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7/28/2019 6493460 Les Traitements Thermiques Des Aciers Copy

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e s a c i e r s

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PO Ingénierie de la construction

3ème Année Orientation Génie Mécanique

Les traitements thermiques des aciers

1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5

24h 15mn 1mn 2mn 1h 2h 4h 8h

HRc 54 52,5 52 40 35 30 22 226 187 HV

Austénisé à: Grosseur du grain:

C% Mn% Si% S% P% Ni% Cr% Mo%

900

800

700

600

100

0

200

300

400

500

Nuance: 35 CrMo 4

Ac1 A

A+F A+F+C

A+F+C

A+M

Ms

Ac3

850°C - 30 mn 9

Temps (s)

0,36 0,77 0,28 0,01 0,019 0,16 0,96 0,28

55 45

15

12 10

35 45

2 10

70 75

65 17



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Les aciers

Aciers d’usage général

(Aciers non alliés)

Aciers à outils

Aciers spéciaux de

construction mécanique

(Aciers faiblement alliés)

Aciers spéciaux

(Aciers maraging,)

Aciers inoxydables

(Aciers fortement alliés)

Quelques rappels





Les aciers

Aciers d’usage général

(Aciers non alliés)

Aciers à outils

Aciers spéciaux de

construction mécanique

(Aciers faiblement alliés)

Aciers spéciaux

(Aciers maraging,)

Aciers inoxydables

(Aciers fortement alliés)

Les catégories d’aciers

La famille des aciers est subdivisée suivant ces 5 grandes sous-familles. Les aciers de

traitement thermique couramment utilisés en construction mécanique appartiennent

principalement à la sous-famille des aciers spéciaux de construction mécanique mais on peut

également utiliser certains aciers de la sous-famille des aciers d’usage général.





Désignation normalisée des aciers

de traitement thermique

Désignation des aciers de traitement thermique

Avant toute chose, il est nécessaire de bien connaître la désignation des différents alliages, et

en particulier celle des aciers de traitement thermique. Celle-ci est définie par les normes

soit française (NF A) ou européenne (EN). On donne ici les désignations en vigueur depuis

1992 mais également les désignation antérieures car elles sont encore largement employées.





C 35 H2

Désignation des aciers spéciaux non-alliés (norme EN 10020)

Acier spécialnon-allié

Centuple de la teneur en carbone Particularités

Aciers spéciaux non alliés(Aciers d’usage général)

Désignation des aciers spéciaux non alliés

Les aciers de la première sous-famille aptes aux traitements thermiques sont les aciers

spéciaux non-alliés.

La désignation de ces aciers non-alliés est définie par la lettre « C » (pour acier au carbone)

suivie d’un nombre représentant le centuple de la teneur nominale en carbone (ici 0,35%).

Cette désignation peut être complétée pour désignée une particularité (ici H2 correspond à

une bande de dispersion Jominy plus étroite).





XC 38 H2

Ancienne désignation des aciers spéciaux non-alliés

Acier spécialnon-allié

Centuple de la teneur en carbone Particularités

Aciers spéciaux non alliés(Aciers d’usage général)

Ancienne désignation des aciers spéciaux non alliés

L’ancienne désignation de ces aciers non-alliés commence par le symbole « XC » (pour acier

de classe XC) suivie d’un nombre représentant le centuple de la teneur nominale en carbone

(ici 0,35%). Comme dans la nouvelle norme, cette désignation peut être complétée pour

désignée une particularité.



P O

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Les aciers spéciaux de construction mécanique

(aciers faiblement alliés)

La teneur de chaque élément d’alliage ne dépasse 5%

35 CrMo 4

Désignation (norme EN 10020)

Teneur (×××× 100)

en carbone

Symbole chimique des éléments d’alliage

(dans l’ordre des teneurs décroissantes)

Teneur (×××× coeff.) de(s)

éléments d’alliage

Définition des aciers faiblement alliés

Ces aciers de la seconde sous-famille, tous aptes aux traitements thermiques, sont des aciers

faiblement alliés, c’est à dire que la teneur de chaque élément d’alliage ne dépasse pas 5%

(en masse).



P O





La teneur de chaque élément d’alliage ne dépasse 5%

35 CrMo 4

Désignation (norme EN 10020)

Teneur (×××× 100)

en carbone

Symbole chimique des éléments d’alliage

(dans l’ordre des teneurs décroissantes)


éléments d’alliage

Ancienne désignation des aciers faiblement alliés

La désignation de ces aciers commence par un nombre correspondant au centuple de la

teneur nominale en carbone (ici 0,35%) puis par une suite de symboles chimiques des

principaux éléments d’alliage (ces symboles sont donnés dans l’ordre décroissant des

teneurs) et enfin par un ou plusieurs nombres correspondants aux teneurs de ces éléments

d’alliage (à un coefficient multiplicatif près).



P O





Valeur des coefficients multiplicateurs en fonction des éléments d’alliage

BCe, N, P, S

Al, Be, Cu,

Mo, Nb, Pb,

Ta, Ti, V, Zr

Cr, Co, Mn,

Ni, Si, W

x 1000x 100x 10x 4

Coefficients multiplicateurs dans la désignation des aciers faiblement alliés

Le tableau ci-dessus donne la valeur du coefficient multiplicateur en fonction de la nature de

l’élément d’alliage. Ce coefficient permet d’avoir une valeur entière dans la désignation de

l’alliage.



P O





35 CD 4

Ancienne désignation

Teneur (×××× 100)

en carbone

Symbole métallurgique des éléments d ’alliage

(dans l ’ordre des teneurs décroissantes)


éléments d ’alliage

Ancienne désignation des aciers faiblement alliés

L’ancienne désignation de ces aciers commence par un nombre correspondant au centuple

de la teneur nominale en carbone (ici 0,35%) puis par une suite de symboles métallurgiques

des principaux éléments d’alliage (ces symboles sont donnés dans l’ordre décroissant des

teneurs) et enfin par un ou plusieurs nombres correspondants aux teneurs de ces éléments

d’alliage (à un coefficient multiplicatif près).



P O



Acier C35

Acier 35 CrMo 4

Composition chimique des aciers de traitement thermique

0,060,02,0,020,210,020,020,0160,270,660,36

%Al%Cu%Mo%Cr%Ni%P%S%Si%Mn%C

0,280,960,160,020,010,280,770,36

%Mo%Cr%Ni%P%S%Si%Mn%C

Composition chimique des aciers de traitement thermique

Ces aciers, qu’ils soient aciers spéciaux non-alliés ou aciers faiblement alliés doivent

respecter une composition chimique nominale tolérancée sur la teneur de chaque élément.

Ainsi un acier C35 peut être à 0,36%C et la teneur en chrome dans un acier 35 CrMo 4 peut

être différente de 1% (coeff. multipl. = 4).



P O

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Les traitements thermiques des aciers

Traitt de durcissement

Trempes

Traitt d’adoucissement

Revenus Recuits

Les traitements thermique des aciers

Les traitements thermiques que l’on peut mettre en œuvre ont pour effet soit de durcir

l’acier (trempe ), soit de l’adoucir (revenus et recuits).



