Les traitements thermiques des aciers
Qu’est-ce qu’un traitement thermique ?
La définition retenue par la norme NF EN 10052 pour traitement thermique est une succession d’opérations au cours desquelles un produit ferreux solide est soumis en totalité ou partiellement à des cycles thermiques pour obtenir un changement de ses propriétés et/ou de sa structure.
Quels sont les éléments d’un traitement thermique ?
Un traitement thermique consiste à jouer sur trois éléments :
- la température
- le temps
- et le milieu de séjour durant le maintien en température (neutre ou réactif)
lors de trois phases différentes :
- la montée en température
- le maintien à température
- et le refroidissement.
En général, la phase déterminante et critique est le refroidissement. La vitesse appropriée pour obtenir les caractéristiques voulues amène à choisir un milieu de refroidissement (par exemple air, eau, bain de sel, huile, gaz ou mélanges gazeux sous pression) en fonction de la dimension de la pièce à traiter et la trempabilité.
Quelles sont les caractéristiques de l’acier qui résultent de ou influencent l’effet d’un traitement thermique ?
Il faut bien sûr prendre en compte avant tout, la composition chimique, les dimensions et la géométrie de la pièce traitée.
Sans rentrer dans les détails, il faut noter qu’un acier peut présenter plusieurs types de structures cristallines liées :
- aux phases
- aux types de précipités
- à l’organisation entre ces deux éléments.
L’ensemble des traitements thermiques pour emploi final et intermédiaires jouent sur ces aspects avec notamment les transformations de phases au chauffage et au refroidissement, les mises en solution ou apparition des précipités et la diffusion d’éléments divers au chauffage.
La taille des grains et leur grossissement interviennent. Cela agit sur le résultat final de la structure et par ailleurs dépend également des conditions des traitements thermiques et éventuellement des éléments d’addition.
Quelles caractéristiques de mise en œuvre et d’emploi sont concernées ?
On recherche un compromis entre les caractéristiques suivantes :
- ductilité (capacité de déformation)
- résilience, ou ténacité (résistance au choc)
- résistance (limite d’élasticité, résistance à la traction)
- dureté
Certaines structures sont favorables à la dureté, certaines caractéristiques (taille de grains) en conjonction avec d’autres paramètres agissent sur la ductilité.
Cette approche simplifiée ne reflète pas, bien entendu, toute la complexité de la métallurgie et de sa mise en œuvre au travers des traitements que nous décrivons.
Quels sont les grands types de traitements thermiques ?
- Le recuit consiste à :
- chauffer la pièce à une température déterminée dite température de recuit (le choix de la température dépend des objectifs, elle peut aller de 450 et 1100°C)
- maintenir cette pièce à cette température pendant un temps donné
- refroidir à la vitesse adéquate afin d’obtenir après retour à la température ambiante un état structural du métal proche de l’état d’équilibre stable.
Cette définition très générale est habituellement complétée par une formulation précisant le but du traitement.
Le recuit permet notamment :
- d’éliminer ou réduire les contraintes résiduelles du métal liées à une action antérieure (déformation, soudure, etc.) ou un traitement thermique antérieur
- ou d’obtenir la formation d’une structure favorable à une action ultérieure (déformation, usinage, etc.) ou un traitement thermique ultérieur.
- La trempe (ou durcissement par trempe) consiste à :
- chauffer la pièce à une température appropriée (austénitisation ou mise en solution)
- refroidir à une vitesse adéquate la pièce en la plongeant par exemple dans de l’eau (trempe à l’eau) ou de l’huile (trempe à l’huile) ou par insufflation d’un gaz tel que l’air. On peut évoquer également les émulsions eau-polymères ainsi que certains sels (nitrates, nitrites) comme milieux de trempe.
Une trempe a pour objet de durcir le métal. Elle permet d’obtenir des aciers très durs mais dans la plupart des cas peu ductiles. Elle est donc généralement suivie d’un revenu.
Remarque : Il est possible de réaliser des trempes « locales » ne s’appliquant qu’à une partie d’une pièce.
- Le revenu consiste :
- en un ou plusieurs chauffages de la pièce à une température déterminée (inférieure à la température de début de transformation de phase de l’acier ~ 700°C)
- un maintien de la pièce à cette température pendant un temps donné
- un refroidissement approprié.
Un revenu permet d’atténuer les effets de la trempe en rendant la pièce plus ductile et plus tenace. Il peut dans des cas particuliers permettre un durcissement secondaire. L’emploi du terme revenu sous-entend que le traitement est réalisé sur un état préalablement trempé. [Un traitement à 500°C sur un acier trempé est un revenu, sur un acier non traité est un recuit]
- Le traitement de normalisation (équivalent d’un recuit à haute température suivi d’un refroidissement à l’air) est un traitement d’affinage structural permettant un adoucissement et l’élimination des contraintes apparues avec les opérations précédentes. Outre l’obtention de structures homogènes recherchées dans certaines applications mécaniques il conduit à un état reproductible idéal pour la trempe. L’état dit « normalisé » est un état de livraison des produits sidérurgiques.
- Il faut également noter qu’avec l’évolution technologique on réalise à présent des produits avec des traitements thermomécaniques à hautes températures, sans oublier les traitements thermochimiques (cémentation, nitruration…).
Pour aller plus loin
- Principes de base des traitements thermiques thermomécaniques et thermochimiques des aciers A. CONSTANT-G. HENRY-J.C. CHARBONNIER – PYC Edition
- Dossiers sur les traitements thermiques des Techniques de l’ingénieur
- Fiches techniques de l’A3TS
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