SAID BENSAADA

TRAITEMENTS THERMIQUES, CLASSIFICATION ET DESIGNATION DES ACIERS ET FONTES

1

SOMMAIRE

1. TRAITEMENTS THERMIQUES DES ACIERS..............4

1 .1. Dfinitions et procds des traitements thermiques.4 1.2. Transformations isothermes..11 1.3. Variation de la grosseur du grain d'austnite en fonction de la temprature17 1.4. Gammes des traitements thermiques de l'acier.22 1.5. Dfauts des traitements thermiques de l'acier...77 1.6. Traitements thermochimiques de l'acier...78 1.7. Principaux types de traitements thermochimiques de l'acier83 1.8. Durcissement superficiel par crouissage....992. CLASSIFICATION DES ACIERS ET DES FONTES..103

2.1. Classification des aciers..103 2.2. Aciers outils.126 2.3. Aciers et alliages spciaux.137 2.4. Classification des fontes.1413. DESIGNATION NORMALISEE DES ACIERS ET DES FONTES..155

3.1. Dsignation des aciers155 3.2. Dsignation normalise des fontes ...164

2

PREFACELes traitements thermiques sont constitus par un certain nombre d'oprations combines de chauffage et de refroidissement ayant pour but : a. D'amliorer les caractristiques des matriaux et rendre ceux-ci plus favorables un emploi donn, partir des modifications suivantes : Augmentation de la rsistance la rupture et de la limit lastique Rem, Re, A % en donnant une meilleure tenue de l'lment. Augmentation de la duret, permettant des pices de mieux rsister l'usure ou aux chocs. b. De rgnrer un mtal qui prsente un grain grossier (affiner les grains, homogniser la structure) cas des matriaux ayant subit le forgeage. c. De supprimer les tensions internes (crouissage) des matriaux avant subit une dformation plastique froid (emboutissage, fluotournage). Cet ouvrage traite les fondements technologiques des traitements thermiques des aciers ainsi que leurs classifications, leurs dsignations et leurs utilisations. Il expose en dtail les aspects purement mtallurgiques des traitements thermiques. Ltudiant aura simprgner de lensemble des techniques et modes des traitements thermiques ainsi que les transformations structurales et modification des caractristiques qui les accompagnent.

Lauteur.

3

1. TRAITEMENTS THERMIQUES DES ACIERSLes traitements thermiques sont constitus par un certain nombre d'oprations combines de chauffage et de refroidissement ayant pour but : d. D'amliorer les caractristiques des matriaux et rendre ceux-ci plus favorables un emploi donn, partir des modifications suivantes : Augmentation de la rsistance la rupture et de la limit lastique Rem, Re, A % en donnant une meilleure tenue de l'lment. Augmentation de la duret, permettant des pices de mieux rsister l'usure ou aux chocs. e. De rgnrer un mtal qui prsente un grain grossier (affiner les grains, homogniser la structure) cas des matriaux ayant subit le forgeage. f. De supprimer les tensions internes (crouissage) des matriaux avant subit une dformation plastique froid (emboutissage, fluotournage). En dehors du recuit de recristallisation qui permet de supprimer l'crouissage, les traitements thermiques ne s'appliquent pas aux mtaux purs, mais seulement quelques alliages pour lesquels on recherche principalement une augmentation de la limite lastique et une diminution de la fragilit. Les traitements thermiques sont appliqus surtout aux aciers XC et aciers allis ZR alliages non ferreux. En gnral les traitements thermiques ne changent pas la composition chimique de l'alliage. 1 .1. Dfinitions et procds des traitements thermiques Effectuer un traitement thermique sur une pice, c'est faire subir celle-ci une variation de la temprature en fonction du temps. Le procd de traitement thermique se compose de (fig. 1).

4

Fig.1

-

AB : L'chauffement des tempratures suprieures aux tempratures de transformation (par exemple : AC3).

-

BC : Maintient une temprature dfinie. CD : Refroidissement avec une vitesse donne : - lente (dans le four, l'air). - Assez rapide (dans l'huile). - Trs rapide (dans l'eau).

1.1.1. Chauffage des pices La premire tape de chaque traitement thermique est le chauffage de la pice la temprature exige. Le chauffage doit s'effectuer trs rapidement pour avoir un faible consommation d'nergie et une grande productivit. Il existe deux possibilits pour le chauffage des pices. a. Par transmission de la chaleur : On distingue trois possibilits :

5

- Par conductibilit : La pice est chauffe dans un four ordinaire o elle est en contact qu'avec le sol du four, elle ne reoit par conductibilit qu'une petite quantit de la chaleur dpense. - Par convection : Dans ce cas, la pice est chauffe par contact avec un fluide chaud (gaz ou liquide) qui se dplace et lche la pice en lui cdant une grande partie de la chaleur dpense. - Par rayonnement : La chaleur absorbe par les parois et la vote du four est rayonne vers la pice qui l'absorbe. C'est le cas o l'apport de chaleur est le plus important. Dans la plupart des cas, le chauffage des pices, est effectu simultanment par convection et rayonnement.

b. Par production de la chaleur dans la pice : C'est une possibilit de chauffer la pice en crant dans cette dernire un flux de courant, soit par l'utilisation de la pice comme conducteur dans un circuit lectrique (chauffage par rsistance) ou l'emplacement de la pice dans un champ variable (chauffage par induction) comme le montre les figures 2.

6

Fig.2

Cette mthode est utilise surtout pour les pices sections petites et uniformes. On peut obtenir des vitesses de chauffage trs leves. Par exemple pour une pice de section 150 mm, la dure de chauffage pour atteindre T = 1200C est de : 20 mn pour le chauffage par induction. 8 mn pour le chauffage par rsistance. 2 3 heures pour le chauffage dans un four.

Cette mthode est rentable seulement pour des sections infrieures 150 mm. Les difficults qui peuvent se prsenter lors d'un chauffage rapide sont les fissures et tirages des pices la suite de la diffrence de dilatation de la couche extrieure et du cur de la pice o se crent des contraintes pouvant provoquer des fissures pour des tempratures basses et des dformations plastiques pour des tempratures leves. Quelque soit le procd de chauffage utilis, il existe toujours une diffrence de temprature dans les diffrentes parties de la pice. Rpartition de la chaleur non uniforme.

7

La figure 3 reprsente la courbe de chauffage pour le contour de la pice et le cur de la pice, la courbe est simplifie comme une droite. Durant le chauffage, on distingue trois tapes :

Fig.3

a. Dure de prchauffage : C"est le temps de dbut de chauffage jusqu' ce que la temprature nominale est atteinte la surface de la pice. b. Dure de chauffage de pntration ou d'galisation : C'est le temps ncessaire pour atteindre la temprature nominale la surface et au cur de la pice. c. Dure de maintien : C'est le temps ncessaire pour maintenir la pice une temprature, et partir de la temprature atteinte dans le cur. Les facteurs principaux, qui influent sur le chauffage de la pice sont le diamtre (paisseur), conductibilit, temprature du four, etc. En gnral le rgime de chauffage pour les aciers est dtermin selon le diamtre de la pice et les caractristiques qui sont dfinis

8

par le carbone quivalent.

Pour des teneurs maximales jusqu' : 0,9 % C, 1,1 % Mn, 1,8 % Cr, 0,5% Mo, 5,0 % Ni, 0,25% V, 1,8% Si, 2% W, 0,4 %Ti, 2% Al, et selon RUHFUS et PLFAUME, il est possible de dterminer la dure de chauffage de la pice en dpendance de son diamtre et du carbone quivalent (Ceq). Les paliers reprsents sur les courbes (fig. 4) ont pour but de diminuer la diffrence de temprature entre le cur et la couche extrieure de la pice (galisation de la temprature). Ces courbes sont valables pour des chauffages de trempe et de recuit de normalisation.

Temps de chauffage en min, recommands pour revenu normal et trempe en dpendance de Ceq pour une pice de diamtre 60 mm. Fig4

9

Pour les diffrents chauffages, on peut choisir les vitesses suivantes : Chauffage lent : 3 10C/min. Chauffage technique conventionnel (normal) : 50C/s. Chauffage rapide : > 50C/s.

1.1.2. Conditions de chauffage des pices en traitements thermiques L'appareil de chauffage doit permettre : - D'atteindre et de maintenir toutes les parties de la pice une temprature dtermine et avec une prcision de l'ordre de plus ou moins 5C. - D'viter une dnaturation du mtal et principalement une dcarburation dans le cas des aciers. - De prsenter des possibilits de prchauffage lorsque la temprature atteindre est leve. En gnral seul le chauffage dans une enceinte ferme possdant une rgulation automatique de temprature est susceptible doffrir la solution cherche 1.1.3. Types de fours et leurs atmosphres a. Fours sole : Dans les fours sole, le chauffage se fait surtout par rayonnement et ils prsentent une chambre dans laquelle on met la pice chauffer. Dans certains cas une deuxime chambre situe au dessus de la premire et rcuprant une partie de la chaleur forme, sert comme chambre de prchauffage. b. Fours bain de sels : Ils prsentent les avantages suivants : - rapidit de chauffage : car la pice est en contact sur toutes ses faces avec le sel liquide en mouvement permanent. - Uniformit de chauffage : les carts de temprature entre les diffrents points du bain sont trs faibles, la pice s'chauffe rgulirement, ce qui diminue l'importance de dformation.

