Traitements thermiques des métaux

1. Traitements thermiques des métaux Les traitements thermiques se répartissent en deux grandes catégories • Les traitements de durcissement • Les traitements d’adoucissement Ils se classent aussi selon qu’ils ont: • Pour effet de modifier en profondeur les propriétés du matériau (traitement dans la masse) • Pour effet de modifier superficiellement les propriétés du matériau sur une profondeur limitée calculable (traitements thermiques superficiels ou de surface) GLOSSAIRE

2. Structure cristalline du fer Austénitisation Fer γ Fer α T°idéale Structure cristalline cubique centrée Structure cristalline cubique à faces centrées

3. Définition: Les traitements thermiques ont pour but de modifier la structure de l’acier (au cœur ou en surface) dans l’optique d’améliorer les performances des caractéristiques mécaniques ou de retrouver ses caractères initiaux. Les Traitements Thermiques Aciers : ce sont des alliages contenant jusqu'à 2,06 % de carbone, sous forme de carbure de fer ou cémentite. Fer : le fer possède deux structures cristallines différentes. En dessous de la température d’austénitisation, le fer possède une structure cristalline cubique centrée (fer α). De 960°C à 1400°C le fer possède une structure cubique face centrée (fer γ). Ductilité : aptitude d'un corps de se laisser tirer sans se rompre. Malléabilité : aptitude du métal à se laisser réduire en feuilles minces par laminage. Cette caractéristique dépend de la plasticité. Résilience : résistance d'un métal aux chocs. Ténacité : résistance à la rupture d'un métal. Austénite : l'austénite est une solution solide de carbone dans le fer γ. Cémentite : (ou carbure de fer) la cémentite est constituée de molécules composées d'atomes de fer et d'atomes de carbone. Pour obtenir un carbure de fer, il faut 3 atomes de fer et un atome de carbone (Fe3C). Ferrite : la ferrite est une solution solide de carbone dans le fer α. Martensite : solution solide sursaturée de carbone. La martensite est un composant de trempe. VOCABULAIRE TT DE MASSE

4. Les traitements thermiques de masse - La trempe : qui durcit la pièce mais qui crée des tensions au cœur de la masse - Le revenu : qui élimine les tensions internes - Le recuit: qui permet de retrouver les caractéristiques de l’acier avant traitement Les principaux traitements thermiques de masse sont: TREMPE REVENU RECUIT

5. Les traitements thermiques de masseLA TREMPE Définition: cycle thermique que subit la pièce, consistant en un chauffage à température d’austénitisation, puis d ’un maintien à température suivi d ’un refroidissement rapide. a) chauffage pour atteindre la température d ’austénitisation. (transformation de l ’acier en Austénite par passage du Fer α au Fer γ). b) le maintien à température dissout les carbures dans l ’austénite. (le carbone de la cémentite Fe3C se sépare pour s ’incérer au centre des mailles du Fer γ, ), durée: 1min/mm d ’épaisseur de pièce. c) le refroidissement rapide (l ’eau, l ’huile ou l ’air) évite la formation de la perlite (constituant obtenu par la croissance de lamelles de cémentite alternées avec des lamelles de ferrite en cas de refroidissement lent). TEMPERATURE Le carbone reste ainsi en solution forcée dans le Fer α. Ce qui confère beaucoup de dureté à ce nouveau constituant appelé « MARTENSITE ». Les températures TEMPS LE REVENU

6. Détermination de la température d’austénitisation Cette valeur dépend directement de la proportion de carbone dans la matière. On l’obtient en lisant le Diagramme d’équilibre Fer-Carbonne. Elle est parfois spécifiée dans les caractéristiques de la matière suivant le fournisseur REVENU Exemple pour du C40 soit un acier non allié avec 0,4% de carbone Température d’austénitisation, 850°C 850 ° Cette température doit être maintenue dans toute la pièce pendant un temps minimum 1min/mm d’épaisseur de pièce

