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Etude du comportement des interfaces austenite martensite et martensite martensite de deux alliages

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Chap.I- Généralités sur la transformation martensitique._________________________________________________________________________________________I Généralités sur la TransformationMartensitique.Les matériaux présentant une transformation martensitique échappent à la règle générale etaux comportements habituellement observés chez les matériaux solides. Alors que lesmatériaux "courants" présentent un comportement élastique, plastique et/ou fragile, les qui subissent une transformation martensitique récupèrent en partie ou totalementleur forme initiale par le simple fait de chauffer l'échantillon: ce sont les alliages à mémoirede forme et cette particularité s’appelle ef l'fet mémoire de form .eDans cette première partie, nous allons présenter la transformation martensitique ainsi que lespropriétés thermomécaniques qui sont liées à cette transformation._________________________________13Chap.I- Généralités sur la transformation martensitique._________________________________________________________________________________________11 La transformation martensitique [31, 104, 108]111 DéfinitionLe terme de martensite, du nom de son inventeur le physicien Martens, désigne le produit issude la trempe de l'acier au carbone (à partir de la phase haute température). On nomme la phasehaute température austénite et la phase basse température martensite. Par la suite, le termes'est étendu aux produits obtenus par des mécanismes analogues (certains alliages ...
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Chap.I- Généralités sur la transformation martensitique.
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I Généralités sur la Transformation
Martensitique.
Les matériaux présentant une transformation martensitique échappent à la règle générale et
aux comportements habituellement observés chez les matériaux solides. Alors que les
matériaux "courants" présentent un comportement élastique, plastique et/ou fragile, les qui subissent une transformation martensitique récupèrent en partie ou totalement
leur forme initiale par le simple fait de chauffer l'échantillon: ce sont les alliages à mémoire
de forme et cette particularité s’appelle ef l'fet mémoire de form .e
Dans cette première partie, nous allons présenter la transformation martensitique ainsi que les
propriétés thermomécaniques qui sont liées à cette transformation.
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13Chap.I- Généralités sur la transformation martensitique.
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11 La transformation martensitique [31, 104, 108]
111 Définition
Le terme de martensite, du nom de son inventeur le physicien Martens, désigne le produit issu
de la trempe de l'acier au carbone (à partir de la phase haute température). On nomme la phase
haute température austénite et la phase basse température martensite. Par la suite, le terme
s'est étendu aux produits obtenus par des mécanismes analogues (certains alliages métalliques
et même certains matériaux non métalliques, voir tableau n°1).
La transformation martensitique est un changement de phase à l'état solide. Cette
transformation est une transformation displacive: les déplacements atomiques sont faibles
(très inférieurs aux dimensions de la maille) et se produisent par des mouvements corrélés
d'atomes (contrairement aux déformations par diffusion qui, elles, procèdent par des
mouvements atomiques aléatoires). Ainsi, cette transformation sans diffusion se propage de
façon indépendante du temps, par un déplacement des interfaces entre les deux phases. La
vitesse de déplacement est uniquement limitée par la vitesse du son dans le matériau.
La transformation martensitique peut s'opérer à toute température, à des vitesses de chauffage
ou de refroidissement qui peuvent être très rapides, sans toutefois qu'il y ait modification de la
composition chimique. En effet, la martensite hérite de l'ordre et de la composition chimique
de la phase mère. Il y a réarrangement des atomes pour former une structure plus stable.
La transformation martensitique est du premier ordre : il y a coexistence des deux phases,
haute et basse température, séparées par une interface nette.
La transformation martensitique est donc displacive et du premier ordre. Afin de parfaire cette
définition, il convient d'ajouter "à déformation homogène du réseau". La transformation
s'opère par cisaillement. La déformation macroscopique est le résultat d’une déformation
homogène du réseau (déformation de Bain) et d’une déformation à réseau invariant
(glissement plastique, maclage, fautes d’empilement) qui conservent un plan invariant.
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14Chap.I- Généralités sur la transformation martensitique.
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exemple d'alliages possédant une transformation structure de la phase mère et de la phase formée
martensitique
Bases Cu (CuZnAl, CuAlNi) (CC) 3R, ' (9R), ' (2H), structures compactes
Bases TiNi (CC) 9R, AB empilements compacts [33]
FeMnSi [105] (CFC) (HC)
FeC (CFC) ‘ (CC ou tétragonale centrée)
MnCu CFC Tétragonale faces centrées
AuCd [106]B2 (CsCl) ' (orthorhombique)
PSZ [38]tétragonale monoclinique
ZrO [28]2 tétragonale monoclinique
tableau °1
112 Caractéristiques géométriques
Nous avons vu que la tranformation martensitique correspond à une transformation par
cisaillement homogène, mettant en jeu deux phases distinctes séparées par une interface
(figure 112.1). Cette interface, commune aux deux phases, est un plan invariant que l'on
nomme plan d'habitat ou plan d'accolement. Le cisaillement s'opère parallèlement à ce plan
d'habitat.
La martensite croît dans l'austénite sous forme de plaquettes, appelées variantes. Ces variantes
sont caractérisées par des plans d'habitat et des orientations différentes, équivalentes du point
de vue cristallographique. Dans un monocristal d'austénite, il y a 24 possibilités d'orientations
de ces variantes. Au cours du refroidissement, les variantes se forment de façon à compenser
les déformations des autres variantes: on parle d'autoaccommodation (figure 112.2) [18,
105].
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bebggbfifififibfifigafifiChap.I- Généralités sur la transformation martensitique.
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Au s t é n i t e
Au s t é n i t e
Mar tensite plan d’habitat
Figure 112.1. Formation d'une variante de martensite dans un
monocristal d'austénite. Cisaillement et déviation d'une rayure.
La déformation macroscopique observée peut être géométriquement décrite par trois
opérations successives :
? une déformation homogène du réseau : à l'échelle microscopique, la déformation (de
Bain) se traduit par un déplacement atomique. Les mailles cristallographiques de la phase
mère et de la phase martensitique sont différentes. Pour passer de l'une à l'autre, on
déforme le réseau de façon homogène.
? une déformation hétérogène à réseau invariant : cette déformation additionnelle,
essentiellement due à un glissement ou à du mâclage, ne modifie pas la structure de la
martensite et intervient pour minimiser l'énergie de déformation et assurer la compatibilité
de l’interface.
? une rotation rigide .