10

- Absence de dnaturation du mtal : le bain qui peut tre choisi neutre, oxydant ou rducteur, protge la pice de tout contact avec l'oxygne de l'air c. Fours lectriques : Les fours lectriques peuvent tre sole ou bain de sel. Ils sont chauffs le plus souvent par rsistances mtalliques en nickel-chrome pour des tempratures ne dpassant pas 1000C et en silicium pour des tempratures de 1300C. Les fours lectriques bain de sel haute temprature sont lectrodes, le sel fondu formant rsistance entre celles-ci. d. Atmosphres : Lorsque les pices sont chauffes jusqu'aux hautes tempratures dans ces fours flammes ou dans les fours lectriques, les gaz entrent en raction avec la surface du mtal, ce qui entrane l'oxydation ou la dcarburation des couches superficielles des pices. - L'oxydation rsulte de l'interaction du mtal avec l'oxygne ou la vapeur d'eau se trouvant dans le milieu du four. En gnral, le dioxyde de carbone CO2 ragit avec le fer en l'oxydant. 2 Fe + O2 2 FeO Fe + H2O FeO + H2 Fe + CO2 FeO + CO L'oxydation produit une perte de mtal et dgrade l'tat des couches superficielles. Au dbut du chauffage, ces ractions se produisent la surface aprs formation d'une pellicule d'oxyde. Ce phnomne se propage par diffusion des atomes d'oxygne dans les joints de grains travers la calamine et, rciproquement, par diffusion inverse, le fer passe vers la surface. - La dcarburation se produit, en mme temps, aux tempratures leves par interaction des atomes de carbone de l'acier avec l'hydrogne suivant les ractions : C + 2 H2 Fe + CH4 C + 1/2 O2 Fe + CO

11

L'intensit d'oxydation et de dcarburation de l'acier dpendent de la temprature, de la composition chimique et du milieu environnant. Pour assurer une atmosphre neutre, on doit satisfaire l'quilibre : Oxydation rduction Dcarburation carburation Pour prserver les pices de l'oxydation et de la dcarburaition, on introduit dans l'espace utile du four des gaz chimiquement neutres vis--vis du mtal qu'on appelle atmosphres contrles, on a plusieurs genres : Atmosphre endothermique : obtenue par combustion partielle du gaz naturel et compose de (21 % CO +40 % H2O + 2 % CH4 + 37 % N2). Atmosphre exothermique : obtenue par combustion partielle de CH4, et compose de (2 % CO2 + 2 % H2 + 96 % N2). Azote technique : compos de ((2 4) % H2 + 96 % N2). Chauffage sous vide (de 10-2 10-6) mm Hg rserv souvent aux alliages spciaux (rfractaires, inoxydables, lectrotechniques). Chauffage dans des bains de sels : rservs aux outils de coupe et aux petits lments de machine. 1.1.4. Refroidissement des pices Le point important pour la dtermination du rgime de refroidissement de la pice est celui de l'tat de structure souhaite obtenir. Bien sre, on cherche toujours refroidir rapidement pour avoir une productivit leve, mais on doit prendre en considration les dangers de fissuration et d'tirage des pices. La vitesse de refroidissement ncessaire l'obtention d'un tat de structure est dtermine selon le diagramme TTT (Temprature, Transformation, Temps). Le refroidissement s'effectue dans des bacs utilisant l'eau ou l'huile, dans les deux cas, le bain est maintenu temprature constante. L'eau chaude se trouvant constamment remplace par de l'eau froide arrivant par le bas du bac.

12

On utilise aussi les jets permettant de rgler le refroidissement des pices sur toute leur surface, et enfin des chambres spciales avec production du brouillard obtenu par jet d'eau et d'air sous pression, surtout utilis en aviation pour le traitement de certaines pices en aluminium. 1.2. Transformations isothermes Le diagramme d'quilibre dj envisag au chapitre prcdent, indique la constitution normale de l'acier, constitution d'quilibre, pour les diffrentes tempratures.L'exprience prouve que cette constitution n'est acquise que si la temprature varie assez lentement pour donner aux transformations le temps de s'effectuer. Dans le cas contraire, non seulement les transformations pourront ne pas avoir lieu du tout ou au contraire se faire incompltement. On obtient dans ces deux cas de nouveaux constituants que le diagramme d'quilibre ne peut indiquer, ils correspondent des tats hors d'quilibre ou tats tremps.Si un acier structure austnitique est obtenu par chauffage une temprature suprieure AC3, est surfusionn une temprature infrieure A1, l'austnite acquiert un tat mtastable et subit des transformations. Pour dcrire l'allure cintique des transformations, on utilise le diagramme TTT (fig.5).

Fig.5

13

La transformation isotherme de l'austnite (acier C100, austnitisation la temprature de 900C, pour une dure de 5 min). Temprature C 700 600 500 400 300 200 100 20 Transformation Dbut 4,2 min 1s 1s 4s 1 min 15 min Fin 22 min 10 s 10 s 2 min 30 min 15 h Structure obtenue Perlite Perlite Perlite Bainite + perlite Bainite Bainite Martensite Martensite Dure de la Structure finale 15 40 44 43 53 60 64 60

Le diagramme de transformation isotherme (Temps, Temprature, Transformation), dont les abscisses indiquent le temps et les ordonnes la temprature, la courbe de gauche montre le dbut de la transformation de l'austnite en mlange mcanique et la courbe de droite montre la fin de la transformation de l'austnite. Le domaine situ gauche de la courbe gauche dtermine la dure d'incubation dans l'intervalle de temprature et de temps dtermins, pendant lesquels la transformation ne se produit pas, (l'austnite est l'tat surfusionn et ne se dcompose pas). Cest la priode d'incubation qui caractrise la stabilit de l'austnite surfusionne. Quand l'acier est surfusionn un petit degr, le nombre de germes est petit et le temps d'incubation est grand. Au fur et mesure de l'augmentation du degr de surfusion, le nombre de germes augmentent et le temps d'incubation diminue. L'abaissement de la temprature provoque une diminution de la vitesse de diffusion et la stabilit de l'austnite augmente au dessous de 555C, la limite suprieure du diagramme TTT est donne par le point A1 aux environs de 720C et la limite infrieure par le point de martensite MS = l80C. A droite de la courbe de droite sont donnes les diffrentes

14

structures obtenir et entre les deux courbes (partie hachure) la transformation de l'austnite est saisie. La ligne qui reprsente la prcipitation de la cmentite secondaire sur le diagramme TTT existe seulement pour les aciers hypereutectodes. Pour un acier hypoeutectode, elle n'existe pas, mais il possde une ligne correspondant la prcipitation de la ferrite preuteutode, suivant le degr de surfusion de l'austnite. Dans le diagramme TTT existe trois domaines de tempratures ou zones de transformation : Domaine perlitique (au dessus de 550C). Domaine bainitique (intermdiaire) entre 550 et 200C. Domaine martensitique au dessous de 200C.

Un acier port une temprature suprieure A3 devient austnitique et par refroidissement une vitesse suffisante, on obtient de la martensite qui correspond au maximum de duret. Si le bain de refroidissement est une temprature suprieure Ar" tout en conservant un pouvoir refroidisseur suffisant, on aura l'austnite mais pas de martensite. Si la temprature maintenue constante est proche de Ar" tout en lui tant suprieure, l'austnite, au bout d'un temps qui peut varier de quelques heures quelques jours se transforme en un constituant nouveau appel bainite, qui semble correspondre une disposition particulire de ferrite et de cmentite, ce constituant confre au mtal une duret presque aussi leve que celle de la martensite et une tnacit plus grande. Enfin si cette temprature est maintenue pendant un temps assez court (quelques minutes), l'austnite donne au refroidissement de la martensite, mais en raison de lhomognisation temprature ralise pendant l'arrt momentan du refroidissement, les risques de tapures sont carts et les refroidissements sont rduits.

15

1.2.1. Transformation perlitique Pour des tempratures de transformation entre 720C et 450C (phase perlitique), dbute la transformation par la formation des premiers germes de cmentite sur les joints des cristaux de l'austnite, ces germes se dveloppent l'intrieur des cristaux et le voisinage des cristaux de cmentite s'appauvrit en carbone et se fustige en ferrite . La solubilit du carbone dans la ferrite est trs faible, ce qui conduit la prcipitation du carbone se trouvant dans la ferrite dans le domaine de l'austnite voisin et ce qui donne la formation de la perlite (Fe + cmentite). La figure 6 donne les diffrentes tapes de la formation de la perlite (transformation austnite en perlite).

Fig.6

La transformation perlite a le caractre de diffusion, premire tape, elle est caractrise par l'apparition des germes de cmentite sur les joints des grains de laustnite. La deuxime tape montre le dveloppement des germes de la cmentite tout en provoquant l'appauvrissement des places voisines en carbone et en se transformant en ferrite et enfin la troisime tape c'est la formation de la perlite. Une petite surfusion donne un petit nombre de germes de cmentite avec des lamelles paisses, mais quand la vitesse est assez considrable, c'est dire le degr de surfusion est lev, dans ce cas le nombre de grains est plus grand et les lamelles de la perlite sont plus fines c'est dire on a le constituant Sorbite ou Troostite.

16

La perlite, la sorbite et la troostite se distinguent l'une de l'autre par l'paisseur des lamelles. Dans la perlite, leur duret est aussi diffrente : Perlite : HB 200. Sorbite : HB 300. Troostite : HB 400.

La sorbite et la troostite sont des perlites trs fines obtenues par vitesses de refroidissement assez importantes. La distance entre les lamelles est dtermine par la vitesse de diffusion du carbone dans l'austnite. Cette distance diminue avec l'augmentation de la temprature, ce qui conduit l'obtention de lamelles paisses (faible duret).

1.2.2. Transformation intermdiaire (bainitique)

Comme pour la transformation perlitique, l'austnite se dcompose en deux phases par diffusion, mais cette diffusion ne se produit pas jusqu' la fin et la phase de la ferrite, dans ce cas, elle reprsente une solution solide de carbone dans le fer , mais elle est sursature lors de la transformation bainitique. On peut arriver au fait qu'il reste une quantit de l'austnite rsiduelle, qui peut se transformer en martensite lors d'un refroidissement ultrieur. Pour des surfusion trs leves, entre 400C et le point Ms (transformation bainitique) se forme la bainite partir de l'austnite. Les tempratures trs basses empchent la diffusion du carbone dans l'austnite (elle est pratiquement arrte), le dbut de la dcomposition se ralentit et la dure de la transformation augmente. La reprsentation schmatique de la formation de la bainite (transformation austnite bainite) est donne par la figure 7.

17

Fig.7

A partir des joints des grains de l'austnite se forment les cristaux sursaturs de ferrite dans le carbone, lesquels se dveloppent au fur et mesure. Le carbone se prcipite sous forme de cristaux de cmentite lamellaire ou globulaire car la vitesse de diffusion du carbone dans la ferrite est grande par rapport celle de l'austnite. Plus la temprature de formation de la bainite est basse, plus la vitesse de diffusion du carbone dans le rseau est petite et les cristaux de cmentite dans la ferrite deviennent fins. Donc la bainite est comme la perlite, elle se compose de ferrite et de cmentite, mais elle ne se forme pas directement partir de l'austnite, mais suivant presque la mme transformation que celle de la martensite, elle possde une duret assez leve. Le carbide form dans la bainite suprieure possde de gros grains par rapport celui form dans la bainite infrieure. La bainite suprieure est moins dure malgr sa formation la temprature basse.

18

1.2.3. Transformation martensitique C'est au dessous dune temprature denviron 180C que se forme la cmentite partir de l'austnite surfusionne. Lorsque la temprature de l'austnite surfusionne diminue jusqu' environ T 180C, ou mme plus bas, le processus de diffusion est compltement arrt et une transformation sans diffusion se produit, elle est appele transformation martensitique. La martensite est une solution solide de carbone dans le fer mais trs sature, son rseau cristallin est trs distorse (dform). La transformation martensitique se produit sans dplacement des atonies de carbone, seulement les atomes de fer qui se dplacent a une distance plus petite que la distance inter-atomique, cette transformation se produit trs vite. Les points de dbut et fin de transformation dpendent du pourcentage de carbone, avec l'augmentation du % C, les points Mf et Ms diminuent. La martensite a une structure trs dure, le phnomne de durcissement a un caractre physico-chimique avec le rseau cristallin du fer trs dform par la prsence des atomes de carbone ce qui explique son durcissement. Pour des refroidissements continus, les diagrammes TTT ne correspondent plus cette ralit, mais il existe d'autres types de diagramme appels diagramme de surfusion. La figure 8 nous donne une ide de l'influence de la vitesse de refroidissement sur les diffrentes transformations de l'austnite.

