Bainite supérieure

La bainite supérieure est une microstructure constituée de fines plaquettes de ferrite, chacune ayant environ 0.2 micromètres d'épaisseur et 10 de long. Ces plaquettes croissent en paquets appelés lames. Dans chacune des lames, les plaquettes sont parallèles et de même orientation cristallographique, chacune ayant un plan d'habitat bien défini. Les plaquettes individuelles constituant une lame sont souvent appelées sous-unités de bainite. Elles sont souvent séparées par des joints de grain à faible désorientation, ou par des particules de cémentites.

Microstructure de la bainite supérieure. La haute teneur en silicium de cet acier a pour effet de supprimer la précipitation de cémentite. Nous trouvons, à la place, des films d'austénite entre les plaquettes de ferrite baitique. (a) Microscope optique; (b) Microscope éléctronique à transmission, champ clair; (c) austenite résiduelle, champ sombre; (d) montage de photos MET d'une lame de bainite (au microscope optique, cette lame apparait comme une plaquette sombre). D'après Bhadeshia et Edmonds, Acta Metallurgica, volume 28 (1980) 1265-1273.

La bainite supérieure se forme en plusieurs étapes distinctes, commençant par la nucléation de plaquettes de ferrite aux joints de grain de l'austénite. La croissance de chaque plaquette s'accompagne d'une déformation de la région transformée, qui est souvent décrite par une déformation en cisaillement pur , identique à celle observée dans la martensite. Cependant, la croissance de la bainite se fait &agrave des températures relativement hautes par rapport au domaine de transformation martensitique. La limite d'élasticit&eacute de l'austénite diminuant avec une température croissante, celle-ci ne peut accomoder élastiquement les importantes déformations. L'accomodation se fait par déformation plastique de l'austénite adjacente. Il en résulte une augmentation locale de la densité de dislocations, donc un phénomène de consolidation qui finit par bloquer le mouvement de l'interface. Cette déformation plastique localisée arrête la croissance des plaquettes de ferrite, de telle sorte que chaque sous-unité atteint une taille limite, largement inférieure &agrave la taille de grain de l'austénite.

Importante densité de dislocations à l'interface bainite(clair)/austénite(sombre), due &agrave la déformation qui accompagne la transformation. Ces nombreuses dislocations bloquent l'interface par consolidation, provoquent une perte de cohérence et un arrêt de la croissance. Ceci explique la taille limitée des sous-unités de bainite. D'après Bhadeshia et Edmonds, Metallurgical Transactions A, 10A (1979) 895-907.

Comme pour la martensite, la déformation inplique un mécanisme de transformation displacif. La minimisation de l'énergie de déformation explique la forme adoptée par les plaquettes de bainite. La structure cristalline de la bainite étant obtenue par un mouvement coordonné d'atomes, il doit exister une relation d'orientation entre la bainite et l'austénite. Les résultats expérimentaux montrent que cette relation est du type o&ugrave deux plans de grande densité atomique de chaque maille sont approximativement parallèles,de même pour les directions de plus grande densité dans ces plans. Ceci est à peu près décrit par une relation du type Kurdjumov-Sachs.

La bainite se forme sur des plans cristallographiques particuliers, mais l'indice du plan d'habitat présente une importante dispersion. Ceci est probablement dû au fait que la pluspart des mesures sont effectuées &agrave l'aide de la microscopie optique, auquel cas le plan d'habitat déterminé n'est pas celui d'une plaquette (sous-unité) individuelle. Il s'agit d'une valeur moyenne qui dépend du nombre, de la taille et de la distribution des plaquettes dans la lame. Tous ces facteurs varient avec la température de transformation, le temps et la composition.

Plan d'habitat irrationel de la lame de bainite et des plaques de martensite [Greninger and Troiano, Trans. AIMME, 140 (1940) 307-336]. Notez l'importance du terme lame . Les mesures sont en effet effectées au microscope optique et se rapportent &agrave la lame entière et non aux plaquettes individuelles.

Il a été souligné précédemment que la bainite supérieure se forme en deux étapes distinctes, la première étant la formation de ferrite bainitique dans laquelle le carbone a une très basse limite de solubilit&eacute (< 0.02 wt.%). La croissance de la ferrite enrichit l'austénite résiduelle en carbone. Il est possible que de la cémentite précipite dans les couches d'austénite entre les plaquettes (sous-unités). La quantité de cémentite dépend de la concentration en carbone de l'alliage. Une haute teneur en carbone conduit &agrave une microstructure dans laquelle les plaquettes de ferrite sont séparées par des couches de cémentite. Si la teneur en carbone est faible, on aura une répartition de petites particules.

Les particules de cémentite et l'austénite dont elles proviennent ont une relation d'orientation dite de "Pitsch":

De nombreux carbures sont susceptibles de précipiter depuis l'austénite, chaque particule ayant une relation d'orientation indirecte avec la ferrite, via la relation d'orientation ferrite/austénite.

Si des éléments d'alliage retardant la formation de cémentite (silicium,aluminium,..) sont ajoutés en quantit&eacute suffisante, il est possible de supprimer la formation de cémentite. On obtient alors, pour la bainite supérieure, une microstructure ne présentant que de la ferrite bainitique et de l'austénite enrichie en carbone. La microstructure pourra également contenir de la martensite si l'austénite résiduelle se transforme au refroidissement.