Applications

5-1. Traitements thermiques dans la masse

5-1.1. Trempe étagée

5-1.2. Recuit

5-1.3. Par le froid

5-1.4. Durcissement par précipitation

5-2. Traitements thermomécaniques

5-3. Traitements superficiels

Traitements thermiques

5-1.1. Trempe étagée

Choix du milieu de trempe dépend de la masse de la pièce à traiter et de la position de la courbe TTTAttention aux vitesses trop rapides qui conduisent à de forts gradients thermiques (tapures)

Bain de sel (T un peu supérieure à MS) afin d’homogénéiser les températures.Refroidissement air

Traitement particulier

Martenpering Austempering

Sans passer par ledomaine bainitique

Transformation partielledans le domaine

bainitique

Trempe étagée martensitique Trempe étagée mixte

Trempe étagée bainitique Trempe étagée perlitiqueBainite inférieure. Propriétés comparables à lamartensite revenue (une opération de moins)

Transformationbainitique achevée

Traitements thermiques dans la masse

Trempe étagée

5-1.2. Recuit

Ensemble de traitements variés dont le but est de conduire à des états proches de l’équilibretant au point de vue métallurgique que mécanique

Microstructure homogène Amélioration de la ductilité et de l’usinabilité Réduction des contraintes résiduelles

Maintiens en température relativement longs et vitesses de refroidissement faibles, conduisant àdes microstructures à base de ferrite et cémentite (ou carbures)

Traitements thermiques dans la masse

Recuit

Cycle thermique Chauffage jusqu’à la température de traitement Maintien isotherme ou oscillations autour Refroidissement à l’air calme ou au four coupé

Température au dessus de Ac1 Recuit d’homogénéisation

Elimination des hétérogénéités chimiques dues à laségrégation mineure (après la coulée, avant laminageà chaud ou forgeage)

Maintien de métal dans le domaine austénitiqueDiffusion d’autant plus grande que la température estélevée

Risque de surchauffe provoquant le grossissementdes grainsRisque de fusion partielle conduisant à l’altérationdes joints de grain

Traitement de normalisation

Structures ferrito-perlitiques avec des grains ferritiquesfins (germination de nouveaux grains γ dans l’intervalleAc1-Ac3 ou Ac1-Acm) et de faibles espacementsinterlamellaire (perlite - refroidissement lent)

Vitesse de refroidissement plus rapide (air calme) que lerecuit complet

Microstructure très homogène à bonne résistancemécaniqueBon état initial pour le une austénitisation avant trempe

HOMOGENEISATION

NORMALISATION

Recuit de régénération

Recuit complet (ou recuit)

Permet d’éviter la fragilité liée à la présencede carbures en réseau intergranulaire

Austénitisation complète pour les aciershypo (température de maintien vers Ac3+50°C)Austénitisation partielle pour les aciers hyper(Ac1+ 50°C) : globulisation partielle de lacémentite proeutectoïde

Ferrite et perlite grossières : résistance etdureté faibles mais ductilité élevée

Permet l’affinement du grain des pièces forgées à hautetempérature, des pièces moulées, des zones voisines des jointssoudés, des pièces ayant subi un traitement d’homogénéisationou une austénitisation trop élevée

Chauffage sans maintien prolongé à une température légèrementsupérieure à Ac3 (hypo) ou Ac1 (hyper)Refroidissement pas trop lent aux alentours de 750-600°C car legrain de ferrite peut regrossir (acier avec faible %C)

Traitements thermiques dans la masse

Recuit

RECUITCOMPLET

Recuit de globulisation Température en dessous de Ac1

Permet l’augmentation de la capacité dedéformation (tréfilage des aciers perlitiques)

Chauffage juste en dessous de Ac1Maintien prolongé à cette température (ouoscillation)Refroidissement lent de manière à obtenir unecoalesence poussée de la cémentite

Processus deglobulisation de lacémentite à partird’une perlitelamellaire

Peut être obtenu parun revenu prolongéen dessous de Ac1d’une structureinitialementmartensitique (plusfacile)

Traitements thermiques dans la masse

Recuit

GLOBULISATION

Etat initial (perlite)