19

Fig.8

Quand la temprature du milieu de trempe est suprieure au point Mf, l'austnite ne se transforme pas compltement en martensite, d'habitude il y a une certaine quantit d'austnite rsiduelle. Elle est instable et lors des basses tempratures elle peut donner la martensite. Cette transformation provoque des dformations plastiques, donc l'austnite rsiduelle dgrade les proprits de la structure en diminuant la duret (tenue l'usure). Pour des tempratures T < 100C, la martensite et l'austnite sont trs stables et on a plus de transformation de structure. Pour des procds techniques de traitement thermique important tels que recuit de normalisation, trempe etc., l'acier est refroidi continuellement partir du domaine de l'austnite. La trempe s'effectue soit dans l'eau, l'huile, dans un four ou l'air, dans ce cas l'austnite ne se transforme pas une certaine temprature constante, mais la transformation

20

de cette dernire s'tend sur un intervalle de temprature, par la suite on obtient des aciers traits en mme temps avec des structures diffrents. Par exemple : (martensite et bainite), (perlite cot de la bainite) ou encore (perlite avec bainite et martensite).

1.3. Variation de la grosseur du grain d'austnite en fonction de la temprature

Lorsque la temprature est porte au dessus de A1, il se forme l'interface de la ferrite-cmentite, des germes de l'austnite qui croissent jusqu'au moment o toute la structure se transforme dans l'austnite. En levant la temprature ou en prolongeant la dure de sjour la temprature donne, on dclenche une cristallisation qui grossit le grain austnitique. Cette croissance est spontane car le systme tendance diminuer l'nergie libre en rduisant la surface des grains. Les gros grains se dveloppent aux dpens des petits grains thermodynamiquement moins stables. Les dimensions des grains forms lors du chauffage jusqu' une temprature donne ne changent naturellement pas au refroidissement ultrieur. L'aptitude du grain austnitique la croissance varie suivant les conditions de fusion mme pour les aciers de composition identique. Il existe deux types d'aciers qui dpendent des conditions de fusion. a. Acier grains fins par hrdit : Dans lequel, mme la temprature pousse 1000 ou 1050"C, la croissance du grain reste ngligeable, mais si l'chauffement est encore plus pouss, il provoque un brusque grossissement du grain. b. Acier gros grains par hrdit : Dans ce type d'acier, c'est l'inverse, un fort dveloppement du grain s'observe mme lorsque l'chauffement dpasse A1, d'une valeur ngligeable.

21

Cette aptitude de diffrence la croissance du grain est dtermine par le caractre de la dsoxydation et par la composition de l'acier. La figure 9 montre la croissance des grains d'austnite par hrdit une temprature de maintien Ta.

Fig.9

Les aciers dsoxyds par l'aluminium sont grains fins par hrdit, puisqu'ils sont le sige de formation de particules qui ralentissent la croissance du grain d'austnite. Dans les aciers hypereutectodes, l'intervalle de temprature AC1- Acm est celui o la croissance des grains d'austnite est ralentie par les particules de carbone B, les plages de ferrite dans les aciers hypoeutectodes exercent la mme action dans l'intervalle de temprature AC1-AC3. Les lments d'alliages surtout les lments carborignes qui ralentissent la cristallisation, freinent la croissance du grain austnitique, dans ce sens l'action la plus forte est exerce par Ti, V, Zr, Nb, W, Mo qui forment des carbures difficilement solubles dans l'austnite .

22

Le Mn et P contribuent la croissance de grains austnitiques. Il convient de souligner que les termes aciers gros grains ou grains fins par hrdit ne signifient pas que l'acier considr a toujours de grains gros ou fins. Lorsqu' une temprature donne, un acier grains fins par hrdit peut mme avoir un grain d'austnite plus gros qu'un acier gros grains par hrdit. Les figures 10 et 11 indiquent comment varie la grosseur du grain d'un acier port diffrentes tempratures et elles indiquent respectivement le grossissement du grain et l'affinement du grain.

(fig. 10)

(fig. 11)

Sur la figure 10, entre AC1 et AC3, les grains se divisent. de grains plus petits et en plus grands nombre se forme le phnomne qui sera au maximum la temprature AC3. Au dessus de AC3, le phnomne inverse se produit, le grain grossit en fonction de la temprature atteinte et la dure de maintien de cette temprature. Au refroidissement, le grain se stabilise, tel qu'il se prsente au moment o le mtal repasse par la temprature AC3, les dimensions des grains ne varient plus quelque soit la vitesse de refroidissement.

23

Sur la figure 11, il s'agit du chauffage d'un acier avec gros grains au dpart, son passage travers le domaine AC4 et AC3 puis le maintien pendant un temps diffusant la temprature AC3 permettra de rtablir un grain fin. Il existe un tableau de granularit des aciers qui permet d'identifier la taille moyenne des grains l'aide d'un numro allant de l jusqu' 8 et donc de dpartager les structures gros grains et grains fins (fig. 12).

Echelle de granularit de l'acier. Les chiffres indiquent le n du point du grain. x 100 (Rduction de 3/5 limpression)

(fig. 12)

24

Donc la grosseur du grain d'austnite rel est dtermine par la temprature de chauffage, la dure de sjour cette temprature et l'aptitude de l'acier la croissance. du grain pendant lchauffement. Un acier est dit "surchauff" lorsque son chauffement jusqu' une temprature nettement suprieure AC3, ou AC4, reste prolong, ceci conduit un grossissement du grain austnite aussi bien cette temprature de maintien, qu'aprs refroidissement la temprature ambiante. La surchauffe peut tre corrige par un traitement thermique d'affinage structural (fig. 13). Il est prfrable d'viter les surchauffes de l'acier en raison d'une ventuelle dcarburation superficielle qui se produit. Un acier est dit "brl" lorsque la temprature de chauffage est plus pousse et l'atmosphre est oxydante. La brlure est un dfaut irrparable cause de la formation des oxydes de fer aux joints de grains.

D'une manire gnrale l'influence de la grosseur du grain sur les proprits mcaniques peu d'importance, sauf sur la rsilience qui chute notablement surtout dans le cas d'une duret leve et le seuil de fragilit froid qui s'lve. Plus le grain est gros, plus l'acier est apte aux tapures et aux dformations de trempe.

25

(fig. 13)

Les diffrents cas de brlures sont reprsents sur les figures 14, 15 et 16.

1. Fusion partielle : le carbure accumul ente les grains donne un alliage plus fusible. Peut tre corrig par traitement thermique. (fig. 14)

2. Dgagement de gaz : formation de bulles. Peut tre corrig par forgeage.

(fig. 15)

26

3. Pntration d'air qui oxyde le mtal : formation d'tincelles. Pas de remde

(fig. 16)

1.4. Gammes des traitements thermiques de l'acier Les modes principaux de traitement thermique qui modifient de diverses manires la structure et les proprits d'un alliage par des oprations de chauffage jusqu' une certaine temprature, de maintien cette temprature, et suivies d'un refroidissement une vitesse plus ou moins acclre sont : Le recuit. La normalisation. La trempe. Le revenu et le vieillissement.

Les principaux facteurs qui permettent de distinguer entre les diffrents types de traitements thermiques sont la temprature de maintien et la vitesse de refroidissement.

1.4.1. Le recuit Les aciers possdent un caractre apte d'acqurir grce des traitements thermiques varis, toute une gamme de proprits trs diffrentes. Les recuits en gnral amneront les alliages en quilibre physico-chimique et mcanique. Ils tendent raliser l'quilibre structural en faisant disparatre les tats hors d'quilibre rsultants des traitements thermiques et mcaniques antrieurs.

27

Le recuit correspond aux valeurs maximales des caractristiques de ductilit. (rsilience et allongement) et aux valeurs minimales des caractristiques de rsistance (duret, limite lastique, charge la rupture). Le recuit a pour but de : Diminuer la duret d'un acier tremp. Obtenir le maximum d'adoucissement pour faciliter l'usinage ou les traitements mcaniques. Rgnrer un mtal croui ou surchauff. Homogniser les textures htrognes. Rduire les contraintes internes

Le cycle thermique d'un recuit comprend : a. Un chauffage jusqu' une temprature dite de recuit qui dpend du type de recuit raliser. b. Un maintien isotherme la temprature de recuit ou des oscillations autour de cette temprature. c. Un refroidissement trs lent gnralement l'air calme. La vitesse de refroidissement doit tre infrieure la vitesse critique de recuit, voir (fig.17).

Tr : temprature de recuit. tc : temps de chauffage. tm : temps de maintien tr temps de refroidissement.

(fig. 17)

28

1.4.1.1. Recuits du premier genre Suivant l'tat initial de l'acier et la temprature de recuit. on distingue dans ce type de recuit trois types : Recuit d'homognisation (recuit de diffusion). Recuit de recristallisation. Recuit de dtente (stabilisation).

Cette forme de recuit prsente la particularit que ces processus marchent indpendamment des transformations de phase qui peuvent avoir lieu ou ne pas se produire dans les alliages. C'est pourquoi le recuit de premier genre peut tre effectu aussi bien aux tempratures suprieures qu'infrieures celles des transformations de phase. Suivant les conditions thermiques de sa ralisation, ce traitement permet d'liminer l'htrognit chimique et physique produite par les traitements ultrieurs. 1.4.1.2. Recuit d'homognisation (diffusion) Ce type de recuit s'applique aux aciers bruts de coule et aux aciers mouls dans le but d'affaiblir ou liminer la sgrgation dendritique ou inter-cristalline (lors de la solidification de l'acier, les lments d'alliage ou le carbone sont repartis d'une faon htrogne l'chelle du grain austnitique), c'est dire, il y a une diffrence de concentration de ces lments qui se prsentent dans la structure. La sgrgation renforce la susceptibilit l'anisotropie des proprits et aux dfauts tels que cassures, stratifis et flocons (fissures fins internes observes dans une cassure sous forme de taches ovales blanches). La sgrgation diminue la plasticit et la ductilit d'un acier alli. C'est pourquoi non seulement les lingots, mais aussi les gosses pices moules sont assez souvent soumis l'homognisation.