P O




1

2

5

10

2 0

5 0

1 00

50 0

1 0

10

1 0

3 4 5

24 h 1 5 m n 1 m n 2m n 1h 2 h 4h 8h

50 6 22 4 20 2 1 77 1 69 1 48 H V

A us t é n i s é à : G r os s e u r du g r a i n :

C % M n% S i% S % P % N i% C r% M o%

9 00

8 00

7 00

6 00

1 00

0

2 00

3 00

4 00

5 00

N u a n c e : C 3 5

A c1

A A + F

A + F + C

A + M

M s

A c3

8 5 0 ° C - 1 5 m n 9

T e m ps ( s )

0,35 0,60 0,20 0 , 027 0 , 022 0,12 0,10 0,02

40 50

70

30 5 0

6 0 7 0

3 0

B

42 0 3 20

La trempe

La trempeCommençons par la trempe des aciers …



P O




α αα α + γ γ γ γ 700

1 2 3 4 5 6 7

900

1000

1100

600

1200

1300

1400

1500

1600°C

%C

Liquide

γ γγ γ

αααα

L é d é b u r i t e

P e r

l i t e

F e 3 C

4,30,8

1147°

1534°

1390°

1250°

727°

6,67

δδδδ

α α α α ++++ Fe3C

γ γγ γ ++++ Fe3C

γ γγ γ

γ γγ γ

Fe0,02

%C

930

α αα α

727


α αα α + γ γ γ γ

Perlite


0,8

Le diagramme d’équilibre de phases Fer - Cémentite

Le diagramme d’équilibre de phases Fer-Cémentite

Ce traitement ne peut se maîtriser que si l’on a bien en mémoire le diagramme fer-

cémentite. La portion du diagramme qui concerne les aciers de traitements thermique se

limite en pratique à 1% en carbone – 1000°.



P O




γ γγ γ

γ γγ γ

Fe0,02

%C

930

α αα α

727



Perlite


0,8

Les microstructures d’équilibre

Microstructure

ferrito-perlitique

Microstructure

Perlite +

Cémentite

Les microstructures d’équilibre

Lorsque un acier est refroidi très lentement depuis son état austénitique, les transformations

d’équilibre conduisent à une microstructure ferrito-perlitique (si la teneur en carbone est

inférieure à 0,8%) ou à une microstructure constituée de Perlite et de Cémentite (si la teneur

en carbone est supérieure à 0,8%).



P O




Austénite Germination

Les transformations de phases

Les transformation de phases: la germination

Les transformations de phases Austénite-Ferrite et Austénite-Perlite et Austénite-Cémentite,

comme toutes les transformations de phase d’équilibre, font intervenir tout d’abord un

phénomène de germination …



P O


e n t s t h e r m i q u e s

d e s a c i e r s


Les transformations de phases

Germination Croissance

Les transformations de phases: la croissance

… suivi par une phase de croissance.

Ces transformations, faisant intervenir la diffusion, peuvent donc se dérouler soit en

condition isotherme soit en refroidissement continu.



P O



d e s a c i e r s


Cinétique des transformations de phases

Croissance

Cinétique de transformation

Que ce soit en condition isotherme ou en condition de refroidissement continu, la vitesse de

transformation est liée à la vitesse de germination, elle même en relation directe avec le

nombre de germes pouvant se former et se développer.



P O



d e s a c i e r s


∆+∆−⋅=

RT

GGconst I

t gexp

∆∆∆∆G g : var. d’énergie. libre relative àla formation d’un germe

Vitesse de germination

∆∆∆∆G t : var. d’énergie. libre relative à

la barrière d’énergie à franchir

par un atome voulant se fixer

sur un germe en formation


Vitesse de germination

Cette vitesse de germination résulte de deux phénomènes antagonistes: la formation des

germes de la nouvelles phase (∆Gg<0) et la croissance de ces germes par fixation d’atomes de

la phase mère (∆Gt >0).



P O



d e s a c i e r s



−∆=∆ Tm

T TmhG vv

∆ ∆ ∆G G Gg s= +v

( )0>⋅=∆ sGs

( (( (∆∆∆∆ hV <0)


Variation d’énergie libre

La formation des germes s’accompagne d’une diminution d’énergie libre ∆∆∆∆G g dès lors que le

volume l’emporte sur l’interface (en termes de variation d’énergie ∆∆∆∆Gv (< 0 si T<Tm) et ∆∆∆∆G s

(>0)).



P O



d e s a c i e r s



−∆=∆ Tm

T TmhG vv

∆ ∆ ∆G G Gg s= +v

( )0>⋅=∆ sGs

( (( (∆∆∆∆ hV <0)


Degré de surfusion

Ainsi, pour une transformation devant théoriquement se dérouler à une température T m, il

faut que la température passe en-dessous de cette température pour que la transformation

ait effectivement lieu (|∆∆∆∆Gv|<|∆∆∆∆G s |). La différence T-T m est appelé degré de surfusion (∆∆∆∆T).



P O



d e s a c i e r s


Ar3

γ γγ γ

Fe

0,02

%C

930

α αα α

727



Perlite


0,80,35

Les transformations de phases en condition isotherme

Transformations de phases en conditions isothermes

Considérons pour illustrer ces transformations isothermes, le cas d’un acier à 0,35%C. Le

diagramme d’équilibre de phases nous indique que la transformation Austénite-Ferrite

commence à la température Ar3 (environ 830°C).



P O



d e s a c i e r s



Tm

Tmax

Vitesse de germination I (log)

T

vg=0

γ γγ γ

t (log)

Tm

T

Transformation à T=Tm

D’après l’expression ∆∆∆∆Gv, si on maintient la température de l’alliage à la température

théorique de transformation T m, la vitesse de germination sera nulle et la transformation

n’aura pas lieu (temps de début de transformation infini).



P O



d e s a c i e r s



Tm


T

t (log)

∆∆∆∆T1

vg1

T1γ γγ γ

γ γ γ γ → →→ → α αα α α αα α

1% 99%

tdtf

T

Transformation à T1<Tm

Par contre, si on maintient la température de l’alliage à T une température inférieure à la

température théorique de transformation (degré de surfusion ∆∆∆∆T1), la germination pourra se

faire, les germes pourront se développer et la transformation, caractérisée par les instants de

début (td) et de fin (tf ) de transformation, aura lieu.



P O



d e s a c i e r s



Tm


T

t (log)vg2

T2γ γγ γ γ γ γ γ → →→ → α αα α α αα α

1% 99%

td tf

∆∆∆∆T2 < ∆< ∆< ∆< ∆T1

T

Transformation à T2<T1

La vitesse de germination sera d’autant plus grande que la différence entre la la

température imposée et la température théorique de transformation sera importante

(vg2>vg1 si ∆∆∆∆T2>∆∆∆∆T1). La transformation sera d’autant plus rapide (td2<td1 et tf2<tf1).



P O



d e s a c i e r s



Tm

Tmax


T

t (log)vgmax

γ γγ γ γ γ γ γ → →→ → α αα α α αα α 1% 99%

td tf

∆∆∆∆T2 < ∆< ∆< ∆< ∆T1

T

Vitesse de germination maximale (à T=Tmax)

La vitesse de germination atteint une valeur maximale pour une valeur caractéristique du

degré de surfusion. A la température correspondante (T max), la transformation sera la plus

rapide.



P O



d e s a c i e r s



Tm

Tmax


T

t (log)vgmax

γ γγ γ γ γ γ γ → →→ → α αα α α αα α 1% 99%

td tf

T

Transformation à T<Tmax

Par contre, si l’on maintien l’alliage à une température inférieure à cette température Tmax,

les atomes possèderont moins d’énergie. Le nombre d’atomes pouvant se fixer sur les germes

diminue et la vitesse de germination diminue. La transformation sera ralentie.



P O



d e s a c i e r s



Tm

Tmax


T

t (log)vgmax

γ γγ γ γ γ γ γ → →→ → α αα α α αα α

T

Vitesse de germination nulle

A la limite, si la température imposée est suffisamment basse, les atomes n’auront plus

l’énergie suffisante pour franchir la barrière d’énergie et la vitesse de germination sera

nulle: la transformation n’aura pas lieu.