Etat intermédiaire

(globulisation)

Fin du recuit(état globulisé)

RecristallisationStructure écrouie est remplacée par une nouvellestructure à grains reformés

Traitement à une température de recristallisation(fonction du taux d’écrouissage) conduisant à lagermination et croissance jusqu’à contact mutuel denouveaux grains

RestaurationRestaurer en partie les propriétés physiques etmécaniques, sans modification apparente de lastructure

Annihilation partielle des lacunes et dislocations

Réarrangement en parois de certaines dislocations(polygonisation)

Traitements thermiques dans la masse

Recuit

Recuit de restauration et recristallisation

Le travail à froid d’un métal par déformation (laminage, filage) conduit à une structure écrouie,caractérisée par une forte déformation orientée des grains, associée à de très fortes densités dedéfauts (lacunes et dislocations). De plus, un métal écroui devient fragile

Pour un acier à 0.3%C et un taux d’écrouissage de 70%, Rm peut passer de 600 à 1000 MPa alorsque A passe de 30 à 2%

Début de recristallisation

Structure finale recristallisée

Recuit de détente

Réduction ou élimination des contraintes résiduelles dues :

à des refroidissements rapides de grosses pièces,

à la trempe,

à des opérations de soudage,

à des opérations d’usinage,

à des opérations de travail à froid

Traitement à une température inférieure à celle de la recristallisationVitesses de chauffage et de refroidissement faibles pour ne pas introduire de nouvellescontraintes

Contrairement à la recristallisation, pas de modification des propriétés mécaniques (maintiende la dureté liée à un écrouissage initial)

Traitements thermiques dans la masse

Recuit

HOMOGENEISATION

REGENERATION

RECRISTALLISATION

DETENTE

RECUIT COMPLET

Le recuit : résumé

Recuit d’homogénéisation : réduit ouélimine l’hétérogénéité chimique

Recuit de normalisation : état initial idéalavant austénitisation et trempe

Recuit complet : en vue de faciliterl'usinage ou la déformation à froid

Recuit de régénération : affine le grain

Recuit de recristallisation : sur produitsécrouis

Recuit de détente : fait disparaître lescontraintes résiduelles

Ensemble de traitements variés dont le but est de conduire à des états proches de l’équilibre tant aupoint de vue métallurgique que mécanique.Maintiens en température relativement longs et vitesses de refroidissement faibles, conduisant àdes microstructures à base de ferrite et cémentite (ou carbures)

Traitements thermiques dans la masse

Recuit

Traitements thermiques dans la masse

Froid

5-1.3. Traitements par le froid

Austénite résiduelle

MF<Tambiante

Diagramme TRCVariation de fA avec la vitesse derefroidissementMaximum atteint pour la vitessecritique de trempe

Courbes dilatométriquesTransformation de l’austénite partrempe jusqu’à -196°C

Faitsexpérimentaux

60NiCrMo11

Complément au traitement des aciers à haute résistanceCompléments aux aciers cémentés ou carbonitrurés (transformation martensitique des couchesenrichies en carbone et azote)Compléments aux aciers à outilsAmélioration de la stabilité dimensionnelle des pièces de précision

Applications

Acier à outils0.8%C, 4%Cr, 8%Mo, 1.5%W, 1%V

Augmentation sensible de la dureté, de la résistance et surtout dela limite d’élasticité avec la proportion d’austénite transformée

Essais isothermes Transformationmaximale pour un maintien entre -50 et -100°C

Essais anisothermesRefroidissement rapide limitel’amplitude de la transformationCompensation par un réchauffage lent

Traitements thermiques dans la masse

Froid

Traitements par le froid

5-1.4. Traitement de durcissement par précipitation

Aciers inoxydables ferritiques (et ferrito-martensitiques)

Précipitation de β’

‘Désursaturation’

Composé intermétallique (liaison partiellement métallique et covalente),moins conducteurs mais plus durs

Structure cristalline voisine de la ferriteGermination facile de ce composé dans laferriteDispersion initiale des précipitésPropriétés mécaniques dépendent de leurforme, répartition, taille et structure