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Figure 112.2. Variantes autoaccommodantes, à deux dimensions (a) et trois dimensions (b) [18].

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113 Thermodynamique de la transformation [67, 107]

A présent, ex aminons la thermodynamique de la transformation martensitique.
Prenons le cas d'un monocristal.
Des équations simples de la thermody namique montrent qu’il existe un comportement linéaire
entre les énergies libres de la phase mère et de la martensite.
Nous avons alors :
G = H TS dans le cas de la phase mère, (1)A A A
G = H TS dans le cas de la martensite,M M M
avec G l’énergie libre, H l’enthalpie et S l’entropie.
L'énergie libre de transformation s'écrit alors:

G = G G (1’)A M A M
avec G l'énergie libre de la phase mère et G l'énergie libre de la phase martensitique.A M
Les deux courbes se coupent en T ,température d’équilibre (figure 113.1). o


Ener gi e l i br e
GM
GA
oT Tempér atur e

Figur e 113.1. Energie libre des phases martensitique et austénitique
en fonction de la température.


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18
fiDfiChap.I- Généralités sur la transformation martensitique.
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Dans le cas où la température est supérieure à , est donc négatif et la phase T Go A M
austénitique est stable. Dans le cas inverse, où la température est inférieure à T , G esto A
supérieure à G . G est donc positif et c'est la martensite qui est stable (figure 113.1).M A M
Afin de simplifier les choses, on considère dans un premier temps que ces deux
Dans le cas théorique où les deux phases sont considérées comme étant indépendantes l'une de
l'autre, G s'annule à T et c'est à cette température que la transformation martensitiqueA M o
s'effectue (figure 113.2).

Fraction de martensite transformée
1
0
To Tempér atur e

Fi gure 113.2. Fraction volumique de la martensite en fonction de la
température dans le cas de deux phases indépendantes.

Or ce cas idéal ne correspond nullement à la réalité. En effet, la transformation martensitique
s'effectue par un processus de nucléation et de croissance; les deux phases ne sont donc pas
indépendantes l'une de l'autre, une interface les sépare et l'énergie nécessaire au déplacement
de cette interface s'ajoute au bilan énergétique. Elle constitue une barrière énergétique et
conduit à un étalement de la transformation. La formation des variantes s'accompagne d'une
augmentation de l'énergie de déformation [25]. L'énergie libre est donc la somme d'une
énergie chimique, motrice, et d'une énergie non chimique (élastique et dissipative) qui tend à
s’opposer à la transformation martensitique [41, 71].

