La martensite est une structure métastable très dure avec une structure cristalline tétragonale centrée (BCT). La martensite se forme dans les aciers lorsque la vitesse de refroidissement à partir de l’austénite est si élevée que les atomes de carbone n’ont pas le temps de diffuser hors de la structure cristalline en quantité suffisante pour former de la cémentite (Fe3C). Il s’agit donc d’un produit de transformation sans diffusion. Toute diffusion, quelle qu’elle soit, entraîne la formation de phases de ferrite et de cémentite. Elle doit son nom au métallurgiste allemand Adolf Martens (1850-1914).

Contrairement à la décomposition isotherme des constituants de la phase par diffusion, la martensite n’est pas une phase associée à l’équilibre thermique. Ainsi, elle n’apparaît pas sur le diagramme de phase d’équilibre fer-carbone. Elle peut être considérée comme un produit de transformation qui est en concurrence avec la perlite et la bainite.

La microstructure de la martensite dans les aciers présente différentes morphologies et peut apparaître sous forme de martensite en lattes ou de martensite en plaques. Pour l’acier 0-0,6% de carbone, la martensite a l’aspect d’une latte, et est appelée martensite de latte. Pour les aciers contenant plus de 1 % de carbone, elle forme une structure en forme de plaque appelée martensite en plaques. La martensite en plaques, comme son nom l’indique, se présente sous forme de cristaux lenticulaires (en forme de lentille) avec un motif en zigzag de plaques plus petites. Entre ces deux pourcentages, l’aspect physique des grains est un mélange des deux. La résistance de la martensite est réduite à mesure que la quantité d’austénite retenue augmente.

Transformation martensitique

Le durcissement par transformation, connu également sous le nom de durcissement par transformation martensitique, est l’une des méthodes de durcissement les plus courantes, qui est principalement utilisée pour les aciers (c’est-à-dire les aciers au carbone ainsi que les aciers inoxydables). La transformation martensitique n’est toutefois pas propre aux alliages fer-carbone. On la retrouve dans d’autres systèmes et elle est caractérisée, en partie, par la transformation sans diffusion.

Les aciers martensitiques utilisent principalement des niveaux plus élevés de C et de Mn ainsi qu’un traitement thermique pour augmenter la résistance. Le produit fini aura une micro-structure duplex de ferrite avec des niveaux variables de martensite dégénérée. Cela permet d’obtenir différents niveaux de résistance. En métallurgie, la trempe est le plus souvent utilisée pour durcir l’acier en introduisant de la martensite. Il existe un équilibre entre la dureté et la ténacité dans tout acier ; plus l’acier est dur, moins il est tenace ou résistant aux impacts, et plus il est résistant aux impacts, moins il est dur.

La martensite est produite à partir de l’austénite à la suite de la trempe, ou d’une autre forme de refroidissement rapide. L’austénite dans les alliages fer-carbone n’est généralement présente qu’au-dessus de la température eutectoïde critique (723°C), et en dessous de 1500°C, selon la teneur en carbone. Dans le cas de vitesses de refroidissement normales, lorsque l’austénite refroidit, le carbone diffuse hors de l’austénite et forme un carbure de fer riche en carbone (cémentite) et laisse derrière lui une ferrite pauvre en carbone. Selon la composition de l’alliage, une superposition de ferrite et de cémentite, appelée perlite, peut se former. Mais en cas de refroidissement rapide, le carbone n’a pas le temps de diffuser et se transforme en une forme tétragonale à corps centré hautement déformée appelée martensite qui est sursaturée en carbone. Tous les atomes de carbone restent sous forme d’impuretés interstitielles dans la martensite. La vitesse de refroidissement détermine les proportions relatives de martensite, de ferrite et de cémentite, et détermine donc les propriétés mécaniques de l’acier résultant, telles que la dureté, la résistance à la traction et la ténacité également.