Acier inoxydable ferritique2%Ni, 19%Cr, 2%Al

Perte de dureté : coalescencedes précipités

Précipitation dans la ferrite

MET

Traitements thermiques dans la masse

Précipitation

Principe1/ Remise en solution des éléments d’addition2/ Obtention de solutions solides sursaturées métastables, au cours du refroidissement3/ Traitement ultérieur de ‘désursaturation’

Aciers inoxydables austénitiques

Acier inoxydable austénitique0.02%C, 25.9%Ni, 14.5%Cr, 1.17%Mo, 2.09%Ti

ExempleAciers à bonne résistance à chaudMise en solution complète des différentes phases parmaintien de 4 heures à 1000°C puis trempe à l’eau

Dureté maximale augmente avec la durée du maintienDécomposition de la solution solide sursaturée en troisétapes :- pré-précipitation de petits domaines enrichis enatomes de soluté- précipitation de γ ’ et Ni3Ti- coalescence des précipités, ‘survieillissement’

Traitements thermiques dans la masse

Précipitation

(& Ni3Ti)

Principal représentant des aciers à hautes caractéristiques mécaniquesDurcissement par précipitation dans la matrice martensitique18%Ni, 8-10%Co, 3-5%Mo, 0,2-1,5%Ti, 0,1%Al et teneurs en C (0,03%) et S les plus faibles possibles

Traitement thermique en deux étapes :- mise en solution complète des différentes phases à 820°C puis trempe à l’eau; le refroidissementconduit à une martensite de structure cubique centrée (faible teneur en carbone) ayant une faibledureté et forte ductilité- traitement de durcissement entre 450 et 520°C

Deux types de précipitation- à basse température, petiteszones riches en Mo- à température plus élevée,composé intermétallique (Fe, Ni,Co) Mo

Durcissement accéléré avec latempératureDureté maximale diminue avec latempérature du revenu

2 heures à 500°C

Traitements thermiques dans la masse

Précipitation

Aciers Maraging (Martensite Aging)

Alliages d’aluminiumExemple avec l’alliage Aluminium-Cuivre (4%)

Traitement thermique en deux étapes :- mise en solution à 530°C. Cuivre totalement dissous- refroidissement rapide à température ambiante par trempe (eau ou huile). A températureambiante : solution solide fortement sursaturée- Revenu : maintien pendant 100 heures à 150°C (vieillissement). Transformation de la solutionsolide sursaturée en un mélange α + Al2Cu (θ) . Structure fine. Durcissement de l’alliage. (Sitraitement à l’ambiante : maturation)

θθ

α

α

α

L+α

Refroidissementlent (typique)

Refroidissementrapide (idéal)

= Al2Cu

Précipitation

Traitements thermiques dans la masse

Alliages d’aluminiumExemple avec l’alliage Aluminium-Cuivre (4%)

Revenu : solution solide se décompose en plusieurs étapes.a) Zone GP (Guinier-Preston) : rassemblements d’atomes

de cuivre // plans {100} de la matrice. Précipitationcohérente

b) Phase θ’’ : plaquettes très fines (2 à 50 nm), cohérentes.Atomes de Cu et Al ordonnés

c) Phase θ’ : composé tétragonal. Semi-cohérent avec lamatrice.

d) Phase θ : composé d’équilibre Al2Cu. Incohérent

Revenu < 200°C : décomposition qui s’arrête à θ’’ ou θ’Revenu > 200°C : obtention directe de θ’Revenu = T° ambiante (maturation) : zones GP

a) b) c) d)

Précipitation

Durcissement passe par un maximum : taille etrépartition optimale des précipités (au delà,

coalescence ou formation de θ)

Traitements thermiques dans la masse

5-2. Traitements thermomécaniques à haute température

Déformation plastique de l’austénite chauffée à950°C, dans la zone de stabilitéTrempe de cette austénite déforméeCaractéristiques de traction et ténacitéaméliorées

Domaine des aciers de construction soudables(ferrite et perlite)