29

L'limination ou l'affaiblissement de ce dfaut est possible seulement lors du chauffage pouss 1100 1200C, sans toutefois atteindre le domaine de surchauffe du mtal qui provoque un grossissement indsirable du grain. Donc ce n'est qu'a ces tempratures que peut tre assure la diffusion la plus complte, ncessaire pour le nivellement de la composition des valeurs d'acier isols. La diffusion provoque lchauffement des places des atomes dans la structure, ce qui amne l'galisation de la concentration sur tous le volume de l'acier, car plus la temprature du lingot est leve, plus la mobilit des atomes est grande, ce qui facilite la diffusion. La dure gnrale de recuit de diffusion (chauffage), sjour et refroidissement lent) de grosses pices varie de 50 100 heures et plus. Suivant la composition de l'acier, le poids de la charge, le sjour dure de 8 20 heures. Pour rduire la dure du processus et la consommation d'nergie, les lingots sont chargs dans le four juste aprs la coule quand ils sont chauds. Les tempratures atteintes lors du recuit d'homognisation provoquent parfois une surchauffe, ce qui rend les grains gros. Pour affiner les grains et amliorer les proprits, ce type de recuit est le plus souvent suivi d'un recuit complet ou la normalisation. Les figures 18 et 19 prsentent respectivement l'tat de structure d'un acier avant l'homognisation (rpartition non uniforme du carbide) et aprs homognisation rpartition uniforme du carbide).

(fig. 18)

(fig. 19)

30

La figure 20 reprsente le cycle thermique d'un recuit dhomognisation.

Fig.20

1.4.1.3. Recuit de recristallisation Pendant la dformation plastique froid, le mtal subit un crouissage, c'est dire, la duret et la rsistance du mtal augmentent et sa plasticit diminue (fig. 21). Ce qui rend difficile le travail du matriel par dformation. Dans la structure du mtal, dformation a froid provoque les lignes de glissement, tirage des grains, dsintgration des diffrents types de cristaux fragiles tels que la cmentite lamellaire de la perlite et les impurets de la scorie.

31

Fig.21

Par l'intermdiaire du recuit de recristallisation une temprature suprieure, la temprature de recristallisation, l'tat de contrainte est limin et l'acier acquiert sa plasticit et ductilit grce la formation de nouveaux cristaux. La temprature de recristallisation n'est pas une constante matrielle, mais elle dpend de plusieurs facteurs. Les facteurs les plus influant sont la teneur en lments d'alliages et le degr de dformation. La temprature de recristallisation diminue avec l'augmentation du degr de dformation et de la teneur en lments d'alliages. Pour les aciers non allis, la temprature de recristallisation est de 450 600C et de 600 800C pour les aciers faiblement et fortement allis. Dans les cas des aciers (0,08 0,2 %C), les plus utiliss dans le travail froid, la temprature de recuit est de 680 700C.

32

Le recuit de recristallisation d'un acier ayant subit une dformation plastique avec un degr de dformation critique, donne une structure gros grains. Ce type de structure est trs utilis en lectrotechnique pour la fabrication des tles de dynamos et de transformateurs.

1.4.1.4. Recuit de dtente (ou de stabilisation, ou de relaxation) : Cette forme de recuit est applique aux pices moules, usines et soudes dans lesquelles les gammes de fabrication prcdentes, dues au refroidissement irrgulier, donne une dformation plastique froid aux diffrentes transformations. Donc cette forme de recuit est destine supprimer ou diminuer les contraintes rsiduelles qui peuvent se diviser en trois types : - Contraintes du premier genre : Elles peuvent se propager dans de grands espaces de la pice. - Contraintes du deuxime genre : Elles peuvent s'tendre sur des dimensions microscopiques. - Contraintes du troisime genre : Elles peuvent s'tendre sur les dimensions atomiques La temprature de ce recuit est choisie entre 350 650C et s'effectue pendant quelques heures et suivie d'un refroidissement lent. Les contraintes rsiduelles sont galement supprimes par d'autres formes de recuits. Par exemple, le recuit de recristallisation avec recristallisation de phase, ainsi que par le revenu, surtout par le revenu haute temprature, de l'acier tremp. La figure 22 reprsente le cycle thermique d'un tel recuit.

33

Fig.22

La figure 23 reprsente le domaine de temprature des diffrents recuits du premier genre.

Fig.23

34

1.4.1.5. Recuits du deuxime genre Le cycle thermique de ce recuit est le chauffage de l'acier aux tempratures suprieures AC3 ou AC1, le maintien cette temprature et le refroidissement lent. Les transformations de phases accompagnant ce recuit permettent d'obtenir pratiquement un tat d'quilibre structural. Par consquent, le recuit d'un acier au carbone produit les structures donnes par le diagramme fer-cmentite, pour les aciers hypoeutectodes (perlite + ferrite) pour les aciers eutectodes (perlite) et pour les aciers hypereutectodes (perlite - cmentite II). Un acier recuit possde une faible duret et une basse rsistance mais sa plasticit est trs leve. La recristallisation de phase due au recuit affine les grains et limine les structures dfavorables. Dans la plupart des cas industriels, le recuit est un traitement thermique pralable. Il est appliqu aux pices moules, forges, lamines. En diminuant la rsistance la duret, le recuit amliore l'usinabilit des aciers haut et moyen carbone. En affinant les grains, en supposant les contraintes internes, et uniformisant l'homognit structurale, le recuit contribue l'amlioration de la plasticit et de la ductilit par rapport aux proprits produites par le moulage, forgeage et laminage. Dans certains cas, par exemple, celui de nombreuses pices de fonderie, le recuit est un traitement thermique terminal, du fait que dans ces conditions, les contraintes rsiduelles n'existent pratiquement pas et la dformation qu'elles peuvent produire est minimale. Les modalits de cette forme de recuit sont le recuit complet, isotherme et incomplet, celui d'adoucissement etc. 1.4.1.6. Le recuit complet Il est destin pour les aciers hypoeutectodes, qui sont chauffs jusqu une temprature AC3 + (30 50C) et maintenu cette temprature jusqu'au chauffage complet et achvement des transformations de phases dans le volume du mtal et le refroidir lentement.

35

Le refroidissement s'effectue lentement dans le four jusqu' la temprature de 500C ensuite l'air. Cette forme de recuit entrane une recristallisation de phase complte. Le chauffage jusqu' une temprature suprieure (30 50C) au point AC3 dclenche la formation de l'austnite caractrise par un grain fin qui dfinit la constitution aprs refroidissement d'une structure grain fin permettant d'obtenir une ductilit et une plasticit leve et assurant aprs traitement thermique dfinitif de trs bonnes proprits. Un chauffage qui dpasse nettement le point AC3 dclenche la croissance du grain daustnite et dgrade ainsi la qualit de l'acier. Le sjour peut varier de 0,5 1,0 heure par tonne de mtal chauff. Le recuit complet est gnralement appliqu aux pices ayant subies des traitements mcaniques et thermiques varis aux (fer en barres, pices forges, moulage de forme), gnralement pour supprimer les contraintes. La figure 24 reprsente le cycle thermique du recuit complet.

Fig. 24

36

1.4.1.7. Recuit de rgnration (affinage structural) Ce type de recuit est appliqu aux pices qui ont souvent des structures surchauffes telles que : Celles ayant subit un traitement d'homognisation par diffusion. Les pices moules. Les zones voisines des joints de soudures. Les pices forges haute temprature etc.. .

Le recuit de rgnration comprend : Un chauffage sans maintien prolong une temprature lgrement suprieure AC3 de manire obtenir une austnite grains fins. Un refroidissement une vitesse convenable conduisant une structure ferrrtoperlitique fine (cas des aciers hypoeutectodes). Le cycle thermique d'un tel recuit est reprsent sur la figure 25.

Fig.25

1.4.1.8. Recuit isotherme L'acier est chauff, de mme que pour le recuit complet (AC3 + 50C) et refroidi relativement vite (en gnral par le transfert dans un autre four) jusqu' une temprature plus basse que A1 (de 100 150C) gnralement en fonction de l'allure de la courbe de

37

transformation isotherme de l'austnite. A cette temprature, on effectue un maintien isotherme, ncessaire pour assurer la dcomposition complte de I'austnite. suivie d'un refroidissement l'air (fig. 26).

Fig. 26

L'avantage que prsente le recuit isotherme consiste dans la diminution de la dure du processus, surtout dans le cas des aciers allis, quil faut refroidir trs lentement pour assurer la rduction ncessaire de la duret. Le recuit est acclr en choisissant la temprature du sjour isotherme au voisinage de la temprature de stabilit minimale de l'austnite surfusionne dans le domaine perlitique. Un autre avantage de recuit isotherme est l'obtention d'une structure plus homogne, le sjour isotherme rgularisant la temprature suivant la section de la pice et la transformation marchant dans le volume tout entier avec le mme degr de surfusion. Le recuit isotherme amliore l'usinabilit, le fini de la surface et diminue les dformations produites par la trempe ultrieure. Ce traitement thermique s'emploie pour les pices forges et autres bauches de petites dimensions. Dans le cas de grosses charges (20

38

30 t et plus), le refroidissement rapide et rgulier jusqu' la temprature du sjour isotherme est impossible. Dans les divers volumes de la charge, la transformation se produit aux tempratures diffrentes, ce qui rend irrgulires la structure et la duret au sein de la mme charge. C'est ce qui fait que dans les cas courants, pour de telles charges, le recuit isotherme ne s'emploie pas.

1.4.1.9. Recuit incomplet (ou coalescence, ou globulisation, ou sphrodisation) Il se distingue du recuit complet par le fait que l'acier est port une temprature plus basse, un peu suprieure AC1 (650 680C) suivi d'un refroidissement lent denviron 10C/h. Ce traitement est utilis pour amliorer l'aptitude la dformation froid de l'acier (filage par exemple) et o on cherche en gnral obtenir une structure globalise de la cmentite. Il a pour but aussi d'amliorer l'usinabilit des aciers en rendant possible l'application de grandes vitesses de coupe et en assurant un trs bon tat de surface. Pour les aciers hypoeutectodes, le recuit incomplet amliore l'usinabilit en rduisant la duret et la susceptibilit la dformation froid. Pour les aciers hypereutectodes le recuit incomplet remplace gnralement le recuit complet, qui assure et contribue la transformation de la perlite lamellaire en perlite globulaire. Pour raliser la sphrodisation, le refroidissement doit tre lent. Il doit assurer (jusqu' 620 680C) la dcomposition de l'austnite et la formation d'une structure ferrite-carbure ainsi que la sphrodisation et la coalescence des carbures ainsi forms. Le maintien une temprature constante ncessaire pour la dcomposition de l'austnite surfusionne et la coalescence des carbures est de 1 3 h, en fonction de la masse du mtal recuire. Les valeurs de la duret et de la charge de rupture d'un acier perlite globulaire sont plus faibles, alors que celles de l'allongement et de la striction sont plus laves. La duret

39

d'un acier eutectode perlite lamellaire est HB 228 et celle d'une perlite globulaire HB 163, la charge de rupture est respectivement 82 et 63 Kgt/mm et l'allongement 15 20 %. Donc comme il a t dj mentionn, le recuit perlite globulaire amliore l'usinabilit des aciers eutectoides et hypereutectoides, c'est dire, rend possible l'application de grandes vitesses de coupe tout en assurant un trs bon fini. La figure 27 montre le processus schmatique de globulisation de la cmentite partir d'une perlite lamellaire.

