → 2 solides	Passage d’une phase solide à deux phases solides	Diagrammes alliage Fe-C (dans le cours)
Péritectique	Refroidissement : solide + liquide → solide	Formation d’une phase solide à partir d’une phase solide et d’une phase liquide	Ag-Pb, Ag-Au, Cu-Sn (dans le cours)
Monotectique	Refroidissement : liquide → liquide + solide	Transformation d’une phase liquide en une autre phase liquide + une phase solide	Cu-Pb (dans le cours)

⚠️ Pièges & confusions fréquents

1. Confondre joint de grain et joint de maclage : le joint de grain relie des cristaux d’orientations différentes, alors que le maclage implique un plan/direction/taux définissant une déformation cristallographique.
2. Croire que les diagrammes de phases suffisent toujours : hors équilibre, il faut des diagrammes TTT (isothermes) ou TRC (anisothermes).
3. Inverser eutectique et eutectoïde : eutectique concerne liquide → deux solides, eutectoïde concerne solide → deux solides.
4. Penser que la cémentite se décompose en conditions quelconques : la décomposition Fe3C → 3Fe + C n’apparaît qu’à température suffisamment élevée et dans des circonstances particulières.
5. Oublier que la rupture macroscopique peut venir de mécanismes microscopiques différents : ductile/fragile et intergranulaire/intragranulaire ne se déduisent pas uniquement d’un faciès global.
6. Croire que le grenaillage améliore seulement l’état de surface : il modifie aussi la structure locale (écrouissage/réduction taille de grain/phase possible) et introduit des contraintes résiduelles de compression.
7. Confondre les familles d’alliages d’inox : le chrome est l’élément indispensable (≥ 10,5%) et la structure dépend des % (martensitique, ferritique ou austénitique).

✅ Checklist Examen

1. Montrer la différence monocristal/polycristal et définir joint de grain et taille de grains (caractère statistique).
2. Expliquer pourquoi chaque grain présente une anisotropie de comportement et comment la texture est déterminée (radiocristallographie vs microscopie électronique à balayage).
3. Décrire le rôle des dislocations en plasticité et donner la signification de la densité de dislocations (cm/cm3).
4. Classer dislocations coin/vis/mixte et définir maclage (plan de macle, direction, taux) et la notion de contrainte critique de maclage (CC/CFC/HC).
5. Rappeler les transformations eutectique/eutectoïde/péritectique/monotectique (liquide→2 solides ; solide→2 solides ; solide+liquide→solide ; liquide→liquide+solide) et leur place dans les diagrammes (Pb-Sn, Fe-C, Ag-Pb/Ag-Au/Cu-Sn, Cu-Pb).
6. Relier Fe-C aux phases : ferrite α (peu de C), austénite γ (C dissout davantage), cémentite Fe3C (dur/fragile) et perlite (α + Fe3C, souvent lamellaire).
7. Donner les microstructures typiques d’un acier selon la teneur eutectoïde (hypoeutectoïde : perlite + ferrite ; hypereutectoïde : perlite + cémentite).
8. Expliquer pourquoi hors équilibre il faut compléter le diagramme d’équilibre par TTT/TRC, et relier TRC : refroidissement lent → perlitique, au-delà de la vitesse critique → martensitique.
9. Choisir un procédé de moulage à partir de la pièce (sable : >3 mm et surface rugueuse ; cire perdue : faible épaisseur >1 mm et surface de haute qualité ; coquille : séries petites/moyennes, moule permanent ; sous pression : grandes séries, noyaux interdits sauf cas).
10. Lister le but général des traitements thermiques et distinguer recuit (proche équilibre, adoucissement) / trempe (structures métastables, refroidissement rapide > vitesse critique) / revenu (évolution depuis la trempe vers proche équilibre).
11. Pour les traitements de surface, relier cémentation et nitruration à leurs principes (diffusion de C ou N), aux épaisseurs/duretés et à la trempe éventuelle, puis relier traitements mécaniques (grenaillage) aux contraintes résiduelles de compression et aux effets sur fatigue/usure/corrosion sous contrainte.