G = G + G + G (2)tot. chim. élast. diss.

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fidfiDDDfiDDfififiDChap.I- Généralités sur la transformation martensitique.
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En l'absence de relaxation de la déformation élastique, une condition d'équilibre
thermoélastique est établie: une plaquette peut se déplacer de façon continue. D'un autre côté,
comme il n'y a pas de diffusion, la morphologie et la microstructure (position et orientation)
des nouveaux domaines de phase martensitique sont gouvernées par la nécessité de diminuer
la déformation élastique à chaque étape de la transformation.
L'énergie non chimique, stockée après transformation sous forme élastique, plastique ou
interfaciale, aide à la réversion de la martensite en austénite. L’énergie de dissipation tend à
arrêter la transformation (tableau n°2) [66, 81].

exem ple du CuZnAl
1
E .= 13 ± 4 J.molel
1Energie dissipée: E = 16 3 J.mol ±diss
tableau n°2

On définit les températures de transformation (prise par convention à 10% et 90% de la
transformation) de la manière suivante (figure 113.3):
? Ms: température de début de transformation martensitique,
? Mf: température de fin de transformation martensitique,
? As: température de début de transformation inverse,
? Af: température de fin de transformation inverse,
hystérésis : ; ,? As Mf Af Ms
? étalement de la transformation: Ms As ; Af Mf.
L'énergie dissipée pendant les deux transformations est proportionnelle à la surface du cycle
d'hystérésis (figure 113.3). Les températures de transformation sont mesurées, par convention,
à 10% de la transformation pour Ms et Af, et à 90% de la transformation pour Mf et As.
On distingue deux types de transformations. Dans le cas d'une transformation par "burst", la
nucléation de la martensite s'avère difficile et la croissance se produit par un processus
d'avalanche: la martensite croît rapidement jusqu'à ce qu'elle soit arrêtée par une autre aiguille
ou par un joint de grain et elle entraîne la formation d’autres aiguilles par effet catalytique. La
propagation des plaquettes entraîne souvent une déformation plastique de la matrice d'où
l'existence d'un problème de réversibilité. La transformation par "burst" implique une force
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DChap.I- Généralités sur la transformation martensitique.
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motrice importante, supérieure à la force non chimique, ce qui est la cause de la présence
d'une forte hystérésis [78, 79].
Fraction de martensite transformée
Mf As
1
90%
10%
0
Ms Af
Tempér atur e
Figure 113.3. Fraction volumique de la martensite en fonction de la température.
Le deuxième type de transformation est la transformation thermoélastique. Cette
transformation s'opère par mouvement des interfaces, lors d'une variation de température. Le
mouvement des interfaces procède par une succession de positions d'équilibre. Il s'agit, à
chaque température, d'un compromis énergétique entre énergie motrice et énergies résistives
[77]. La transformation thermoélastique est caractérisée par une faible hystérésis, due à sa
faible énergie motrice, nettement inférieure à l'énergie non chimique.
On différencie deux transformations thermoélastiques [110]:
transformation de type I : faible étalement (As>Ms)(AuCd)
transformation de type II : fort étalement (As<MsZnl
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21Chap.I- Généralités sur la transformation martensitique.
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114 Diagramme contrainte-température
La martensite peut être induite de façon thermique ou par l'application d'une contrainte. Dans
le deuxième cas, la martensite apparaît à partir d'une contrainte critique. Ce tte contraintec
critique évolue de façon linéaire selon la loi du type Clausius Clapeyron [24]:

d /dT = H/ ( T)(3)o o
T est la température d’équilibre de la transformation, la contrainte appliquée, lao o
déformation de transformation, la masse volumique et est l’enthalpie de laH
transformation. Sur la figure 114, correspond à la température à laquelle la martensites
peut être initiée sous une contrainte uniaxiale [70].
Contr ai nt e
M
c
(2)
A
(1)
Ms Ms Tempér atur e
Figure 114. Loi de Clausius-Clapeyron: (1) à température constante et
contrainte croissante; (2) à contrainte constante et température décroissante.
_________________________________
22
rsesrssMsDDsesss