Fig.27

Les figures 28 montrent respectivement un acier avec 0,9 % C normalis prsentant une structure de perlite lamellaire et le mme acier aprs recuit 700C pour un maintien de l0 heures prsentant une structure perlite globulaire.

40

Fig.28

De mme, les figures 29 prsentent respectivement un acier avec 1,2 % C avec une structure de perlite et de cmentite dans les joints de grains et le mme acier aprs recuit prsentant une structure cmentite globulaire de grosseur non uniforme.

Fig.29

41

1.4.1.10. Recuit d'adoucissement Ce type de recuit consiste au chauffage de longue dure de l'acier aux tempratures prs de AC1 (650 -680C) suivi d'un refroidissement lent denviron 10C'/h. pour les aciers carbone, la temprature de chauffage tant de 650 750C (fig. 30). Pour le domaine de phase + Fe3C, si on refroidit lentement partir de la temprature un peu plus suprieure AC1, au point AR1, se cristallise le carbide prcipit directement en grains globulaires, ce qui dtourne la formation de la perlite lamellaire. Le but du recuit d'adoucissement est de donner l'acier une structure convenable la trempe et de la transfrer un tat usinable et ductile. Aprs le forgeage et la normalisation la structure des aciers carbone est perlitique.

Fig.30

42

Les aciers perlite lamellaire possdent de mauvaises caractristiques d'usinabilit car lors de la dformation plastique froid les lamelles de cmentite se brisent, ce qui donne l'acier des fissures. Par l'intermdiaire d'un long sjour des tempratures au dessous de AC1, les lamelles de cmentite se transforment en cmentite globulaire 1.4.2. La normalisation C'est un traitement thermique qui consiste : Un chauffage de l'acier hypoeutectode (AC3 + 50C). Un chauffage de l'acier hypereutectode (Acm + 50C).

C'est dire un chauffage jusqu'au domaine austnitique : Un maintien (assez court) cette temprature jusqu' son chauffement complet. Un refroidissement l'air libre.

La normalisation provoque la recristallisation aussi de l'acier et affine donc la structure gros grains obtenue par coule ou laminage (forgeage estampage). Ce traitement s'emploie largement en remplacement de la trempe et du revenu pour amliorer les proprits des pices moules en acier. Un refroidissement acclr l'air conduit la dcomposition de l'austnite aux tempratures plus basses et augmente ainsi la dispersion de la structure ferrite-cmentite ainsi que la quantit de la perlite ou plus prcisment, de quasi eutectode du type sorbite ou troostite. Ceci augmente de 10 15 % la rsistance et la duret de l'acier normalis haut et moyen carbone par rapport l'acier recuit. Le but de la normalisation varie en fonction de la composition de l'acier. Pour les aciers bas carbone, la normalisation tant une opration bien plus simple, elle s'emploie au lieu du recuit en augmentant quelque peu la duret. La normalisation assure en coupe un meilleur tat de surface.

43

Pour un acier teneur moyenne en carbone, la normalisation remplace la trempe et le revenu haute temprature. Les proprits mcaniques obtenues sont plus faibles, mais l'opration produit une dformation bien moindre que celle due la trempe et la probabilit d'apparition des formes n'existe pratiquement pas. Dans le cas d'un acier haut carbone (hypereutectode), la normalisation est applique pour liminer le rseau de cmentite qui peut apparatre lors d'un refroidissement lent dans l'intervalle de temprature entre ACm, et A1.La normalisation suivie de recuit d'adoucissement (600 650C) est applique souvent au lieu du recuit complet pour corriger la structure des aciers allis, la productivit de ces deux oprations tant plus leve que celle du recuit tout seul. Donc la normalisation est destine non seulement la rgnration d'un acier surchauff (affinage du grain, homognisation de la structure), mais aussi : Supprimer les effets de la trempe. Supprimer l'crouissage et les tensions internes.

La figure 31 reprsente le domaine de temprature de la normalisation.

Fig. 31

44

La temprature de normalisation est toujours suprieure celle de la trempe qui la prcde et le refroidissement doit tre lent ( l'abri de l'air). Aprs la normalisation les aciers tremps retrouvent les caractristiques qu'ils avaient avant la trempe.

1.4.3. La trempe

La trempe consiste un chauffage de l'acier une temprature de 30 50C au dessus de la ligne GOSK suprieure celle de AC3, pour les aciers hypoeutectodes et suprieure AC1, pour les aciers hypereutectoides. A cette temprature l'acier est maintenu jusqu' l'achvement du chauffage complet c'est dire jusqu' la transformation des phases, ensuite l'acier subit un refroidissement rapide avec une vitesse suprieure la vitesse critique de la trempe (pour les aciers au carbone le plus souvent dans l'eau et pour les aciers allis dans l'huile ou dans un bain de trempe d'autre nature). Le but du refroidissement rapide et d'obtenir une structure martensitique, donc viter une transformation perlitique. La transformation de l'austnite doit commencer et se termine dans le domaine de la martensite. Donc la trempe permet de donner un maximum de duret l'acier HV = 700 800 Kp/mm ou HRC = 60 65, ce qui donne une structure convenable pour le traitement de revenu. La trempe n'est pas un traitement thermique dfinitif, le plus souvent elle est suivie d'un revenu destin diminuer la fragilit et les contraintes internes afin de donner l'acier les proprits mcaniques appropries.

45

1.4.3.1. Choix de la temprature d'austnisation Les aciers hypoeutectoides doivent tre chauffs de 30 50C au dessus de AC3.

Fig.32

Un acier structure initiale (perlite + ferrite) acquiert, au bout d'un maintien dont la dure dpend de la nuance de l'acier et de ses dimensions une structure austnitique qui se transforme en martensite lorsqu'on refroidit une vitesse plus grande que la vitesse critique de la trempe.Un acier hypoeutectode chauff dans l'intervalle AC1 AC3, garde aprs la trempe, en plus de la martensite, des plages de ferrite. La prsence de ferrite diminue la duret de l'acier aprs trempe et ses proprits mcaniques aprs revenu. Aussi ce mode de trempe incomplte ne s'emploie pas gnralement pour les aciers hypoeutectodes.. Les aciers hypereutectodes sont ports AC1 + (50 70C), c'est la temprature laquelle apparat l'austnite, bien qu'une certaine quantit de cmentite secondaire reste

46

encore. Il en rsulte qu'aprs la trempe, la matrice martensitique compte des particules de cmentite non dissoutes lors du chauffage. Cette structure assure une duret et une tenue l'usure plus leves.Pour de nouveaux aciers, la temprature daustnitisation avant la trempe dpasse les limites mentionnes ci-dessus cause de la faible dissolution des carbures contenant des lments d'alliage. Dans ces cas, l'augmentation de la temprature daustnitisation n'entrane pas un grossissement perceptible du grain d'austnite car les carbures non dissous ralentissent la croissance du grain austnitique. L'augmentation de la temprature de chauffe pour trempe (ou augmentation de sjour cette temprature) entrane la dissolution des carbures, le grossissement du grain et l'homognisation de l'austnite. L'austnite surfusionne se trouve aussi stabilise surtout dans l'intervalle de temprature de la transformation perlitique, la vitesse critique de trempe diminue et la pntration de trempe de l'acier s'amliore. La martensite obtenue partir de ces conditions de trempe la forme d'aiguilles fines et relativement ductile. La figure 33, ci-dessous, reprsente la structure de martensite d'un acier 0,86 % C chauff 760C et refroidi dans l'eau, la martensite structure aiguilles fines est difficile reconnatre. Ce mme acier est chauff des tempratures encore suprieures 1000"C (surchauff), on aura un dveloppement rapide des cristaux d'austnite, ce qui donne aprs refroidissement une martensite structure d'aiguilles mais plus paisses (fig. 33).

Fig.33

47

Ce type de martensite est sensiblement fragile que le premier type aiguilles fines et il est prfrable d'viter la structure aiguilles paisses durant le traitement thermique. La surchauffe durant la trempe produit une grande quantit du reste d'austnite et avec l'augmentation de la temprature la quantit d'austnite augmente effectivement, ce qui provoque une diminution de la duret de l'acier (surtremp). Sur le tableau ci-dessous on peut remarquer que la duret HV d'un acier 0,86 % C est croissante avec l'augmentation de la temprature, mais partir des tempratures de surchauffe, denviron 950C, HV diminue. Temprature de trempe en C HV 740 790 810 800 750 650 425 320

750

800

850

900

950

1000

1100

1200

Les aciers tremps avec une grande quantit de reste daustnite produisent des changements de dimensions et doivent subir avant le travail de finition, un refroidissement profond (T = - 60C) afin de transformer le reste de l'austnite en martensite.

1.4.3.2. Choix du temps de maintien (dure de chauffage) Le maintien, la temprature ncessaire de trempe doit assurer le chauffage de la pice jusquau cur et l'achvement des transformations de phases, sans tre trop long pour ne pas provoquer le grossissement du grain et la dcarburation des couches superficielles de l'air. La dure totale de chauffage (ttot = tec + tsi) dpend donc de : - tec : dure d'chauffement cur jusqu' la temprature demande. Elle dpend de la forme des pices et des dimensions, de la nuance de l'acier, du type de four etc. - tsi : dure de sjour isotherme qui dpend de la composition et de l'tat initial de l'acier.

48

Dans la pratique pour dterminer ttot, on se rfre aux donnes exprimentales. Moyen de chauffage Four lectrique Four flamme Bain de sel Bain de plomb ronde 40 50 35 40 12 15 6 8 Dure en [s/mm] dpaisseur de pice carre 50 60 45 50 15 18 8 10 Rectangulaire 60 75 55 60 18 22 10 12

La dure approche du chauffage peut atteindre jusqu' 800 ou 850C dans des fours de diffrents types prvus pour la trempe des pices (dure daustnitisation). 1.4.3.3. Choix de la vitesse de refroidissement pour la trempe Pour estimer la vitesse de refroidissement, on utilise la relation entre la temprature et le temps : T = f(logt) reprsent graphiquement. L'chelle logarithmique permet un talement convenable des courbes de refroidissement rapide. La vitesse critique de trempe martensitique est soit : mesure 700C (Vr700), exprime dans un gradient de temprature gnralement compris entre 700 et 300C (V300 700

)

Le refroidissement doit se raliser une vitesse suprieure la vitesse critique de trempe. Celle-ci tant la vitesse limite qui assure la transformation totale de l'austnite en martensite. La figure 34 reprsente les courbes TTT de la transformation de l'austnite, surfusionne avec indication de la vitesse critique de trempe Vc qui effleure le domaine de transformation austnite perlite. Chaque vitesse de trempe Vt Vc, assure donc la transformation austnite martensite, c'est dire qu'elle assure la trempe martensitique.

