Analyse de la formation et de la fissuration de la ségrégation du phosphore dans l'acier de construction au carbone
Actuellement, les spécifications courantes des fils et barres en acier de construction au carbone fournis par les aciéries nationales sont de φ5,5 à φ45, la gamme la plus mature étant de φ6,5 à φ30. De nombreux accidents de qualité sont causés par la ségrégation du phosphore dans les fils et barres de petite taille. Pour votre information, examinons l'influence de la ségrégation du phosphore et analysons la formation de fissures.
L'ajout de phosphore au fer peut ainsi fermer la zone austénite dans le diagramme de phases fer-carbone. Par conséquent, la distance entre le solidus et le liquidus doit être augmentée. Le refroidissement de l'acier contenant du phosphore de l'état liquide à l'état solide nécessite une large plage de températures. La vitesse de diffusion du phosphore dans l'acier est lente. À ce stade, du fer fondu à forte concentration en phosphore (à bas point de fusion) remplit les espaces entre les premières dendrites solidifiées, formant ainsi une ségrégation du phosphore.
Lors des procédés de frappe ou d'extrusion à froid, des produits fissurés sont souvent observés. L'inspection et l'analyse métallographiques de ces produits montrent que la ferrite et la perlite sont réparties en bandes, et qu'une bande de fer blanc est clairement visible dans la matrice. La ferrite présente des inclusions intermittentes de sulfure gris clair en forme de bandes sur cette matrice. Cette structure en bandes, causée par la ségrégation du phosphure de soufre, est appelée « ligne fantôme ». En effet, la zone riche en phosphore, située dans la zone de forte ségrégation, apparaît blanche et brillante. En raison de la forte teneur en phosphore de la bande blanche et brillante, la teneur en carbone de la bande blanche et brillante enrichie en phosphore est réduite, voire très faible. De ce fait, les cristaux colonnaires de la brame de coulée continue se développent vers le centre lors de la coulée continue de la bande enrichie en phosphore. Lors de la solidification de la billette, des dendrites d'austénite précipitent d'abord à partir de l'acier en fusion. Le phosphore et le soufre contenus dans ces dendrites sont réduits, mais l'acier fondu solidifié final est riche en impuretés de phosphore et de soufre, qui se solidifient entre les axes des dendrites. En raison de leur teneur élevée en phosphore et en soufre, le soufre forme du sulfure et le phosphore se dissout dans la matrice. Il est difficile à diffuser et a pour effet de libérer du carbone. Le carbone ne peut pas fondre, de sorte que la solution solide de phosphore (les côtés de la bande blanche de ferrite) présente une teneur en carbone plus élevée. Les éléments carbonés de part et d'autre de la bande de ferrite, c'est-à-dire de part et d'autre de la zone enrichie en phosphore, forment respectivement une étroite bande de perlite intermittente parallèle à la bande blanche de ferrite et le tissu normal adjacent se sépare. Lorsque la billette est chauffée et pressée, les arbres s'étendent dans le sens du laminage. C'est précisément parce que la bande de ferrite contient beaucoup de phosphore que la ségrégation importante du phosphore conduit à la formation d'une structure de bande de ferrite large et brillante, avec du fer évident. Des bandes gris clair de sulfure sont présentes dans la bande large et brillante du corps de l'élément. Cette bande de ferrite riche en phosphore avec de longues bandes de sulfure est ce que nous appelons communément l'organisation « ligne fantôme » (voir figure 1-2).
Figure 1 Fil fantôme en acier au carbone SWRCH35K 200X
Figure 2 Fil fantôme en acier au carbone ordinaire Q235 500X
Lors du laminage à chaud de l'acier, tant qu'il y a ségrégation du phosphore dans la billette, il est impossible d'obtenir une microstructure uniforme. De plus, en raison de cette ségrégation importante du phosphore, une structure en « fil fantôme » se forme, ce qui réduit inévitablement les propriétés mécaniques du matériau.
La ségrégation du phosphore dans l'acier au carbone est fréquente, mais son intensité varie. Une ségrégation importante du phosphore (apparition d'une structure en « fil fantôme ») peut avoir des effets extrêmement néfastes sur l'acier. Cette ségrégation est évidemment responsable de la fissuration du matériau lors de la frappe à froid. La teneur en phosphore des différents grains d'acier varie, ce qui entraîne des variations de résistance et de dureté. Par ailleurs, elle engendre des contraintes internes, favorisant ainsi la fissuration interne. Dans les matériaux à structure en « fil fantôme », c'est précisément la réduction de la dureté, de la résistance, de l'allongement après rupture et de la surface, notamment la ténacité aux chocs, qui entraînent la fragilité à froid du matériau. La teneur en phosphore et les propriétés structurelles de l'acier sont donc étroitement liées.
Détection métallographique. Dans la « ligne fantôme » au centre du champ de vision, on trouve un grand nombre de sulfures allongés gris clair. Les inclusions non métalliques dans l'acier de construction se présentent principalement sous forme d'oxydes et de sulfures. Selon la norme GB/T10561-2005 « Tableau de classification standard pour la méthode d'inspection microscopique de la teneur en inclusions non métalliques dans l'acier », les inclusions de type B sont vulcanisées à ce stade. La teneur en matériau atteint 2,5 et plus. Comme chacun sait, les inclusions non métalliques sont des sources potentielles de fissures. Leur présence altère gravement la continuité et la compacité de la microstructure de l'acier et réduit considérablement sa résistance intergranulaire. On en déduit que la présence de sulfures dans la « ligne fantôme » de la structure interne de l'acier est l'emplacement le plus probable de fissuration. Par conséquent, les fissures de forgeage à froid et de trempe thermique sur de nombreux sites de production de fixations sont causées par un grand nombre de sulfures minces gris clair. L'apparition de tels mauvais tissages altère la continuité des propriétés du métal et augmente les risques liés au traitement thermique. Le « fil fantôme » ne peut être éliminé par normalisation, etc., et les impuretés doivent être strictement contrôlées dès la fusion ou avant l'entrée des matières premières en usine.
Les inclusions non métalliques sont classées en alumine (type A), silicate (type C) et oxyde sphérique (type D) selon leur composition et leur déformabilité. Leur présence interrompt la continuité du métal et entraîne la formation de piqûres ou de fissures après écaillage. Il est très facile de former une source de fissures lors du refoulement à froid et de provoquer une concentration de contraintes lors du traitement thermique, entraînant des fissures de trempe. Par conséquent, les inclusions non métalliques doivent être strictement contrôlées. Les normes actuelles GB/T700-2006 « Acier de construction au carbone » et GB/T699-2016 « Acier de construction au carbone de haute qualité » ne définissent pas d'exigences claires concernant les inclusions non métalliques. Pour les pièces importantes, les lignes grossières et fines de A, B et C ne dépassent généralement pas 1,5, et les lignes grossières et fines de D et D ne dépassent pas 2.
Date de publication : 21 octobre 2021