P O



d e s a c i e r s



Tm


T

t (log)vgmax

γ γγ γ

γ γ γ γ → →→ → α αα α α αα α

T

1% 99%

50%

Courbes de transformation en conditions isothermes

Les courbes de début (1% de phase transformée) et de fin (99% de phase transformée) de

transformation délimitent les domaine de stabilité des phases et le domaine de

transformation de phase. Le diagramme ainsi obtenu dans le plan temps-Température

s’appelle Diagramme TTT (Temps – Température – Transformation)



P O



d e s a c i e r s


Diagrammes TTT

(Transformation – Temps – Température)

1 2 5 10 20 50100 500 10 10 103 4 5

24h15mn1mn 2mn 1h 2h 4h 8h

Austénisé à : Grosseur du grain:


900

800

700

600

100

0

200

300

400

500

Nuance: C35

Ac1

AA+F

A+F+C

A+M

Ms

Ac3

850°C - 60 mn 10-11

Température (°C)

Temps (s)

0,36 0,66 0,27 0,0160,02 0,02 0,21 0,02

98

93

92

97

Dureté Rockwell

Cu%0,02

Al%

0,06

Diagramme TTT de l’acier C35

Voici le diagramme TTT de l’acier C35qui nous a servi d’exemple pour illustre la

cinétique de transformation de phase en

condition isotherme. La courbe bleue

correspond au début de la transformation

ferritique et la verte à la fin de cette

transformation. Elles coïncide avec lacourbe de début de transformation

perlitique. La courbe rouge correspond à

la fin de la transformation perlitique. La

courbe e pointillé correspond à 50%

d’austénite transformée.



P O



d e s a c i e r s


Diagrammes TTT

(Transformation – Temps – Température)

1 2 5 10 20 50100 500 10 10 103 4 5




900

800

700

600

100

0

200

300

400

500

Nuance: C35

Ac1

AA+F

A+F+C

A+M

Ms

Ac3

850°C - 60 mn 10-11

Température (°C)

Temps (s)

0,36 0,66 0,27 0,0160,02 0,02 0,21 0,02

98

93

92

97

Dureté Rockwell

Cu%0,02

Al%

0,06

Transformations isothermes et caractéristiques mécaniques

On constate bien, qu’en condition

isotherme, qu’un maintien à 830°C (Ar3)

empêche la transformation ferritique et

qu’un maintien à 727°C (Ar1), empêche latransformation perlitique.

C’est à environ 480°C que la

transformation de l’austénite est la plus

rapide: début au bout d’1 seconde et fin

au bout de 20 secondes avec

essentiellement formation de Perlite.On voit donc que les conditions de

transformations influent sur la

microstructure finale et donc sur les

caractéristiques (90 HRB à 480°C contre

92 à 600°C)



P O



d e s a c i e r s


Ac3

500°C

Ac3+50°C

t

°C

Ms

Chauffe

étagée

Austénitisation

30mn - 1h

Refroidissement

rapide

(eau, air, huile)

La trempe bainitique

Transformationbainitique

L’utilisation de ces diagrammes TTT est assez rare. On ne les utilise presque

qu’exclusivement que pour déterminer la vitesse de refroidissement nécessaire pour assurer

une transformation totalement bainitique (trempe bainitique)



P O



d e s a c i e r s


La trempe étagée bainitique

(austempering)

1 2 5 10 20 50100 500 10 10 103 4 5

24 h15mn1mn 2mn 1h 2h 4h 8h


C% Mn% S i% S% P% Ni% Cr% M o%

90 0

80 0

70 0

60 0

10 0

0

20 0

30 0

40 0

50 0

Nuance: 35NiCr6

Ac1

AA+F

A+F+C

A+M

M s

Ac3

850°C - 30 mn 11

T e m

p é r a t u r e ( ° C )

Temps (s)

0 ,4 1 0,5 5 0 ,2 4 0 ,0 07 0,014 0,93 0,80 0,06

35

63

41

D u r e

t é H R c

F+C

Cu%0, 1

V%0,01

28

22

18

50

A+F+C

F+C

Utilisation du diagrammes TTT(Transformation – Temps – Température)

Structure bainitique d ’un acier à 0,1%C

Bainite infér.

Le maintien à une température de l’ordre de 400°C, permet d’assurer la transformation

complète de l’austénite en bainite inférieure, agrégat très fin de ferrite et de cémentite,

conférant ainsi à l’acier une microstructure stable et dure.



P O



d e s a c i e r s


Diagrammes TRC

(Transformation en Refroidissement Continu)

1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5

24h 15mn 1mn 2mn 1h 2h 4h 8h

506 224 202 177 169 148 HV



900

800

700

600

100

0

200

300

400

500

Nuance: C35

Ac1

A A+F

A+F+C

A+M

Ms

Ac3

850°C - 15 mn 9

Temps (s)

0,35 0,60 0,20 0,027 0,022 0,12 0,10 0,02

40 50

70

30 50 60

70

30

B

420320

Transformations en refroidissement continu: diagrammes TRC

Des diagrammes de transformations de

phases en conditions de refroidissement

continu peuvent également être établi

expérimentalement. Ces diagrammes,

appelés diagrammes TRC, sont très

souvent utilisés dans la mesure où,

industriellement , le refroidissement despièces se fait de cette façon. Lorsqu’on

utilise l’air calme comme milieu de

refroidissement, on parle de trempe de

normalisation. Ci-contre, le diagramme

TRC de l’acier C35.



P O



d e s a c i e r s


Diagrammes TRC


1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5

24h 15mn 1mn 2mn 1h 2h 4h 8h

506 224 202 177 169 148 HV



900

800

700

600

100

0

200

300

400

500

Nuance: C35

Ac1

A A+F

A+F+C

A+M

Ms

Ac3

850°C - 15 mn 9

Temps (s)

0,35 0,60 0,20 0,027 0,022 0,12 0,10 0,02

40 50

70

30 50 60

70

30

B

420320

Diagrammes TRC: microstructures

Sur ces diagrammes, on retrouve les

courbes qui délimitent les différents

domaines de stabilité de phase et les

domaines de transformation de phase: le

domaine de transformation ferritique

(A+F) et celui de la transformation

perlitique (A+F+C). On distingue

également un troisième domaine detransformation: celui de la transformation

bainitique (A+B). La bainite est un

agrégat de ferrite et de cémentite

extrêmement fin et donc plus dure que la

perlite.



P O



d e s a c i e r s


Diagrammes TRC


1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5

24h 15mn 1mn 2mn 1h 2h 4h 8h

506 224 202 177 169 148 HV



900

800

700

600

100

0

200

300

400

500

Nuance: C35

Ac1

A A+F

A+F+C

A+M

Ms

Ac3

850°C - 15 mn 9

Temps (s)

0,35 0,60 0,20 0,027 0,022 0,12 0,10 0,02

40 50

70

30 50 60

70

30

B

420320

Courbes de refroidissement

Taux de transformation

de l ’austénite initiale

Diagrammes TRC: taux de transformation d l’austénite

Sur ces diagrammes, on trouve également

tout un faisceau de courbes de

refroidissement ainsi que des chiffres à

leur intersection avec les courbes de fin detransformation. Ces chiffres indiquent

quelle est la proportion d’austénite initiale

qui s’est transformée pour former le

constituant auquel correspond la courbe

de fin de transformation.