49

Fig.34

1.4.3.4. Choix du milieu de trempe Le milieu de trempe doit assurer le refroidissement dans toute la section des pices, et l'obtention d'une structure martensitique sans produire de dfauts tels que : tapures, dformations, gauchissement, contraintes rsiduelles etc. Le meilleur refroidissement est celui qui se fait grande vitesse dans l'intervalle de temprature A1Ms. Ceci permet d'touffer la dcomposition de l'austnite surfusionne dans le domaine des transformations : perlitique et intermdiaire. Ce refroidissement est ralenti vers les basses tempratures dans le domaine de la transformation martensitique MsMf.. Une grande vitesse de refroidissement dans l'intervalle martensitique est indsirable car elle accrot les contraintes rsiduelles et produit des tapures. Gnralement, on utilise pour les bains de trempe, des liquides qui peuvent bouillir tels que leau, les solutions aqueuses de sels et d'alcalins, les huiles. La trempe par ces agents passe par une tape de refroidissement pelliculaire (ou calfaction) o une gaine de vapeur

50

protge les pices et empche le refroidissement. Une fois que l'agent refroidissant se met an bullition, la gaine se rompt et l'vacuation de la chaleur s'acclre. Pour les aciers au carbone, on utilise le plus souvent de l'eau comme milieu de trempe, alors que pour les aciers allis, on utilise soit de l'huile, soit un bain de sel. 1.4.3.5. Trempabilit et pntration La trempabilit d'un acier est son aptitude accrotre sa duret sous l'effet de la trempe. Elle est lie directement la pntration de trempe. Celle-ci dsigne l'aptitude de l'acier recevoir une couche trempe plus ou moins profonde. Comme limite de la couche trempe, on prend la profondeur dont la structure comprend 50% de martensite et 50 % de bainite. La trempabilit est dfinie essentiellement par la teneur de l'acier en carbone. Plus cette teneur, dans la martensite est leve, plus sa duret est grande (fig. 35).

Duret de la martensite en fonction de la teneur en carbone et en lments d'alliage 1- acier au carbone et 2- acier alli.Fig.35

Les lments d'alliages influent peu sur la trempabilit. Sous le terme de pntration de trempe, on comprend l'aptitude de l'acier recevoir une couche trempe structure martensitique ou troostite-martensite et une duret leve d'une profondeur

51

plus ou moins grande. La pntration de trempe est dtermine par la vitesse critique de refroidissement. On constate, d'aprs la figure 36, que la vitesse relle de refroidissement au cur de la pice (Vc) est suprieure la vitesse critique de trempe (Vc), l'acier reoit une structure martensitique sur toute la section et la pntration de trempe est totale. C'est le cas des aciers fortement allis. Si, par contre, la vitesse relle cur est infrieure Vc (par exemple Vc et Vc), la trempe ne pntre pas jusqu'au cur de la pice et la pntration est incomplte. Dans ce cas, la couche extrieure est martensitique, alors que le cur acquiert uns structure F + Cm sous forme de bainite, de troostite ou de perlite.

Fig.36

La pntration de trempe est d'autant plus leve que Vc est plus faible. C'est dire que la stabilit de l'austnite surfusionne est plus leve. C'est pourquoi tous les

52

facteurs qui diminuent Vc, amliorent la pntration de trempe. Parmi les facteurs qui influencent sur Vc, un des plus importants est la composition chimique de l'acier : plusieurs clments d'alliages, augmentent nettement la pntration de trempe (ou la trempabilit), par exemple Cr, Ni,...

1.4.3.6. Essai Jominy

Il a pour but d'obtenir, en une seule opration sur une prouvette normalise (voir figure 37), des indications globales sur la trempabilit d'un acier, sous forme d'une courbe appele courbe Jominy.

Cet essai est ralis en trois tapes.

-

L'austnitisation d'une prouvette normalise prleve dans l'acier tester. Le refroidissement en bout par un jet d'eau dans des conditions imposes. La mesure de duret sur un mplat (fig. 230.b) le long d'une gnratrice et dont l'usinage ne doit pas provoquer un chauffement excessif. Les points de mesure de la duret sont situs : 1,5 - 3 - 5 - 7 - 9 -11 - 13 - 15 - 20 30 - 40 - 50 - 60 - 70 80 mm de l'extrmit arrose et sont dsigns par J1,5 - J3 - J5 - Jx ...

Les rsultats sont reprsents graphiquement par la courbe Jominy : HRC = f (Jx). La connaissance de ces courbes pour diffrentes nuances permet de faire une comparaison rapide de leurs trempabilits relatives, voir figure 38.

53

Fig.37

Fig.38

54

1.4.3.7. Modalits de la trempe Le procd le plus usit est celui de la trempe dans un milieu refroidissant unique ou trempe continue. Mais on utilise galement d'autres modes de trempes dans les cas o la forme des pices est complexes o il faut diminuer les dformations. a. Trempe deux bains : On refroidi d'abord l'eau jusqu' 300 ou 400C (un peu au dessus de Ms), ensuite rapidement on place la pice dans un milieu svrit de trempe plus faible, par exemple l'huile ou l'air o elle se refroidit jusqu' la temprature ambiante. Le transfert de la pice dans un agent refroidisseur diffrent affaiblit les contraintes internes qui apparaissent avec le refroidissement rapide dans un seul agent refroidisseur. b. Trempe suivie d'autorevenu : Ce mode est destin obtenir une duret plus faible au cur de la pice qu' sa surface. Dans ce cas, le refroidissement de la pice dans un bain de trempe est interrompu lorsqu'elle garde encore quelque chaleur l'intrieur.

En se dgageant, cette chaleur lve la temprature des couches superficielles plus refroidies et produit ainsi lautorevenu. Lorsque la temprature atteint la valeur requise, la pice est de nouveau plonge dans le bain de trempe. Ce mode de trempe est trs employ pour les pices qui supportent des charges dynamiques et qui doivent combiner une duret superficielle leve ductilit accrue au cur, telles que burins, massettes, marteaux d'ajusteur, pointeaux. c. Trempe isotherme (tage) martensitique : La pice prvue pour tre trempe par ce procd est chauffe jusqu' la temprature de trempe, puis refroidie dans un bain dont la temprature est lgrement suprieure au point

55

Ms (fig.39), gnralement de l'ordre de 180 250C), et maintenue cette temprature un temps relativement court. Ensuite la pice est refroidie l'air jusqu' l'ambiante. Le sjour dans le bain de trempe assure le nivellement de la temprature suivant toute la section de la pice sans provoquer la dcomposition de l'austnite avec formation de la bainite. La transformation martensitique assure par un refroidissement l'air est moins complte que celle produite par la trempe continue. L'acier garde donc un peu plus d'austnite rsiduelle. La trempe martensitique diminue : - Les modifications volumiques produites par la prsence d'une grande quantit d'austnite rsiduelle et la propension de la martensite lautorevenu. - Le gauchissement, car la transformation martensitique se produit presque simultanment dans toutes les sections de la pice. - Le danger de la formation des tapures. Les transformations structurales, y compris la transformation martensitique, s'accompagnent de la diminution de la rsistance de l'acier, alors que sa plasticit augmente. Cette dconsolidation particulire qui ne s'observe qu'au moment de la transformation (martensitique dans le cas considr), est utilise en trempe tage pour raliser le dressage des pices susceptibles de subir un gauchissement. Le dressage se fait surtout la presse lorsque la pice est retire du bain de trempe pour tre refroidie l'air. La trempe martensitique des aciers au carbone ne peut s'employer que pour des pices relativement petites (d'un diamtre ne dpassant pas 8 10 mm). La vitesse de refroidissement des pices plus grosses dans un bain port une temprature suprieure Ms est plus faible que la vitesse critique de trempe, et l'austnite se dcompose des tempratures plus leves. Des pices plus grosses (15 40 mm de diamtre), doivent tre trempes dans un bain dont la temprature est infrieure au point Ms (160 170C), ce qui assure une vitesse de

56

refroidissement plus grande. La pice est alors moins dforme par la trempe, mais son dressage est rendu plus difficile, car le refroidissement jusqu' la temprature du bain donne lieu la formation d'une quantit importante de martensite. Pour de grosses pices en aciers allis, cette diminution de la temprature du bain n'est pas ncessaire.

Fig.39

d. La tempe isotherme (tage) bainitique : Ce type de trempe, (fig. 40), s'effectue en principe, de la mme faon que la trempe martensitique, mais elle impose un sjour plus long au dessus du point Ms. Un tel sjour assure la dcomposition de l'austnite avec la formation de bainite infrieure. La trempe bainitique des aciers au carbone n'amliore pas sensiblement les caractristiques mcaniques par rapport celles obtenues par trempe usuelle et revenu. Dans la majorit des aciers allis, l'austnite ne se dcompose pas compltement dans le domaine bainitique. Si l'austnite qui ne s'est pas dcompose lors du maintien isotherme

57

ne subit pas de transformation martensitique pendant le refroidissement ultrieur, l'acier reoit une structure constitue de bainite et de 10 20 % d'austnite rsiduelle (enrichie en carbone). Une telle structure assure une rsistance trs leve et une ductilit suffisante. Pour de nombreux aciers, la trempe bainitique augmente nettement la rsistance fonctionnelle, c'est dire, la rsistance des prouvettes de forme complexe. Compare la trempe et au revenu usuels 250 ou 400 C, la trempe bainitique augmente de 1,5 2 fois la plasticit de l'entaille. Mais si la quasi totale de I'austnite qui ne s'est pas dcompose aprs transformation bainitique subit, lors du refroidissement ultrieur, la transformation martensitique, les proprits mcaniques obtenues par trempe suivie de revenu, la plasticit se trouve alors diminue. Pour donner aux aciers allis de construction (0,3 0,5 % C), des proprits mcaniques optimales, la trempe bainitique doit prvoir un sjour dans la partie infrieure du domaine bainitique de la dcomposition isotherme de l'austnite (quelque peu au dessus de Ms). L'augmentation de la temprature de maintien (et de dcomposition de l'austnite), dans le domaine bainitique, diminue la plasticit et la ductilit. La dure du maintien dans le bain de trempe est fonction de la stabilit de l'austnite aux tempratures suprieures Ms, dfinies en partant du diagramme de dcomposition isotherme de l'austnite de l'acier considr. Le milieu employ pour les trempes martensitique et bainitique est constitu, le plus souvent, de saumures dont l'intervalle thermique varie de 150 500C (par exemple, 55% KNO3 + 45 % NaNO2 ou NaNO3 ou bien 20 % NaOH + 80 % KOH). Plus la temprature de la saumure est basse, plus la vitesse de refroidissement des pices plonges dans ce sel est grande. Les sels fondus ne refroidissent que par le dgagement de chaleur, aussi leur aptitude refroidir augmente-t-elle avec l'agitation.