TTMHT permet d’obtenir un bon compromis entre lespropriétés mécaniques et la soudabilité

déformationinfluence fortementles transformations

favorise laformation de ferriteà grains fins

Comparaison desconditions detransformation aprèsécrouissage (30% encompression - orange)ou non

Acier 18Mn5

Ausforming

Traitements thermomécaniques

Domaine des aciers à hautes caractéristiqueset aciers à outils pour travail à chaud

TTMHT

Laminage à chaud

Chauffage entre 1100 et 1250°C (état austénitique à grosgrains) Courbes contrainte-déformation à unetempérature donnéeEvolutions métallurgiques pendant l’essai (trempessuccessives)Mise au point de schémas de laminage contrôlé

Mécanismes

Grainsausténitiquespolygonaux

EcrouissageAplatissement etallongement

Stabilisation àgrains équiaxes

Recristallisationaux joints degrains

Traiements thermomécaniques

TTMHT

ApplicationsLaminage des tôles fortesAciers au carbone Poutrelles, ronds à béton (revenu à lasurface et structure ferrite perlite à grain fin à cœur)Aciers alliés Produits plats (inox austénitique : σe de 300 à700 MPa), longs (barres pour forage pétrolier), barresprétraitées

5-3. Traitements superficiels

Contraintes appliquées enflexion

Gradient de contraintesrésiduelles

Pourquoi

Dureté superficielleTout en maintenant ductilité et résilience suffisante en volumeAugmentation de la résistance à l’usureContraintes résiduelles de compressionAugmentation de la résistance à la fatigue et à la corrosionintergranulaire

+

Transformation et diffusion(modification ou pas de lacomposition chimique)

Comment

But

Industrie mécanique : surface des organes desmachines qui subit les sollicitations les plus sévèresIntérêt économique à ne traiter qu’une partie de la pièce

Traitements superficiels

XC42

Transformation structuraleObtention d’une structure martensitique dans une couchesuperficielle de quelques mmAusténitisation rapide localisée (transfert thermique)d’une zone superficielleRefroidissement énergique (convection ou trempe)

• Austénite

• Martensite

Durcissement par trempe

Fe C

γ

α+γ

αα +

Fe3C

γ +Fe3C

0.42%

T•

MartensiteDureté élevéeΔV>0Contraintes decompression

Traitements superficiels

t

T

Ms

AC3

AC1

M+A

A

A+F+C

A+F

Mf •

Chauffage

par induction

au chalumeau

Laser

torche plasma

Diffusion dans γ• Enrichissement encarbone dans une couchesuperficielle (900-950°C)avec maintien de plusieursheures• Mise en contact avec unmilieu carburant• Diffusion suivie par unetrempe

XC10

Carbone

Cémentation

Fe C

γ

α+γ

αα + Fe3C

γ +Fe3C

0.10%

T•

T

t

Ms

AC3

AC1

M+A

A

A+F+C

A+F

•

• Austénite

• Martensite + γ résiduelle

Réaction chimique2CO ⇔ CO2 + C(γ) CH4 ⇔ 2H2 + C(γ)

Traitements superficiels

Teneur en carbone < 0.2%C10, C12 : aciers doux de cémentation facile résistant à l’usure (axes, engrenages, pignons)16NiCrMo13, 20MoCr5 : aciers alliés de trempabilité moyenne et élevée ayant une bonne résistance auchoc et limite d’endurance (pignonnerie aéronautique, gros roulements)

Aciers de cémentation

Diffusion dans αDiffusion d’azote sans traitementthermiqueNitruration gazeuse : NH3 ⇔ 3H + N(α)

Nitruration

z

σR-600 MPa

ε et γ ’ Couche decombinaison

5 à 50 µm

Nitroferrite et précipités CrN, AlNΔV>0

Couche dediffusion

0.2 à 1 mm

Métal de base

Profondeurconventionnelle

de nitruration

Exemple30CrMoV12 trempé et revenuDureté obtenue 1000HV

AvantagesAucun traitement thermiqueStabilité thermique de la coucheStabilité du champ de compressionInconvénientsDurée du traitement (10 à 100 heures)

Fe2-3N ( HC)Fe4N ( CFC)

Traitements superficiels

z

HVHV0

HV0+100