P O



d e s a c i e r s


Influence des éléments d’alliages

Manganèse : augmente la dureté de la ferrite

Nickel : affine la microstructure

Chrome - Molybdène :participent à la formation de la Perlite et de la Cémentite - favorisent la formation de carbures

Vanadium - Nobium :augmentent la dureté de la ferrite en favorisant la formation de fins carbures

Influence des éléments d’alliages sur la microstructure

Les éléments d’alliages, notamment dans les aciers alliés, ont différentes influences sur la

microstructure de l’alliage;



P O



d e s a c i e r s



Influence du chrome

600

700

800

9001000

1100

1200

1300

0 0,4 0,8 1,2 1,60,2 0,6 1,0 1,2 1,8

%C500

0%

4%2%

γ γγ γ

°C

Influence du nickel

700

800

900

10001100

1200

1300

1400

1,8

0% Cr

5%12%

15%

0 0,4 0,8 1,2 1,60,2 0,6 1,0 1,2

%C600

°C

Influence des éléments d’alliages sur la position du point eutectoïde

D’une part, la teneur en carbone de l’eutectoïde diminue avec les teneurs en chrome,

molybdène, nickel, manganèse et autres (déplacement vers la gauche du point eutectoïde): la

proportion en Perlite augmente donc (règle des segments inverses).



P O



d e s a c i e r s



Le chrome: un élément alphagène

700

800

900

10001100

1200

1300

1400

1,8

0% Cr

5%12%

15%

20%

0 0,4 0,8 1,2 1,60,2 0,6 1,0 1,2

%C600

°C

Eléments alphagènes

D’autre part, le domaine austénitique est fortement modifié: son étendue diminue en

présence de chrome, de molybdène de vanadium de titane de silicium ou d’aluminium. Ces

éléments sont dits alphagènes (ils favorisent l’extension du domaine ferritique).



P O



d e s a c i e r s



Le nickel: un élément gammagène

600

700

800

9001000

1100

1200

1300

0 0,4 0,8 1,2 1,60,2 0,6 1,0 1,2 1,8

%C500

0%

4%2%

γ γγ γ

°C

Eléments gammagènes

Par contre, en présence de nickel, de manganèse, de cobalt, de cuivre et d’azote, l’étendue du

domaine austénitique augmente: ces éléments sont dit gammagènes.



P O

I C 3 - L e s t r a i t e m e n t s t h e r m i q u e s

d e s a c i e r s



700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

0,5 1,0 1,5 2,0 2,50

α

α+ (CrFe) C4

α+ (CrFe) C+(CrFe) C4 7 3

α+ (CrFe) C7 3

α+γ+ (CrFe) C7 3

γ+ (CrFe) C7 3

α+γ

γ

γ+ (CrFe) C7 3

+(CrFe) C3

+(CrFe) C3

α

α+γ

Liquide+ γ

L+ γ+ (CrFe) C7 3

L+ αL+ α+γ

α+ (CrFe) C7 3

%C

Eléments carburigènes

Par ailleurs, tous ces éléments d’alliages sont carburigènes: ils ont une grande affinité avec

le carbone et favorise la formation de carbures: soit des carbures de fer alliés (Cémentite

alliée) (FeM)mCn (M = élém

t

d’alliage), soit des carbures d’éléments d’alliages MmCn



P O

I C 3 - L e s t r a i t e m e n t s t h e r m i q u e s

d e s a c i e r s


1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5

24h 15mn 1m n 2m n 1h 2h 4h 8h

506 224 202 177 169 148 HV


C% Mn % Si% S% P% Ni% Cr% M o%

90 0

80 0

70 0

60 0

10 0

0

20 0

30 0

40 0

50 0

Nuance: C35

Ac1

A A+ F

A+F+C

A+ M

M s

Ac3

850°C - 15 mn 9

Temps (s)

0,35 0,60 0,20 0,027 0,022 0,12 0,10 0,02

40 50

70

30

50 60 70

30

B

420 320 1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5

24h 15mn 1mn 2mn 1h 2h 4h 8h

HRc 54 52,5 52 40 35 30 22 226 187 HV



900

800

700

600

100

0

200

300

400

500

Nuance: 35 CrMo 4

Ac1

A

A+F A+F+C

A+F+C

A+M

Ms

Ac3

850°C - 30 mn 9

Temps (s)

0,36 0,77 0,28 0,01 0,019 0,16 0,96 0,28

55 45

15

12 10

35 45

2 10 70

75

65 17

Ralentissementde la diffusion

Décalage vers la droite

des lignes de début et de

fin de transformation


Influence des éléments d’alliages sur la vitesse de germination

D’autre part, la présence de ces éléments d’alliages ralentit la vitesse de germination.

Les transformations de phases s’en trouvent donc retardées: les domaines de

transformations sont décalés vers la droite dans l’échelle temps, que ce soit en condition

isotherme ou en refroidissement continu.



P O



1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5

24h 15mn 1m n 2m n 1h 2h 4h 8h

506 224 202 177 169 148 HV



90 0

80 0

70 0

60 0

10 0

0

20 0

30 0

40 0

50 0

Nuance: C35

Ac1

A A+ F

A+F+C

A+ M

M s

Ac3

850°C - 15 mn 9

Temps (s)

0,35 0,60 0,20 0,027 0,022 0,12 0,10 0,02

40 50

70

30

50 60 70

30

B

420 320 1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5

24h 15mn 1mn 2mn 1h 2h 4h 8h

HRc 54 52,5 52 40 35 30 22 226 187 HV



900

800

700

600

100

0

200

300

400

500

Nuance: 35 CrMo 4

Ac1

A

A+F A+F+C

A+F+C

A+M

Ms

Ac3

850°C - 30 mn 9

Temps (s)

0,36 0,77 0,28 0,01 0,019 0,16 0,96 0,28

55 45

15

12 10

35 45

2 10 70

75

65 17

Les diagrammes TRC montre par ailleurs que si l’on refroidit ces alliages suffisamment

rapidement, il est possible d’éviter la formation des constituants d’équilibre (ferrite, perlite

ou bainite). La vitesse de refroidissement minimale permettant ceci est appelée vitesse

critique de trempe.

Vitesse critique de trempeVitesse critique de trempe

Diagrammes TRC et conditions de refroidissementVitesse critique de trempe



P O



1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5

24h 15mn 1m n 2m n 1h 2h 4h 8h

506 224 202 177 169 148 HV



90 0

80 0

70 0

60 0

10 0

0

20 0

30 0

40 0

50 0

Nuance: C35

Ac1

A A+ F

A+F+C

A+ M

M s

Ac3

850°C - 15 mn 9

Temps (s)

0,35 0,60 0,20 0,027 0,022 0,12 0,10 0,02

40 50

70

30

50 60 70

30

B

420 320 1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5

24h 15mn 1mn 2mn 1h 2h 4h 8h

HRc 54 52,5 52 40 35 30 22 226 187 HV



900

800

700

600

100

0

200

300

400

500

Nuance: 35 CrMo 4

Ac1

A

A+F A+F+C

A+F+C

A+M

Ms

Ac3

850°C - 30 mn 9

Temps (s)

0,36 0,77 0,28 0,01 0,019 0,16 0,96 0,28

55 45

15

12 10

35 45

2 10 70

75

65 17

Vitesse critique de trempeVitesse critique de trempe

Diagrammes TRC et conditions de refroidissement

Influence des éléments d’alliages sur la vitesse critique de trempe

La présence des éléments d’alliages, en retardant la germination des phases d’équilibre,

permet de diminuer cette vitesse critique de trempe.