58

Fig.40

Laddition de l'eau (3 5 %) un bain dalcalis caustique en fusion, provoque l'bullition et acclre ainsi le refroidissement dans la gamme des tempratures de la transformation perlitique. A 400 ou 500C, le refroidissement devient 4 5 fois plus rapide, et 300C, deux fois plus rapide. Le refroidissement dans un bain d'alcalis caustique fondus, les pices chauffes au pralable dans un bain de sels chlorurs liquides (c'est dire de sels qui ne provoquent pas l'oxydation), permet d'obtenir une surface nette d'une couleur grise claire. Cette modalit de trempe est dite blanche. e. Traitement froid de l'acier : Un acier tremp 0,4 ou 0,5 % C, contient de l'austnite rsiduelle. Cette dernire diminue la duret, la tenue l'usure et provoque souvent la modification des dimensions des pices travaillant aux basses tempratures par suite de la transformation spontane de l'austnite en martensite. Cette transformation peut se produire galement sous l'action des contraintes de contact qui peuvent provoquer des ruptures.

59

La quantit d'austnite rsiduelle d'un acier tremp peut tre diminue par un traitement froid (mthode propose par A.Goulaev en 1937). Il consiste en un refroidissement de l'acier tremp jusqu' une temprature infrieure zro. Le traitement froid s'emploie pour des aciers dont la temprature de fin de transformation martensitique Mt se trouve au dessous de zro, (fig. 41).

Temprature des points martensitiques Ms et Mf a- Influence de la teneur en carbone. b- Influence de la teneur en lments d'alliage.

Fig.41

L'abaissement de la temprature Mt (pour la plupart des aciers elle est de lordre -30 -70C), provoque la transformation de l'austnite rsiduelle en martensite, ce qui augmente de 1 3 HRC la duret des aciers 0,8 ou 1,1 % C. Mais les contraintes augmentent galement, cest pourquoi le refroidissement des pices doit tre ralenti et le traitement froid doit tre immdiatement suivi de revenu.

60

Aprs la trempe, le maintien de l'acier l'ambiante pendant 3 6 heures, stabilise laustnite qui, lors du refroidissement ultrieur, se transforme d'une faon moins complte en martensite et rduit l'effet du traitement froid. C'est pourquoi, le traitement froid est effectu directement aprs la trempe. Le traitement froid s'emploie essentiellement pour des instruments de mesure et des pices en aciers cments teneur leve en lments d'alliage qui, aprs trempe, gardent en grande proportion l'austnite. 1.4.3.8. Trempe superficielle La trempe normale a pour but de transformer l'acier en un tat martensitique aprs son refroidissement partir de la temprature de trempe. Mais il existe beaucoup d'lments de construction ou de pices mcaniques qui ne subissent l'usure qu' la surface tels que les arbres, les pignons etc. D'o ces lments exigent une duret superficielle et un cur ductile rsistant aux charges dynamiques. La trempe superficielle est un traitement local qui ne trempe qu'une mince couche superficielle, tout en laissant intacte la couche sous-jacente. La possibilit de tremper un acier superficiellement, c'est dire, obtenir une surface dure et un noyau ductile, c'est de chauffer la pice jusqu' l'obtention d'une temprature de trempe la surface, c'est une transformation martensitique uniquement la surface de la pice, la temprature tant infrieure celle de la surface, donc ne subissant pas une telle transformation. Lors du chauffage, on doit diminuer la dure de maintien pur viter une pntration de la trempe. Les avantages essentiels que prsente la trempe superficielle sont l'augmentation de la duret, de l'amlioration de la tenue l'usure, de la rsistance, de la limite de fatigue des couches superficielles des pices. Il existe plusieurs modes de trempe superficielle : Trempe superficielle par induction (la plus utilise). Trempe superficielle au chalumeau. Trempe par immersion dans un bain de trempage.

61

a. Trempe superficielle par induction : Le chauffage aux courants d'induction haute frquence est assur par l'action thermique du courant induit dans la pice place cet effet dans un champ magntique alternatif (fig. 42).La pice est place l'intrieur d'un inducteur compos d'une ou de plusieurs spires. Le courant induit s'tablit qu'en surface de la pice et la densit du courant alternatif induit n'est pas la mme suivant la section du conducteur (pice chauffe). Le courant passe surtout par la surface du conducteur. Cet effet porte le nom d'effet de peau et il est d'autant moins profond que la frquence est trs leve. Une grande intensit donne en surface l'lvation de la temprature dsire.

Dans le cas d'une trempe et d'un chauffage superficiels, la puissance unitaire applique est relativement grande (0,1 2,0 Kw/cm), ce qui rend ngligeable la dure de chauffage (2 50s).

Reprsentation schmatique du chauffage par induction pour la trempe superficielle :

a- Champ magntique de l'inducteur avec la pice.

b- Induction et direction du courant.

(fig. 42)

c- Rpartition radiale du courant dans la d- pice.

62

Les proprits du mtal varient avec la temprature et la profondeur augmente surtout au dessous de la temprature du point de curie. Les frquences optimales en dpendances de l'paisseur de la couche tremper sont donnes sur le tableau ci-dessous. Epaisseur en mm Frquence en Hz 1,0 60 000 2,0 15 000 3,0 7 000 6,0 1 500 10 500

La profondeur de pntration du courant est donne par la formule suivante :

-

K = 5 000 : constante. : rsistivit de l'acier en .mm/m. : permabilit magntique de l'acier Gs/Oe. f : frquence du courant en Hz

Le choix de l'paisseur optimale d'une couche consolider est dtermin par les conditions du service de la pice, lorsque celle-ci est sollicite seulement l'usure ou a la fatigue, l'paisseur de la couche trempe est le plus souvent prise de 1,5 3,0 mm et de 4 5 mm dans les conditions des charges de contact leves et de la rptition ventuelle de a rectification. Dans le cas des charges de contact particulirement grandes, par exemple, dans celui des cylindres des laminoirs froid, l'paisseur d'une couche trempe doit atteindre 10 15 mm et plus. Pour de grandes vitesses de chauffage, la transformation de la perlite en austnite se dplace dans le domaine des tempratures leves. C'est pourquoi la temprature de trempe par induction est suprieure celle du chauffage dans les fours, o la vitesse de chauffage ne dpasse pas 1,5 3,0C/s. Plus la vitesse de chauffage est grande dans la rgion des transformations de phase, plus la temprature doit tre leve pour assurer une austnisation

63

suffisamment complte et obtenir au refroidissement la structure optimale (martensite grain fin) et la duret maximale. Pour le refroidissement, on utilise un agent refroidisseur (eau, mulsion) qui est gnralement amen par un dispositif de pulvrisation. Les modalits de trempe par induction sont les suivantes. Chauffage et refroidissement simultans (trempe sur place) de toute la sui face, ce procd s'emploie pour des pices de petites surface (axes, manetons, outils). Chauffage et refroidissement successifs des secteurs isols, ce procd est utilis pour le durcissement des tourillons, des vilebrequins, des cames des arbres cames, des pignons module suprieur 6. Chauffage et refroidissement successifs continus (la trempe au dfil). Ce procd sert pour la trempe de longs arbres, axes etc.Il consiste dplacer la pice par rapport l'inducteur et au dispositif refroidisseur fixe ou inversement. Pour obtenir une profondeur de trempe uniforme, il faut que la distance entre l'inducteur et la pice soit partout gale, la forme de l'inducteur tant symtrique la surface chauffe. De bons rsultats sont obtenus en faisant tourner la pice dans l'inducteur. La trempe par induction est suivie de revenu basse temprature de 160 a 220C et souvent dautorevenu, car en ralisant la trempe, le refroidissement n'est pas complet et la pice garde ainsi une certaine quantit de chaleur. Cette chaleur rsiduelle fait remonter la temprature de la couche trempe jusqu'aux tempratures de revenu. Pour la trempe superficielle par induction, on emploie le plus souvent, les aciers au carbone de 0,4 ou 0,5 % C, qui aprs trempe, ont une duret leve (HRC 55 60), prsentent une bonne tenue l'usure et ne sont pas susceptibles de rupture fragile.

64

b. Trempe au chalumeau : Ce mode de trempe est employ pour de grosses pices (cylindres de laminoirs, arbres etc.). La surface de la pice est chauffe la flamme de gaz dont la temprature est trs leve (2400 3150C). L'apport de chaleur la pice tant important, la surface de cette dernire s'chauffe rapidement jusqu' la temprature de trempe, alors que son cur reste froid. Un refroidissement rapide ultrieur assure la trempe de la couche superficielle. Le chauffage est assur par des brleurs actylne, gaz normal, etc. Une mince couche superficielle acquiert une structure martensitique, alors que les couches sous-jacentes, une structure troostite + martensite. La trempe au chalumeau se prte aisment l'automatisation et s'insre sans difficults dans une ligne continue (fig. 43). Souvent, pour de grosses pices, cette mthode est plus avantageuse que la trempe par induction. L'inconvnient de ce mode de trempe est la surchauffe qui peut conduire la formation de l'austnite gros grains la surface superficielle.

Fig.43 Trempe de l'acier 0,9 % C

65

a. Structure d'aprs la cassure en fonction de la temprature de trempe, refroidissement dans l'eau 20C.

600 C

800 C Fig. 44

1 000 C

1 200 C

b. Les mmes structures que prcdemment, vues au microscope avec grossissement (A = 500 : 1), milieu d'attaque HN03 1 % d'alcool.

Fig.45

66

..

Fig.46

c. Acier 0,9 % C, T = 800C , t =30 min, refroidissement dans le four, (A= 500 : 1), perlite.

Fig.47

67

d. Acier 0,9 % C, T = 800C , t =30 min, refroidissement lair, (A= 500 : 1), ferrite + bainite.

Fig.48

d.

Acier 0,9 % C, T = 800C, t 30 min, refroidissement dans l'huile 20C, (A = 500 : 1), Bainite.

Fig.4

68

f. Acier 0,9 % C, T = 800C, t = 30 min, refroidissement l'eau, (A =500 : l), martensite + troostite.

Fig.50 g. Acier 1,6 % C , T = 100C, refroidissement dans la glace (A = 500 : 1), Martensite + reste de l'austnite.

Fig.51

69

h. Acier 0,9 % C, T = 800C, t = 30 min, refroidissement I' eau, revenu T = 250C pendant 1 heure, refroidissement l'air, ( A = 500 : 1), structure de revenu.

Fig.52

1.4.4. Le revenu Le revenu est un traitement thermique pratique, gnralement aprs trempe, et qui a pour but de corriger les dfauts causs par la trempe d'un acier (contraintes internes et fragilits). Le chauffage de l'acier tremp est effectu une temprature infrieure AC1, (selon la rsistance exige), suivi d'un maintien cette temprature et au refroidissement jusqu' la temprature ambiante (fig. 53).