Martensite trempée

La capacité relative d’un alliage ferreux à former de la martensite est appelée trempabilité. La trempabilité est communément mesurée comme la distance sous une surface trempée à laquelle le métal présente une dureté spécifique de 50 HRC, par exemple, ou un pourcentage spécifique de martensite dans la microstructure. La dureté maximale d’un acier perlitique est de 43 HRC alors que la martensite peut atteindre 72 HRC. La martensite fraîche est très cassante si la teneur en carbone est supérieure à environ 0,2 à 0,3 %. Elle est si fragile qu’elle ne peut être utilisée pour la plupart des applications. Cette fragilité peut être éliminée (avec une certaine perte de dureté) si l’acier trempé est légèrement chauffé dans un processus connu sous le nom de revenu. Le revenu est réalisé en chauffant un acier martensitique à une température inférieure à l’eutectoïde pendant une période de temps spécifiée (par exemple entre 250°C et 650°C ).

Ce traitement thermique de revenu permet, par des processus de diffusion, la formation de martensite tempérée, selon la réaction :

martensite (BCT, monophasée) → martensite tempérée (phases ferrite + Fe3C)

où la martensite BCT monophasée, sursaturée en carbone, se transforme en martensite tempérée, composée des phases stables ferrite et cémentite. Sa microstructure est similaire à celle de la sphéroïdite, mais dans ce cas, la martensite tempérée contient des particules de cémentite extrêmement petites et uniformément dispersées, noyées dans une matrice de ferrite continue. La martensite trempée peut être presque aussi dure et résistante que la martensite mais avec une ductilité et une ténacité sensiblement améliorées.

Acier inoxydable martensitique

Les aciers inoxydables martensitiques sont similaires aux aciers ferritiques en étant basés sur le chrome mais ont des niveaux de carbone plus élevés jusqu’à 1%. Ils sont parfois classés comme des aciers inoxydables martensitiques à faible teneur en carbone et à forte teneur en carbone. Ils contiennent 12 à 14 % de chrome, 0,2 à 1 % de molybdène et aucune quantité significative de nickel. Des quantités plus élevées de carbone leur permettent d’être durcis et trempés comme les aciers au carbone et faiblement alliés. Ils présentent une résistance modérée à la corrosion, mais sont considérés comme durs, solides et légèrement cassants. Ils sont magnétiques et peuvent être testés de manière non destructive à l’aide de la méthode de contrôle par magnétoscopie, contrairement à l’acier inoxydable austénitique. Un acier inoxydable martensitique courant est l’AISI 440C, qui contient 16 à 18 % de chrome et 0,95 à 1,2 % de carbone. L’acier inoxydable de grade 440C est utilisé dans les applications suivantes : blocs de jauge, coutellerie, roulements à billes et courses, moules et matrices, couteaux.

Comme cela a été écrit, les aciers inoxydables martensitiques peuvent être durcis et trempés par de multiples façons de vieillissement/traitement thermique : Les mécanismes métallurgiques responsables des transformations martensitiques qui se produisent dans ces alliages inoxydables au cours de l’austénitisation et de la trempe sont essentiellement les mêmes que ceux qui sont utilisés pour durcir les aciers au carbone et les aciers alliés à plus faible teneur en alliage. Le traitement thermique comporte généralement trois étapes :

• Austenitisation, au cours de laquelle l’acier est chauffé à une température comprise entre 980 et 1050 °C selon les nuances. L’austénite est une phase cubique à faces centrées.
• La trempe. Après l’austénitisation, les aciers doivent être trempés. Les alliages inoxydables martensitiques peuvent être trempés en utilisant l’air immobile, le vide à pression positive, ou la trempe à l’huile interrompue. L’austénite se transforme en martensite, une structure cristalline tétragonale dure centrée sur le corps. La martensite est très dure et trop cassante pour la plupart des applications.
• Le revenu, c’est-à-dire le chauffage à environ 500 °C, le maintien à température, puis le refroidissement à l’air. L’augmentation de la température de revenu diminue la limite d’élasticité et la résistance à la traction ultime mais augmente l’allongement et la résistance aux chocs.