P O



1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5

24h 15mn 1m n 2m n 1h 2h 4h 8h

506 224 202 177 169 148 HV



90 0

80 0

70 0

60 0

10 0

0

20 0

30 0

40 0

50 0

Nuance: C35

Ac1

A A+ F

A+F+C

A+ M

M s

Ac3

850°C - 15 mn 9

Temps (s)

0,35 0,60 0,20 0,027 0,022 0,12 0,10 0,02

40 50

70

30

50 60 70

30

B

420 320 1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5

24h 15mn 1mn 2mn 1h 2h 4h 8h

HRc 54 52,5 52 40 35 30 22 226 187 HV



900

800

700

600

100

0

200

300

400

500

Nuance: 35 CrMo 4

Ac1

A

A+F A+F+C

A+F+C

A+M

Ms

Ac3

850°C - 30 mn 9

Temps (s)

0,36 0,77 0,28 0,01 0,019 0,16 0,96 0,28

55 45

15

12 10

35 45

2 10 70

75

65 17

La trempe des aciers

La trempe des aciers

Lorsque l’on impose à une pièce austénitisée des conditions de refroidissement qui

permettent, pour la dimension de cette pièce, d’obtenir une vitesse de refroidissement

supérieure à ces vitesses critiques de trempe, on obtient un nouveau constituant: la

martensite.



P O



Acier à 0,35%C

La martensite

Formation de la martensite

La martensite est un constituant hors équilibre. Elle provient du cisaillement de la maille

austénitique (CFC). Ce cisaillement est provoqué par la libération des énergies de

transformations qui ont été bloquées du fait que ces transformations d’équilibre ont été

évitées.



P O



Martensite en lattes Martensite en lattes

La martensite

Martensite en latte et aciculaire

La martensite, de structure quadratique centrée, se présente sous forme de fines aiguilles.

Elle peut prendre deux formes: en lattes (groupement d’aiguilles) dans les aciers à moins de

0,6%C ou aciculaires (aiguilles dans tous les sens) dans les aciers à plus de 0,6%C.





1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5

24h 15mn 1m n 2m n 1h 2h 4h 8h

506 224 202 177 169 148 HV



90 0

80 0

70 0

60 0

10 0

0

20 0

30 0

40 0

50 0

Nuance: C35

Ac1

A A+ F

A+F+C

A+ M

M s

Ac3

850°C - 15 mn 9

Temps (s)

0,35 0,60 0,20 0,027 0,022 0,12 0,10 0,02

40 50

70

30 50 60

70

30

B

420 320 1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5

24h 15mn 1mn 2mn 1h 2h 4h 8h

HRc 54 52,5 52 40 35 30 22 226 187 HV



900

800

700

600

100

0

200

300

400

500

Nuance: 35 CrMo 4

Ac1

A

A+F A+F+C

A+F+C

A+M

Ms

Ac3

850°C - 30 mn 9

Temps (s)

0,36 0,77 0,28 0,01 0,019 0,16 0,96 0,28

55 45

15

12 10

35 45

2 10 70

75

65 17

Température de début de transformation martensitique

Formule d'Andrews (1965)

Ms (°C) = 539 - 423(%C) - 30(%Mn)- 18(%Ni) - 12(%Cr) - 7,5(%Mo)

Température de dénut de transformation martensitique: formule d’Andrews

La température de début de transformation martensitique, notée Ms (Martensite Start),

dépend de la composition chimique de l’alliage: elle peut être correctement estimée à l’aide

de la relation d’Andrews. La transformation martensitique se poursuit avec l’abaissement

de la température.





1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5

24h 15mn 1m n 2m n 1h 2h 4h 8h

506 224 202 177 169 148 HV



90 0

80 0

70 0

60 0

10 0

0

20 0

30 0

40 0

50 0

Nuance: C35

Ac1

A A+ F

A+F+C

A+ M

M s

Ac3

850°C - 15 mn 9

Temps (s)

0,35 0,60 0,20 0,027 0,022 0,12 0,10 0,02

40 50

70

30 50 60

70

30

B

420 320 1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5

24h 15mn 1mn 2mn 1h 2h 4h 8h

HRc 54 52,5 52 40 35 30 22 226 187 HV



900

800

700

600

100

0

200

300

400

500

Nuance: 35 CrMo 4

Ac1

A

A+F A+F+C

A+F+C

A+M

Ms

Ac3

850°C - 30 mn 9

Temps (s)

0,36 0,77 0,28 0,01 0,019 0,16 0,96 0,28

55 45

15

12 10

35 45

2 10 70

75

65 17

Fin de transformation martensitique

0

20

40

60

80

100

-500-400-300-200-1000

Abaissement de température en-dessous de Ms

T a u x d

e t r

a n s f o r m

a t i o n

m

a r t e

n s i t i q u e

Température de fin de transformation martensitique: austénite résiduelle

La température de fin de transformation martensitique, notée Mf, est inférieure de 419° à

Ms (quelle que soit l’acier). C’est pourquoi, pour la plupart des aciers, la transformation

austénitique n’est pas complète à 20°C: il reste de l’austénite non transformée appelée

austénite résiduelle.





Taux d ’austénite résiduelle ( yγ γγ γ résid )

( ) ( ) ( )( ) µ γ γ −⋅−⋅−⋅−= 1011,0exp1 T Ms y y etransformé résid

BPF y y y yetransformé

++=γ

( )6,0700

30003,0exp141,0 t ∆⋅−−⋅= µ Facteur de stabilisation :

*

* : uniquement valable pour des refroidissement sans maintien intermédiaire

résid M y y y γ −−= 1

Taux de transformation avant Ms :

700

300t ∆

Taux d’austénite résiduelle

Le taux d’austénite résiduelle peut être estimée à partir de la relation ci-dessus en condition

de refroidissement continu (*). Dans le cas de la trempe martensitique, les proportions en

ferrite, perlite et bainite sont nulles.

Le paramètre caractérise les conditions de refroidissement.





Acier à 0,35%C

La martensite

Martensite en lattes sur fond d’austénite résiduelle :

Taux d ’austénite résiduelle ( yγ γγ γ résid )

Influence des éléments d’alliage sur le taux d’austénite résiduelle

La température de début de transformation martensitique s’abaissant avec la présence des

éléments d’alliage (formule d’Andrews), la teneur en austénite résiduelle augmente donc.





En refroidissement continu

Diagrammes de transformation

en refroidissement continu

(TRC)

Isotherme


en condition isotherme

(TTT)

Martensite(constituant hors équilibre)

Résumons

La trempeLa trempe





La trempe

En refroidissement continu


en refroidissement continu

(TRC)

Isotherme


en condition isotherme

(TTT)

Martensite(constituant hors équilibre)

Objectifs de la trempe

La trempe, traitement thermique de durcissement, à pour objectif d’obtenir un constituant

hors équilibre appelée Martensite. Elle peut se faire en conditions isothermes ou suivant un

refroidissement continu. Dans les deux cas, il est nécessaire d’utiliser les diagrammes de

transformations pour déterminer les conditions de traitement nécessaires à son obtention.





Caractérisation des aciers vis-à-vis des traitements thermiques

Trempabilité des aciers

Aptitude à former de la martensite

dans des conditions de refroidissement

de moins en moins sévères

La trempabilité des aciers

Le choix de ces conditions de traitement dépend de la réponse du matériau aux traitements

thermiques: la trempabilité.





Trempabilité des aciers

Essai Jominy

Eprouvetteen place

Support

d‘éprouvette

Arrivée d’eau

Evacuation de l’eau

Jet d’eau de

refroidissement

Dispositif d’essai Jominy

L’essai Jominy

Pour caractériser cette aptitude à la trempe, on réalise l’essai Jominy.

La pièce d’essai est un cylindre de 25 mm de diamètre et de 100 mm de long. Cette pièce,

préalablement austénitisée à 850°C durant 30 mn est refroidie par l’une de ses extrémité à

l’aide d’un jet d’eau.