70

Fig.53

Le revenu est destin provoquer un retour plus ou moins marqu vers l'tat stable froid, donc d'obtenir les proprits mcaniques requises, c'est dire la martensite se transforme en de nouveaux constituants (sorbite, bainite). Donc le revenu permet de supprimer les contraintes internes provoques par la trempe, de diminuer la fragilit des pices trempes tout en conservant une duret suffisante. Cette suppression de contraintes et d'autant plus complte que la temprature du revenu est plus leve, c'est dire, l'affaiblissement des contraintes est le plus intense lorsque le maintien atteint 15 30 min 550C. La vitesse de refroidissement aprs revenu, a une influence faible sur l'tat des contraintes rsiduelles. Nanmoins plus le refroidissement est lent, plus les contraintes rsiduelles sont faibles. Un refroidissement rapide dans l'eau partir de 600C produit des contraintes thermiques nouvelles.

71

Pour viter un gauchissement aprs revenu, surtout pour les pices de formes complexes, il faut refroidir lentement. Les aciers allis sont refroidis rapidement. Les proprits d'un acier obtenu par revenu dpendent surtout de la temprature. Il existe trois modalits de revenus. a. Revenu basse temprature : Le revenu basse temprature s'effectue avec un chauffage vers 250C et permet de diminuer les contraintes internes. Il transforme la martensite de trempe en martensite de revenu. Ce revenu augmente la rsistance et amliore la ductilit sans altrer sensiblement la duret (58 63 HRC), d'o une bonne tenue l'usure. Il s'applique aux outils de coupe et aux instruments de mesure en aciers au carbone et faiblement allis. La dure de ce revenu varie de 1 3 heures. b. Revenu temprature intermdiaire : Le revenu temprature intermdiaire se ralise entre 350 et 500C et s'emploie pour les ressorts varis et les estampes. Il permet d'obtenir mie limite lastique et une rsistance la fatigue leves. La structure est de type troostite de revenu ou troostite - martensite dont les durets varient de 40 50 HRC. Le refroidissement aprs revenu 400 ou 450C se fait l'eau, ce qui contribue la formation en surface de contraintes de compression rsiduelles qui lvent la limite de fatigue des ressorts. c. Revenu haute temprature : Le revenu haute temprature se fait entre 500 et 680C, il donne l'acier la structure sorbite de revenu. Ce type de revenu cre un meilleur rapport entre la rsistance et la ductilit de l'acier. La trempe suivie de revenu haute temprature (ce traitement double est appel amlioration) amliore, par rapport l'tat normalis, ou recuit, les limites de rupture et d'lasticit, la striction et surtout la rsilience. L'amlioration est applique surtout aux aciers de construction moyen carbone (0,3 0,5%). La figure 54 montre l'volution de la duret HV 60 en fonction de la temprature de revenu.

72

Fig. 54

Les figures, ci-dessous, montrent la structure de l'acier 0,6 % C pour diffrentes tempratures de revenu.. La solution d'attaque tant HNO3 3 % d'alcool avec un grossissement (A = 500 : l) .

(Fig.55)

(Fig.56)

73

(Fig.57)

(Fig.58)

(Fig.59)

Aprs avoir tudi les diffrents types de traitement thermique de l'acier, rsumons ces derniers sur La figure 60 par adoption des dsignations suivantes : RTL : refroidissement trs lent. RL : refroidissement lent. RMR : refroidissement moyennement rapide. RR : refroidissement rapide. RTR : refroidissement trs rapide.

74

-

Cm : cmentite. P : perlite. B : bainite. M : Martensite. S : sorbite.

-

Rev : revenu. Rev T : revenu haute temprature. Rev. T : revenu moyenne temprature. Rev. T : revenu basse temprature.

-

S. Rev. : sorbite de revenu. M Rev : martensite de revenu.

75

Fig. 60

76

1.5. Dfauts des traitements thermiques de l'acier Les principaux dfauts provoqus par les traitements thermiques des pices peuvent tre rsums en trois points : Contraintes propres : provoques par les gradients de temprature au chauffage et au refroidissement entre les divers points de la pice. Pour le chauffage, il faudrait que la monte en temprature dans le four soit faible. Pour le refroidissement, il faudrait que la vitesse soit faible pour rduire le gradient de temprature, mais pas trop afin d'viter toute transformation indsirable. Tapures (fissures) : elles se forment le plus souvent au cours de la trempe. Pour parer ce dfaut incorrigible, on recommande lors du pro.jet des pices, d'viter les saillies, les angles vifs, les raccordements brusques etc., de refroidir modrment en utilisant une trempe deux bains. Dformations et gauchissements : concernent surtout les pices trempes cause du refroidissement qui n'est pas homogne Au dbut, seules les couches externes se refroidissent et donc se transforment en martensite, ce qui provoque des contraintes de traction sur le cur de la pice qui est encore plastique. Puis les couches internes se transforment leur tour, la dilatation correspondante, peut exercer sur les couches superficielles plus froides, donc peu plastiques, un effort de traction, le cur tant en tat de compression, voir figure 61.

77

Fig.61

Les contraintes propres peuvent dpasser la limite lastique et induire des dformations permanentes qui se traduisent par des dformations externes des pices.

1.6. Traitements thermochimiques de l'acier Le nom de traitement thermochimique est donn la saturation superficielle de l'acier en tel ou tel lment (par exemple : carbone, azote, aluminium, chrome etc.), par sa diffusion l'tat atomique partir d'un milieu extrieur port une temprature leve, c'est dire, dans le cas o lon aura besoin d'une duret superficielle encore plus leve et une ductilit au cur encore plus grande, on utilise les traitements thermochimiques. Tous les traitements thermiques envisager se droulent sans changement de composition chimique. Tandis que les traitements thermochimiques s'effectuent avec changement de la composition chimique

78

d'une certaine paisseur de la couche superficielle. Outre cela le changement de la composition chimique de la couche superficielle qui s'effectue l'tat solide n'est possible que par diffusion. Pour enrichir la couche superficielle d'un mtal par des atomes d'un autre lment mtallique, on doit crer des conditions la surface du mtal qui doivent assurer le transport de ces atomes partir de cette surface ou bien vers cette surface. Le problme d'enrichir la couche superficielle d'un mtal A par un autre mtal B, ncessite que certaines conditions doivent tre remplies. Avant tout il est ncessaire que le mtal B doit tre soluble dans le mtal A l'tat solide, c'est dire, il y a formation de cristaux mixtes. Ensuite il faut que les atomes dissous dans les cristaux mixtes doivent effectuer des changements de places et cela dpendra du type de l'lment B, seulement les lments avec des atomes de faible rayon, peuvent prendre une position interstitielle et avoir une mobilit leve dans le rseau, mme des tempratures basses. A la temprature ambiante par exemple, l'hydrogne peut faiblement se diffuser en formant des cristaux mixtes d'insertion. Les lments qui forment des cristaux mixtes de substitution se diffusent difficilement et exigent des tempratures suprieures la temprature de recristallisation. Par exemple la diffusion de l'aluminium et du chrome est beaucoup plus difficile que celle des lments tels que : C, N. Gnralement la diffusion augmente avec l'lvation de la temprature. Le pouvoir de diffusion d'un lment est caractris par son coefficient de diffusion et dpend essentiellement de la temprature :

-

D : coefficient de diffusion. D0 : facteur de frquence (dpend du matriau). Q : nergie d'activation de diffusion de l'lment considr. R : constante des gaz. T : temprature absolue.

79

La diffusion est assure donc par la pntration de l'atome B dans la surface priphrique de l'atome A. Le cas le plus simple, imaginer, est celui de l'immersion de l'acier dans un bain mtallique facilement fusible. Dans certains cas, il y a transfert (diffusion) des atomes de l'lment ajout non seulement la couche superficielle, mais aussi en profondeur du mtal, lorsqu'il y a saturation de la couche superficielle. En gnral il n'existe pas de matriaux purs, mais sous forme d'alliage, par exemple l'acier qui est un alliage de fer et de carbone et d'autres lments. Dans le cas d'un systme plusieurs composants, il se forme plusieurs couches, dans lesquelles se forment durant la diffusion, plusieurs phases l'une avec l'autre. Le traitement thermochimique consiste chauffer une pice jusqu' la temprature donne dans un milieu solide, liquide ou gazeux, qui dgage facilement l'lment de diffusion l'tat atomique, maintenir cette temprature, puis le refroidir. Donc la diffrence d'un traitement thermique, un traitement thermochimique change non seulement la structure de l'acier, mais aussi la composition chimique des couches superficielles, ce qui permet de modifier dans de plus larges limites ses proprits. Un traitement thermochimique compte trois stades lmentaires : 1. Processus dont le sige est le milieu extrieur et qui assure le dgagement de l'lment diffusant l'tat atomique. 2. Contact des atomes d'lment diffusant avec la surface de la pice en acier et formation des liaisons chimiques avec les atomes de fer (absorption). 3. Pntration de l'lment saturant en profondeur dans le mtal de base, c'est dire, diffusion. La saturation en carbone ou en azote, qui forment avec le fer des solutions solides d'insertion, rend la diffusion plus rapide que la saturation en mtaux qui forment des solutions solides de substitution. La profondeur de pntration est fonction de la temprature

80

et de la dure de saturation, ainsi que de la concentration de l'lment diffusant la surface. La figure 62 montre que la couche diffuse en fonction de la dure du phnomne, la temprature considre, est le plus souvent dtermine par une relation parabolique.

Fig.62

Par consquent, avec le temps la vitesse d'augmentation de l'paisseur de la couche ne cesse de diminuer. La figure 63 nous montre l'paisseur de la touche diffuse, toutes conditions tant gales d'ailleurs, est d'autant plus grande que la concentration, de l'lment diffusant la surface du mtal est plus faible.

81

Fig.63

La profondeur de la couche diffuse forme, pendant la dure donne, augmente fortement en fonction de la temprature du processus (fig. 64).

Fig.64

82

1.7. Principaux types de traitements thermochimiques de l'acier Ces traitements thermochimiques sont : La cmentation. La nitruration. La cyanuration et carbonisation. La mtallisation par cmentation.

1.7.1. La cmentation La cmentation est un processus de saturation en carbone de la couche superficielle de l'acier et ayant pour but principal, l'obtention d'une surface dure et rsistance l'usure pas enrichissement de la couche superficielle en carbone jusqu' une concentration de 0,8 1,2 % C et par trempe ultrieure suivie d'un revenu basse temprature. Ce procd accrot galement la limite de fatigue. La cmentation est applique aux aciers faible teneur en carbone (0,5 0,02 % C) pour les grosses pices jusqu' 0,3 % C. Le choix de la nuance d'acier est ncessaire pour que le cur de la pice garde sa ductilit. Il existe trois modes essentiels de cmentation. Par agents solides contenant du carbone. Par gaz. Par agents liquides.

Gnralement la profondeur maximum de pntration est de 2 mm, donc il est exig que les diffrentes oprations d'usinage doivent tre ralises avant le traitement de cmentation, c'est dire, les pices cmenter sont fournies aprs lusinage