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 d'acier de construction au carbone fournis par les aciéries chinoises sont de φ5,5 à φ45 mm, la gamme la plus répandue étant de φ6,5 à φ30 mm. La ségrégation du phosphore dans les matières premières de petits diamètres est à l'origine de nombreux défauts de qualité. Nous allons examiner l'influence de cette ségrégation et analyser la formation des fissures.
L'ajout de phosphore au fer peut entraîner la fermeture du domaine de la phase austénitique dans le diagramme de phase fer-carbone. Par conséquent, l'intervalle entre le solidus et le liquidus s'en trouve élargi. Lors du refroidissement d'un acier contenant du phosphore de l'état liquide à l'état solide, celui-ci traverse une large plage de températures. La diffusion du phosphore dans l'acier étant lente, le fer fondu, riche en phosphore (et donc à bas point de fusion), comble les interstices des premières dendrites solidifiées, formant ainsi une ségrégation du phosphore.
Lors du procédé de frappe à froid ou d'extrusion à froid, des fissures apparaissent fréquemment. L'inspection et l'analyse métallographiques de ces produits fissurés révèlent une distribution en bandes de ferrite et de perlite, ainsi qu'une bande de fer blanc clairement visible dans la matrice. Dans la ferrite, on observe des inclusions de sulfure gris clair, également en forme de bandes, discontinues. Cette structure en bandes, due à la ségrégation du phosphure de soufre, est appelée « ligne fantôme ». En effet, la zone riche en phosphore, dans les zones de forte ségrégation, apparaît blanche et brillante. Du fait de cette forte teneur en phosphore, la teneur en carbone de la bande enrichie en phosphore est réduite, voire très faible. Ainsi, lors de la coulée continue de la bande enrichie en phosphore, les cristaux colonnaires de la brame se développent vers le centre. Lors de la solidification de la billette, les dendrites d'austénite précipitent d'abord à partir de l'acier en fusion. La teneur en phosphore et en soufre de ces dendrites est réduite, mais l'acier fondu solidifié final est riche en impuretés de phosphore et de soufre. Ces éléments se solidifient entre les axes dendritiques. Du fait de cette forte concentration en phosphore et en soufre, le soufre forme des sulfures et le phosphore se dissout dans la matrice. Sa diffusion est difficile, ce qui a pour effet de libérer le carbone. Le carbone ne pouvant fondre, la zone autour de la solution solide de phosphore (sur les côtés de la bande blanche de ferrite) présente une teneur en carbone plus élevée. De part et d'autre de la bande de ferrite, c'est-à-dire de la zone enrichie en phosphore, le carbone forme respectivement une bande de perlite étroite et discontinue, parallèle à la bande blanche de ferrite, et séparée du tissu normal adjacent. Lors du chauffage et du pressage de la billette, les arêtes s'allongent dans le sens du laminage. C’est précisément parce que la bande de ferrite contient une forte concentration de phosphore, c’est-à-dire une importante ségrégation du phosphore, qu’une structure de bande de ferrite large et brillante se forme, avec des stries gris clair de sulfure bien visibles au sein de cette bande. Cette bande de ferrite riche en phosphore, présentant de longues stries de sulfure, est ce que l’on appelle communément l’organisation en « lignes fantômes » (voir figure 1-2).
Figure 1 Fil fantôme en acier au carbone SWRCH35K 200X
Figure 2 Fil fantôme en acier au carbone Q235 500X
Lors du laminage à chaud de l'acier, la présence de ségrégation de phosphore dans la billette empêche l'obtention d'une microstructure uniforme. De plus, une ségrégation importante de phosphore entraîne la formation d'une structure de « fil fantôme », ce qui réduit inévitablement les propriétés mécaniques du matériau.
La ségrégation du phosphore dans l'acier au carbone est fréquente, mais son degré varie. Une ségrégation importante du phosphore (apparition d'une structure en « fils fantômes ») a des effets extrêmement néfastes sur l'acier. De toute évidence, cette ségrégation est la principale cause de la fissuration du matériau lors du forgeage à froid. Les différents grains d'acier présentant des teneurs en phosphore différentes, la résistance et la dureté du matériau varient. Par ailleurs, cette ségrégation engendre des contraintes internes qui favorisent la fissuration interne. Dans un matériau présentant une structure en « fils fantômes », la réduction de la dureté, de la résistance, de l'allongement après rupture et de la section, notamment la diminution de la résilience, est précisément à l'origine de la fragilité à froid du matériau. Ainsi, la teneur en phosphore et les propriétés structurales de l'acier sont étroitement liées.
L'analyse métallographique révèle la présence d'un grand nombre de sulfures allongés gris clair dans la zone de « ligne fantôme » au centre du champ de vision. 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 « Méthode d'inspection microscopique normalisée pour la détermination de la teneur en inclusions non métalliques dans l'acier », les inclusions de type B sont vulcanisées lorsque le niveau de matière atteint 2,5 et plus. Comme on le sait, les inclusions non métalliques sont des sources potentielles de fissuration. Leur présence nuit gravement à la continuité et à 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 constitue le site le plus propice à la fissuration. Par conséquent, les fissures de forgeage à froid et les fissures de trempe observées sur de nombreux sites de production de fixations sont causées par un grand nombre de sulfures allongés gris clair. L'apparition de tels défauts de tissage compromet la continuité des propriétés du métal et augmente les risques liés au traitement thermique. Ces « fils fantômes » ne peuvent être éliminés par normalisation, etc. ; il est donc impératif de contrôler rigoureusement les impuretés dès la fusion ou avant même l'entrée des matières premières en usine.
Les inclusions non métalliques sont classées en trois catégories selon leur composition et leur déformabilité : alumine (type A), silicate (type C) et oxyde sphérique (type D). Leur présence interrompt la continuité du métal et provoque la formation de piqûres ou de fissures après écaillage. Elles constituent un point de départ idéal pour l’amorçage de fissures lors du refoulement à froid et peuvent engendrer une concentration de contraintes lors du traitement thermique, entraînant ainsi des fissures de trempe. Par conséquent, les inclusions non métalliques doivent être rigoureusement 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 précises concernant les inclusions non métalliques. Pour les pièces critiques, les écarts entre les types A, B et C ne doivent généralement pas dépasser 1,5, et ceux des types D et Ds, 2.
Date de publication : 21 octobre 2021