La courbe Jominy



P O I C 3 - L e s t r a i t e

m e n t s t h e r m i q u e s d e s a c i e r s


COURBES JOMINY

HRc

Distance à l'extrémité trempée (mm)

10 20 30020

30

40

50

60

Austénisé à: Grosseur du grain:850°C - 30 mn 9

C% Mn% Si% S% P% Ni% Cr% Mo%0,36 0,77 0,28 0,01 0,019 0,16 0,96 0,28

Nuance: 35 CrMo 4

Une fois refroidie, on réalise à la meuledeux méplats de 4-5 mm de large,

diamétralement opposés. Les conditions

de meulage doivent être telles qu’on évite

tout échauffement excessif.

Sur ces méplats, on réalise des essais dedureté Rockwell C à 1,5-3-5-7-9-11-15-20-

25-30-35- … mm de l’extrémité arrosée.

En reportant ces valeurs de dureté en

fonction de la distance, on obtient la

courbe Jominy.

Courbe Jominy: dureté de la martensite




m e n t s t h e r m i q u e s d e s a c i e r s


Ces courbes Jominy présentent un palier

supérieur plus ou moins marqué. Ce

palier correspond à une transformationtotalement martensitique.

Le niveau HRc de ce palier ne dépend que

de la teneur en carbone.

La valeur de la dureté peut être calculée

avec le modèle de JUSTDistance à l'extrémité trempée (mm)

HRc

0

10

20

30

40

50

60

70

0 5 10 15 20 25 30

%C

COURBES JOMINY

D ureté de la martensite en fonction de la teneur

en carbone

0

10

20

30

40

50

60

70

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55

%m C

H R c

C HRcm %6020 ⋅+=

Courbe Jominy: trempabilité




m e n t s t h e r m i q u e

s d e s a c i e r s


COURBES JOMINY


HRc

0

10

20

30

40

50

60

70

0 5 10 15 20 25 30

Présence

d’éléments d’alliages

Ce palier peut être plus ou moins long:cela dépend de la présence d’éléments

d’alliage: de leur nature et de la

proportion. Cela traduit la facilité avec

laquelle la transformation martensitique

se produit: on parle de trempabilité.

Trempabilité

Courbe Jominy: influences sur la trempabilité





s d e s a c i e r s


Le palier est suivi d’une décroissance plus

ou moins rapide vers un niveau

assymptotique. Cette décroissance

correspond à une transformation mixte(ferrite + perlite + bainite + martensite).

La rapidité avec laquelle la dureté décroît

caractérise également la trempabilité de

l’acier: elle dépend de la nature et de la

proportion des éléments d’alliage.Distance à l'extrémité trempée (mm)

HRc

0

10

20

30

40

50

60

70

0 5 10 15 20 25 30

COURBES JOMINY

Courbe Jominy: dureté à coeur





s d e s a c i e r s


La courbe présente une tendance

asymptotique lorsqu’on s’éloigne de

l’extrémité de l’éprouvette. La

transformation est pour la plupart des

aciers de type ferrito-perlitique.Distance à l'extrémité trempée (mm)

HRc

0

10

20

30

40

50

60

70

0 5 10 15 20 25 30

COURBES JOMINY

Courbe Jominy: modèle de JUST





s d e s a c i e r s


COURBES JOMINY

HRc


10 20 30020

30

40

50

60

Austénisé à: Grosseur du grain:850°C - 30 mn 9

C% Mn% Si% S% P% Ni% Cr% Mo%0,36 0,77 0,28 0,01 0,019 0,16 0,96 0,28

Nuance: 35 CrMo 4

Ces courbes Jominy peuvent être

représentées à l’aide de modèles prenant

en compte la composition de l’alliage et lescondition d’austénitisation (grosseur du

grain - KASTM).

Pour les distances Jominy comprises

supérieures à 8mm, la formule de Just

peut être avantageusement utilisée.

( )

C HRc

HRc E E K PV Si

Ni Mn MoCr

C E C d HRc

m

m

ASTM

%6020

13898,028,1281,0%96%39%1,6

%5,5%14%38%20

%00276,0%952

⋅+=

⋅−⋅+⋅−⋅−⋅+⋅+⋅+

⋅+⋅+⋅+⋅+

⋅⋅−⋅=

Modèle de Just

Choix des conditions de traitement thermique





s d e s a c i e r s


Choix des conditions de traitements thermiques

Ac3

500°C

Ac3+50°C

t

°C

Chauffe

étagée

Austénitisation

30mn - 1h

Refroidissement

rapide

(eau, air, huile)

Condition de trempe martensitique



P

O I C 3 - L e s t r a i t e


s d e s a c i e r s


Dimensions

de la pièce

Sévérité

du milieu

de trempe

Trempe martensitique

Vrefroidissement < Vcritique de trempe

Trempabilité

Réaliser une trempe martensitique, c’est imposer des vitesses de refroidissement supérieures

à la vitesse critique de trempe.

Le choix des conditions de traitement dépend de la réponse du matériau aux traitements

thermiques mais également de la sévérité du milieu de refroidissement et des dimensions de

la pièce.

Sévérité du milieu de trempe



P



s d e s a c i e r s


Sévérité des milieux de trempe H (mm-1)

Eau Huile

A g i t a t i o n

t

r è s i n t e n s e

n u l l e

Air

0,16

0,04

0,4

0,01

0,008

0,0008

La sévérité du milieu de trempe caractérise la capacité du milieu à évacuer les calories.

Industriellement, on retrouve trois milieux classiques : dans l’ordre décroissant de sévérité,

l’eau, l’huile et l’air. Ces milieux peuvent être plus ou moins agités.

Selon ROSSMANN

αααα : coefficient de transmission de la chaleur entre la

pièce et le milieu de trempe

λλλλ : conductivité thermique du milieu de trempe

λ 2= H

Abaques de refroidissement



P



s d e s a c i e r s


Temps de refroidissement

La vitesse de refroidissement dépend des dimensions de la pièces et du milieu de

refroidissement. Pour déterminer ces vitesses dans le cas de pièces cylindriques, on peut

utiliser des abaques de refroidissement.

1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 103 4 5


900

800

700

600

100

0

200

300

400

500

Ms

Temps (s)

10 20 40 80 250 500 900Rond de ∅

Mode de refroidissement AIR

Courbes Rond de ∅ 80 : à 10 mm de la surface

Rond de ∅ 250 et 500 : à 20 mm de la surface

Rond de ∅ 900: à 150 mm de la surface

à coeur

Sous la

surface

1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5

24h 15mn 1mn 2mn 1h 2h 4h 8h

900

800

700

600

100

0

200

300

400

500

Ms

Temps (s)

10 20 40 80 120 Rond de ∅

Mode de refroidissement Eau

Courbes Rond de ∅ 80 : à 10 mm de la surface Rond de ∅ 250 et 500 : à 20 mm de la surface Rond de ∅ 900: à 150 mm de la surface

à coeur

Sous la surface

50

1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 103 4 5


900

800

700

600

100

0

200

300

400

500

Ms

Temps (s)

10 20 40 80 250 500 900Rond de ∅

Mode de refroidissement HUILE




à coeur

Sous la

surface

Eau Huile Air



P



s d e s a c i e r s



Ces abaques permettent de déterminer les temps de refroidissement pour le cœur et la

surface de ronds de différents diamètres. Cependant, ils ne sont disponibles que pour les

trois milieux de refroidissements standards (eau, huile et air sans agitation).