La résistance des aciers inoxydables aux effets chimiques des agents corrosifs repose sur la passivation. Pour que la passivation se produise et reste stable, l’alliage Fe-Cr doit avoir une teneur minimale en chrome d’environ 10,5% en poids, au-dessus de laquelle la passivité peut se produire et en dessous de laquelle elle est impossible. Le chrome peut être utilisé comme élément de durcissement et est fréquemment utilisé avec un élément de ténacité tel que le nickel pour produire des propriétés mécaniques supérieures.

Résistance ultime à la traction

La résistance ultime à la traction de l’acier inoxydable martensitique – Grade 440C est de 760 MPa.

Dureté

La dureté Brinell de l’acier inoxydable martensitique – Grade 440C est d’environ 270 MPa.

Autres phases courantes dans les aciers et les fers

Le traitement thermique des aciers nécessite une compréhension à la fois des phases d’équilibre et des phases métastables qui se produisent pendant le chauffage et/ou le refroidissement. Pour les aciers, les phases stables d’équilibre comprennent :

• Ferrite. La ferrite ou α-ferrite est une phase de structure cubique centrée sur le corps du fer qui existe en dessous des températures de 912°C pour de faibles concentrations de carbone dans le fer. L’α-ferrite ne peut dissoudre que jusqu’à 0,02 pour cent de carbone à 727°C. Cela est dû à la configuration du réseau ferrique qui forme une structure cristalline BCC. La phase primaire de l’acier à faible teneur en carbone ou doux et de la plupart des fontes à température ambiante est l’α-Fe ferromagnétique.
• Austénite. L’austénite, également connue sous le nom de fer en phase gamma (γ-Fe), est une phase de structure cubique à faces centrées non magnétique du fer. L’austénite dans les alliages fer-carbone n’est généralement présente qu’au-dessus de la température eutectoïde critique (723°C), et en dessous de 1500°C, selon la teneur en carbone. Toutefois, elle peut être conservée jusqu’à la température ambiante par des ajouts d’alliages tels que le nickel ou le manganèse. Le carbone joue un rôle important dans le traitement thermique, car il élargit la plage de température de stabilité de l’austénite. Une teneur plus élevée en carbone abaisse la température nécessaire pour austénitiser l’acier – de sorte que les atomes de fer se réarrangent pour former une structure de réseau fcc. L’austénite est présente dans le type le plus couramment utilisé d’acier inoxydable, qui sont très connus pour leur résistance à la corrosion.
• Graphite. L’ajout d’une petite quantité de carbone non métallique au fer échange sa grande ductilité contre une plus grande résistance.
• Cémentite. La cémentite (Fe3C) est un composé métastable, et dans certaines circonstances, on peut la faire se dissocier ou se décomposer pour former de l’α-ferrite et du graphite, selon la réaction : Fe3C → 3Fe (α) + C (graphite). La cémentite sous sa forme pure est une céramique et elle est dure et cassante, ce qui la rend apte à renforcer les aciers. Ses propriétés mécaniques sont fonction de sa microstructure, qui dépend de la façon dont elle est mélangée à la ferrite.

Les phases métastables sont :

• La perlite. En métallurgie, la perlite est une structure métallique biphasée composée de couches alternées de ferrite (87,5 % en poids) et de cémentite (12,5 % en poids) que l’on trouve dans certains aciers et fontes. Elle est nommée pour sa ressemblance avec la nacre.
• Martensite. La martensite est une structure métastable très dure avec une structure cristalline tétragonale centrée sur le corps (BCT). La martensite se forme dans les aciers lorsque la vitesse de refroidissement à partir de l’austénite est à un taux si élevé que les atomes de carbone n’ont pas le temps de diffuser hors de la structure cristalline en assez grande quantité pour former de la cémentite (Fe3C).
• Bainite. La baïnite est une microstructure en forme de plaque qui se forme dans les aciers à partir de l’austénite lorsque les vitesses de refroidissement ne sont pas assez rapides
  pour produire de la martensite mais sont encore assez rapides pour que les atomes de carbone n’aient pas le temps de diffuser pour former de la perlite. Les aciers baïnitiques sont généralement plus résistants et plus durs que les aciers perlitiques ; ils présentent néanmoins une combinaison souhaitable de résistance et de ductilité.