Traitement thermique
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Le traitement thermique d'une pièce consiste à lui faire subir des transformations de structure grâce à des cycles prédéterminés de chauffage et de refroidissement afin d'en améliorer les caractéristiques mécaniques : dureté, ductilité, limite d'élasticité, ...
Les traitements thermiques jouent également un rôle important dans le domaine de la tribologie, voir le chapitre spécialisé du Wikilivre consacré à ce sujet [1].
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La trempe
Elle permet d'augmenter la dureté d'une pièce en acier, par chauffage, puis refroidissement plus ou moins brutal dans un liquide (bain d'huile ou d'eau) ou un gaz (azote, air). Appliquée à d'autres matériaux, elle peut avoir l'effet inverse, par exemple avec certains alliages d'aluminium ou l'acier inoxydable.
Appliquée aux aciers, la trempe comporte un chauffage jusqu’au-dela de la température d’austénitisation, un maintien à cette température pendant un temps déterminé et un refroidissement à une vitesse déterminée. Dans ce procédé intervient la mise en solution de précipités qui ont, de manière générale, des dimensions trop importantes pour obtenir finalement un durcissement optimal. C’est ici que le procédé d’austénitisation joue son rôle principal. Cette température doit être choisie de manière à assurer une bonne répartition des éléments alliés, ce qui assure un durcissement homogène. C'est pour celà qu'il est important lors de la conception de pièces destinées à être trempées, de veiller à avoir une forme homogène de la pièce, afin déviter des concentrations de matière en certaines parties, qui peuvent poser problème lors du traitement thermique.
Dans le domaine austénitique le fer a une structure cubique face centrée (fer γ) qui possède des sites interstitiels plus grands que dans la structure cubique centrée (fer α), ce qui permet au carbone de se dissoudre beaucoup mieux dans le fer γ que dans le fer α. Si on le soumet maintenant à un refroidissement lent et en équilibre, il y aura précipitation du carbone et on retournera à l’état initial avant l’austénitisation, chose qui ne nous intéresse pas car on n’aura pas obtenu le durcissement souhaité. Par contre, si le refroidissement se produit à une vitesse assez rapide (gouvernée par différentes variables qu’on abordera plus tard), la précipitation est empêchée et en conséquence la matrice de fer est contrainte par les atomes de carbone. De cette façon on obtient le durcissement. Ce traitement de trempe transforme l’austénite en martensite, qui présente une dureté proportionnelle à la teneur en carbone. De même, en fonction de la teneur en carbone du matériau, d'autres éléments peuvent apparaitre, comme la bainite.
En même temps, ce durcissement provoque aussi des effets indésirables comme par exemple une augmentation de la fragilité du matériau. C’est pour cette raison que souvent, après la trempe, on applique d’autres traitements thermiques, comme le revenu (il n’entre pas dans le cadre de notre étude).
Il existe de nombreuses variables qui influencent la qualité et les propriétés mécaniques de l’acier trempé et elles sont toutes importantes à maîtriser:
- la température de trempe
- le temps de trempe
- le taux de refroidissement (« cooling rate »)
- la composition de l’acier (teneur en carbone, en éléments d’alliages et en éléments résiduels)
De plus, au cours de la trempe il apparaît certains problèmes qu’on doit éviter ou contrôler selon la qualité du produit final à obtenir. Au cours du chauffage la température n’est pas identique dans toute la pièce (plus chaude sur la peau et plus froide au cœur). Ce gradient de température provoque des déformations élastiques voir plastiques.
Pendant le refroidissement il existe aussi un gradient, mais de sens contraire. La transformation al lotropique dont nous avons parlé ci-dessus (fer fer) implique aussi une déformation. À ce moment on assiste à une contraction volumique importante. On doit prêter beaucoup d’attention à ce point parce que comme la déformation est importante, elle peut provoquer des fissures à la superficie de la peau. La résistance à la compression n’est pas la même qu’à la traction et le risque de fissuration est donc différent. C’est pour cette raison que le risque est présent particulièrement pendant le chauffage (engendre des efforts de traction à la surface), mais on doit aussi contrôler le refroidissement (engendre des contractions à la surface). C’est le liquide de trempe (entre autres) qui détermine la vitesse de refroidissement.
Un autre type de problèmes possibles lors de la réalisation d’une trempe sont les réactions avec l’atmosphère. Si on met l’acier en contact avec l’air, il peut y avoir décarburation et formation de calamine. L’acier peut être exposé à ces conditions non seulement pendant le chauffage mais aussi pendant le refroidissement (l’air libre est aussi un milieu de trempe). En connaissant les avantages et désavantages de la trempe à l’air, on peut décider s’il vaut mieux choisir un liquide de trempe qui ne présente pas ces effets et en assumer les coûts. Voici quelques arguments qui justifient l’importance que les liquides de trempe ont dans les procédés de refroidissement.
Le revenu
Le revenu se pratique après une trempe, par chauffage à une température inférieure à celle de la trempe.Il permet d'améliorer la résistance mécanique des pièces traitées en diminuant la dureté et les contraintes thermiques internes obtenues lors de la trempe. On chauffe à une température inférieure à celle d'austénitisation, puis on refroidit plus où moins rapidement. Dans certains cas (alliages à durcissement structural) le revenu permet après trempe d'augmenter les caractéristiques mécaniques.
Le recuit
Le recuit se fait après un traitement mécanique afin de rendre plus homogène le matériau et lui rendre ses propriétés antérieures. On chauffe jusqu'a austénitisation totale de la pièce, puis on laisse refroidir lentement, ce qui lui fait retrouver ses anciennes propriétés.
Courbes de refroidissement
Pour aider les métallurgistes et concepteurs à la réalisation de pièces destinées à la trempe, il existe des abaques de refroidissement, qui permettent de savoir en fonction de la teneur en carbone, du temps et du type de refroidissement (huile, eau...) de connaître les constituants métallographiques présent lors de la transformation, et une fois la pièce froide, ce qui permet de s'assurer que les caractéristiques obtenues correspondent à celles recherchées.
Cas particulier des alliages d'aluminium
La trempe dans le cas de ces alliages procure l'effet inverse, c'est à dire que cela diminue la dureté au-lieu de l'augmenter. Cela est très utile, par exemple pour le montage de rivet. De plus, lorsque qu'un alliage d'aluminum est trempé, au bout d'un certain temps, il retrouve ses caractéristique d'avant tempe. C'est pour cela qu'il est beaucoup utilisé dans la fabrication de rivet.