1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 103 4 5


900

800

700

600

100

0

200

300

400

500

Ms

Temps (s)

10 20 40 80 250 500 900Rond de ∅

Mode de refroidissement AIR




à coeur

Sous la

surface

1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5

24h 15mn 1mn 2mn 1h 2h 4h 8h

900

800

700

600

100

0

200

300

400

500

Ms

Temps (s)

10 20 40 80 120 Rond de ∅

Mode de refroidissement Eau

Courbes Rond de ∅ 80 : à 10 mm de la surface Rond de ∅ 250 et 500 : à 20 mm de la surface Rond de ∅ 900: à 150 mm de la surface

à coeur

Sous la surface

50

1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 103 4 5


900

800

700

600

100

0

200

300

400

500

Ms

Temps (s)

10 20 40 80 250 500 900Rond de ∅

Mode de refroidissement HUILE




à coeur

Sous la

surface

Eau Huile Air




P



s d e s a c i e r s



Le temps de refroidissement le pluscouramment retenu est celui qu’il faut

pour passer de 700°C à 300°C: il est noté

. Cette plage de température

correspond à celle où se produisent les

différentes transformations dès lors quel’on procède à une trempe, 300°C

correspondant à la température de début

de transformation martensitique (MS)

(valeur moyenne sur l’ensemble des aciers

de TTh).

700

300t ∆

1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5

24h 15mn 1mn 2mn 1h 2h 4h 8h

HRc 54 52,5 52 40 35 30 22 226 187 HV



900

800

700

600

100

0

200

300

400

500

Nuance: 35 CrMo 4

Ac1

A

A+F A+F+C

A+F+C

A+M

Ms

Ac3

850°C - 30 mn 9

Temps (s)

0,36 0,77 0,28 0,01 0,019 0,16 0,96 0,28

55 45

15

12

10

35 45

2 10 70

75

65 17

700

300t ∆Ms

700

300

700300t ∆

Abaque de détermination des temps de refroidissement



P



s d e s a c i e r s


Abaque de détermination des temps de refroidissement

Pour déterminer ces temps de refroidissement dans le cas de pièces cylindriques, on peut

également utiliser l’abaque proposé par l’OTUA. Cet abaque présente l’avantage de pouvoir

traiter tous les milieux de trempe. En outre, il permet de déterminer les temps de

refroidissement en tout point de la section.

0,160,08

0,040,025

0,0150,01

0,0050,0020,0008

20

30

10

405060

80100

200

300

D (mm)

H (mm-1)

0,160,08

0,040,0250,0150,010,005

Coeur (r/R=0)

tous milieux

2

5

1020

50

100200

500

1

∆∆∆∆t700700700700

300300300300

r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

0,40,2

70

Peau (r/R=1)

700

300t ∆

Zone pour la détermination

des temps de refroidissement

en tout point de la pièce



P



s d e s a c i e r s


0,160,08

0,040,0250,0150,010,005

Coeur (r/R=0)

tous milieux

2

5

10

20

50

100

200

500

1

∆∆∆∆t700700700700

300300300300

r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

0,40,2

Peau (r/R=1)

Cet abaque est constitué de 3 zones.

La zone 1 permet de définir le diamètre et la sévérité du milieu de trempe. Dans cette zone,

on trouve un faisceau de droites correspondant aux sévérités des différents milieux de

trempe.

Zone 1

Zone 2 Zone 3

0,16

0,08

0,04

0,025

0,015

0,01

0,005

0,0020,0008

20

30

10

40

5060

80100

200

300

D (mm)

H (mm-1)

70



P

O I C 3 - L e s t r a i t e m e n t s t h e r m i q u e

s d e s a c i e r s


Coeur (r/R=0)

tous milieux

0,16

0,08

0,04

0,025

0,015

0,01

0,005

0,0020,0008

20

30

10

40

5060

80100

200

300

D (mm)

H (mm-1)

r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

0,40,2

70

La zone 2 permet de déterminer les temps de refroidissement en surface de pièce (la peau) et

le cœur. On y trouve de nouveau le faisceau de droites correspondant aux différentes

sévérité. Ce faisceau permet de déterminer les temps de refroidissement pour la peau.

Zone 1

Zone 3Zone 20,160,08

0,040,0250,0150,010,005

2

5

10

20

50

100

200

500

1

∆∆∆∆t700700700700

300300300300

Peau (r/R=1)



P

O I C 3 - L e s t r a i t e m e n t s t h e r m i q u e

s d e s a c i e r s


0,16

0,08

0,04

0,025

0,015

0,01

0,005

0,0020,0008

20

30

10

40

5060

80100

200

300

D (mm)

H (mm-1)

0,160,08

0,040,0250,0150,010,005

2

5

10

20

50

100

200

500

1

∆∆∆∆t700700700700

300300300300

r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

0,40,2

70

Peau (r/R=1)

Ce faisceau de droites est bornée par une droite qui permet de déterminer les temps de

refroidissement pour le cœur de la pièce. Elle correspond à toute les sévérités de milieu de

trempe (toutes les droites correspondantes sont confondues en une seule).

Zone 1

Zone 2 Zone 3Coeur (r/R=0)

tous milieux



P

O I C 3 - L e s t r a i t e m e n t s t h e r m i q u e s d e s a c i e r s


0,16

0,08

0,04

0,025

0,015

0,01

0,005

0,0020,0008

20

30

10

40

5060

80100

200

300

D (mm)

H (mm-1)

0,160,08

0,040,0250,0150,010,005

Coeur (r/R=0)

tous milieux

2

5

10

20

50

100

200

500

1

∆∆∆∆t

700700700700

300300300300

r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

0,40,2

70

Peau (r/R=1)

La zone 3 permet de déterminer les temps de refroidissement en tout point de la section.

Zone 1

Zone 2 Zone 3



P



0,16

0,08

0,04

0,025

0,015

0,01

0,005

0,0020,0008

20

30

10

40

5060

80100

200

300

D (mm)

H (mm-1)

0,160,08

0,040,0250,0150,010,005

Coeur (r/R=0)

tous milieux

2

5

10

20

50

100

200

500

1

∆∆∆∆t

700700700700

300300300300

r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

0,40,2

70

Peau (r/R=1)

Pour déterminer les temps de refroidissement, on se sert de cet abaque de la façon suivante:

…

Zone 1

Zone 2 Zone 3

Utilisation des abaques de détermination des temps de refroidissement:

étape 1



P



0,16

0,08

0,04

0,025

0,015

0,01

0,005

0,0020,0008

20

30

10

40

5060

80100

200

300

D (mm)

H (mm-1)

0,160,08

0,040,0250,0150,010,005

Coeur (r/R=0)

tous milieux

2

5

10

20

50

100

200

500

1

∆∆∆∆t

700700700700

300300300300

r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

0,40,2

70

Peau (r/R=1)

D

Le diamètre de la pièce étant connu, on trace une horizontale correspondante dans la zone 1

de l’abaque . Cette horizontale coupe la droite de sévérité correspondant au milieu de

trempe retenu en un point A.

Zone 1A

Etape 2: détermination de ∆T700300 pour la surface



P



0,16

0,08

0,04

0,025

0,015

0,01

0,005

0,0020,0008

20

30

10

40

5060

80100

200

300

D (mm)

H (mm-1)

0,160,08

0,040,0250,0150,010,005

Coeur (r/R=0)

tous milieux

2

5

10

20

50

100

200

500

1

∆∆∆∆t700700700700

300300300300

r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

0,40,2

70

Peau (r/R=1)

D

A partir de ce point A, on trace une droite verticale. Elle coupe, dans le faisceau de droites

permettant la détermination des temps de refroidissement en surface, la droite

correspondant à la sévérité du milieu de trempe retenu en un point B. A partir de ce point,

on trace une horizontale: on lit sur l’échelle le temps de refroidissement pour la peau.