7. Les traitements thermiques de masseLE REVENU Après des étapes de mise en forme à froid, le métal contient un grand nombre de défauts cristallins ponctuels qui lui confère une résistance mécanique augmentée. En même temps la ductilité du matériau est réduite. Pour regagner cette ductilité, on utilise le revenu Le Revenu est effectué systématiquement après la trempe: cycle thermique que subit la pièce, consistant en un chauffage entre 200° et 600°, puis d ’un maintien à température suivi d ’un refroidissement lent. a) -chauffage à 200° mini pour éliminer les tensions internes dues au refroidissement brutal de la périphérie de la pièce sur le cœur dilaté. La contraction brutale de la périphérie, lors de la trempe, engendre des tensions entre le cœur et la périphérie. - chauffage entre 200° et 600° pour rechercher une valeur de caractéristique mécanique précise. b) - maintien à température pendant une heure mini pour permettre l ’élimination des tensions dans toute la masse. c) - refroidissement lent pour éviter la formation de nouvelles contraintes ou tensions internes. TEMPERATURE air Les températures LE RECUIT TEMPS

8. Quelle température choisir pour un revenu si on veux obtenir des caractéristiques mécaniques précises Une fois que la formation de martensite est complète, la structure est très dure et très cassante. Pour arriver à un état intermédiaire où la résistance est encore élevée, mais la résilience et la ductilité sont augmentées, on conduit un traitement de revenu qui selon la température engendre les changements suivants Pour connaître la température de revenu en fonction des caractéristiques désirées, il faut se référer à des abaques ou diagrammes. Il faut choisir le diagramme en fonction de la matière de la pièce. Exemple ici le diagramme de revenu pour un acier de composition 1.5 Cr Plus la résistance mécanique R diminue, plus la température de revenu est élevée. Par contre, la ductilité et la résilience augmentent avec la température. On peux donc connaître avant de faire un revenu, les caractéristiques mécaniques que la pièce aura. LE RECUIT

9. Les traitements thermiques de masseLE RECUIT L’intérêt d’effectuer un recuit est de mettre l ’acier dans une certaine structure pour permettre l ’usinage ou la mise en forme par déformation plastique ou de régénérer la structure. Le Recuit : cycle thermique que subit la pièce, consistant en un chauffage entre 700° et 1000°, puis d ’un maintien à température suivi d ’un refroidissement lent. TEMPERATURE air CARACTERISTIQUES

10. Exemple de structures observées au microscope avec un grossissement de: x 500 sur un acier C40 contenant 0,40% de Carbone. Etat Recuit : on distingue des grains sombres constitués de « PERLITE » et des grains clairs constitués de « FERRITE » Etat Trempé : on distingue des aiguilles noires sur un fond clair caractérisant la « MARTENSITE » APPLICATION

11. Application d’une trempe Exemple de Traitement Thermique pour une bride en C40 5 de longueur =120mm, et d ’épaisseur =20mm. Caractéristique demandée: Re=700 à 800Mpa 20min 850° eau Trempe Commentaires: Trempe a) chauffage à 850° pour mettre l ’acier dans le réseau cristallin cubique à face centrée correspondant au Fer g. b) maintien pendant 20 minutes à 850° pour dissoudre les carbures dans toute la masse de la pièce. Les atomes de carbone de carbure se dissocient et s ’insèrent au centre des mailles du réseau du Fer g. c) refroidissement rapide en plongeant la pièce dans un bac d ’eau. Le réseau cristallin ( Fer g ) revient en Fer a de manière quasi instantanée, tout en gardant les atomes de carbone en solution forcée dans ce Fer a. Ce nouveau constituant est appelé: MARTENSITE.

12. C40 (XC38) Caractéristiques mécaniques après trempe à l ’eau à 850° Rm MPa Re MPa A% KCU daJ/cm2 1800 36 1600 Rm 32 1400 28 1200 24 Re 1000 20 800 16 600 12 A% 400 8 KCU 200 4 0 0 200 400 600 Diagramme de revenu Application d’un revenu Caractéristique demandée: Re=700 à 800Mpa 20min 850° eau 1heure 550° air Trempe Revenu a) chauffage à 550° pour atteindre la température permettant l ’obtention des 800 à 900 Mpa. b) maintien pendant 1 h à 550° pour libérer toutes les tensions et garantir que la dureté à cœur soit la même que celle en surface. c) refroidissement lent pour éviter la formation de nouvelles contraintes.