A

Zone 2B

700

300t ∆

Etape 3: détermination de ∆T700300 pour le coeur



P



0,16

0,08

0,04

0,025

0,015

0,01

0,005

0,0020,0008

20

30

10

40

5060

80100

200

300

D (mm)

H (mm-1)

0,160,08

0,040,0250,0150,010,005

Coeur (r/R=0)

tous milieux

2

5

10

20

50

100

200

500

1

∆∆∆∆t700700700700

300300300300

r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

0,40,2

70

Peau (r/R=1)

D

D’autre part, la droite verticale A-B coupe la droite relative au refroidissement du cœur en

un point C. A partir de ce point, on trace une horizontale: on lit sur l’échelle le temps de

refroidissement pour le coeur.

A

Zone 2B

700

300t ∆

C

Etape 4: Détermination de DT700 300 en tout point de la section



P



0,16

0,08

0,04

0,025

0,015

0,01

0,005

0,0020,0008

20

30

10

40

5060

80100

200

300

D (mm)

H (mm-1)

0,160,08

0,040,0250,0150,010,005

Coeur (r/R=0)

tous milieux

2

5

10

20

50

100

200

500

1

∆∆∆∆t700700700700

300300300300

r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

0,40,2

70

Peau (r/R=1)

D

Pour déterminer les temps de refroidissements en différents points de la section, on utilise la

zone 3 de l’abaque. Elle est graduée en rapport r/R ou r représente la position du point

étudié et R le rayon de la pièce.

A

Zone 3B

C

1 0



P



0,16

0,08

0,04

0,025

0,015

0,01

0,005

0,0020,0008

20

30

10

40

5060

80100

200

300

D (mm)

H (mm-1)

0,160,08

0,040,0250,0150,010,005

Coeur (r/R=0)

tous milieux

2

5

10

20

50

100

200

500

1

∆∆∆∆t700700700700

300300300300

r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

0,40,2

70

Peau (r/R=1)

D

Le temps de refroidissement déterminé à partir du point B (peau) correspond à r/R=1:

point B’.

A

Zone 3B

C

1 0

B’



P



0,16

0,08

0,04

0,025

0,015

0,01

0,005

0,0020,0008

20

30

10

40

5060

80100

200

300

D (mm)

H (mm-1)

0,160,08

0,040,0250,0150,010,005

Coeur (r/R=0)

tous milieux

2

5

10

20

50

100

200

500

1

∆∆∆∆t700700700700

300300300300

r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

0,40,2

70

Peau (r/R=1)

D

Le temps de refroidissement déterminé à partir du point C (coeur) correspond à r/R=0:

point C’.

A

Zone 3B

C

1 0

B’

C’



P



0,16

0,08

0,04

0,025

0,015

0,01

0,005

0,0020,0008

20

30

10

40

5060

80100

200

300

D (mm)

H (mm-1)

0,160,08

0,040,0250,0150,010,005

Coeur (r/R=0)

tous milieux

2

5

10

20

50

100

200

500

1

∆∆∆∆t700700700700

300300300300

r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

0,40,2

70

Peau (r/R=1)

D

Entre ces deux points, on trace une droite (correspondant à la loi exponentielle, solution de

l’équation de conduction de la chaleur, dans une échelle log-log).

A

Zone 3B

C

1 0

B’

C’



P



0,16

0,08

0,04

0,025

0,015

0,01

0,005

0,0020,0008

20

30

10

40

5060

80100

200

300

D (mm)

H (mm-1)

0,160,08

0,040,0250,0150,010,005

Coeur (r/R=0)

tous milieux

2

5

10

20

50

100

200

500

1

∆∆∆∆t700700700700

300300300300

r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

0,40,2

70

Peau (r/R=1)

D

Le temps de refroidissement pour un point situé sur un rayon r s’obtient en traçant une

verticale depuis le rapport r/R correspondant et une horizontale à partir du point

d’intersection avec la droite B’C’ (point D).

A

Zone 3B

C

1 0

B’

C’

D

Application: étape 1 – détermination des temps de refroidissement



P



0,16

0,08

0,04

0,025

0,015

0,01

0,005

0,0020,0008

20

30

10

40

5060

80100

200

300

D (mm)

H (mm-1)

0,160,08

0,040,0250,0150,010,005

Coeur (r/R=0)

tous milieux

2

5

10

20

50

100

200

500

1

∆∆∆∆t700700700700

300300300300

r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

0,40,2

70

Peau (r/R=1)

D

Ainsi, pour une pièce de diamètre 60 mm trempée à l’eau calme (H= 0,04), les temps de

refroidissement en surface et à cœur sont respectivement de 10s et de 50s.

10

60

Etape 2: microstructures





D=60 mm

∆∆∆∆t700700700700300300300300 = 10 s

∆∆∆∆t700700700700300300300300 = 60 s

A partir de ces temps, il est possible

d’estimer les microstructures de l’alliageaprès trempe en surface à au cœur.

Pour cela, on trace sur le diagramme TRC

de la nuance retenue deux courbes

correspondant aux trouvés.

Dans le cas d’une pièce en acier de nuance

35 CrMo 4, la microstructure en surface

est constituée de martensite et d’austénite

résiduelle et celle du cœur de ferrite, de

bainite, de martensite et d’austénite

résiduelle.

Surface

Coeur

1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5

24h 15mn 1mn 2mn 1h 2h 4h 8h

HRc 54 52,5 52 40 35 30 22 226 187 HV



900

800

700

600

100

0

200

300

400

500

Nuance: 35 CrMo 4

Ac1 A

A+F A+F+C

A+F+C

A+M

Ms

Ac3

850°C - 30 mn 9

Temps (s)

0,36 0,77 0,28 0,01 0,019 0,16 0,96 0,28

55 45

15

12

10

35 45

2 10 70

75

65 17

Etape 3: taux d’austénite résiduelle





Que ce soit à cœur ou en surface, le tauxd’austénite résiduel peut être estimé à

l’aide de la relation ci-dessus.

avec

et

Dans l’exemple présenté ici, cela donne:

Surface

Coeur

1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5

24h 15mn 1mn 2mn 1h 2h 4h 8h

HRc 54 52,5 52 40 35 30 22 226 187 HV



900

800

700

600

100

0

200

300

400

500

Nuance: 35 CrMo 4

Ac1 A

A+F A+F+C

A+F+C

A+M

Ms

Ac3

850°C - 30 mn 9

Temps (s)

0,36 0,77 0,28 0,01 0,019 0,16 0,96 0,28

55 45

15

12

10

35 45

2 10 70

75

65 17

En surface : y=0

yM=96,8%

yγ résid=3,2%

A cœur : y=5+0+10=15%

yM=81,5%

yγ résid

=3,5%

D=60 mm

∆∆∆∆t700700700700300300300300 = 10 s

∆∆∆∆t700700700700

300300300300

= 60 s

( ) ( ) ( )( ) µ γ γ −⋅−⋅−⋅−= 1011,0exp1 T Ms y y etransformé résid

BPF y y y y ++=

( ) 6,0700

30003,0exp141,0 t ∆⋅−−⋅= µ

résid M y y y γ −−= 1

Etape 4: dureté en surface et à coeur





Par ailleurs, on peut déterminer le niveaude dureté obtenue après trempe, tant en

surface qu’au cœur. Pour cela, il suffit de

lire dans le cartouche situé au bas du

diagramme TRC, la valeur en regard des

courbes de refroidissement.

Surface

Coeur

1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5

24h 15mn 1mn 2mn 1h 2h 4h 8h

HRc 54 52,5 52 40 35 30 22 226 187 HV



900

800

700

600

100

0

200

300

400

500

Nuance: 35 CrMo 4

Ac1 A

A+F A+F+C

A+F+C

A+M

Ms

Ac3

850°C - 30 mn 9

Temps (s)

0,36 0,77 0,28 0,01 0,019 0,16 0,96 0,28

55 45

15

12

10

35 45

2 10 70

75

65 17

D=60 mm

∆∆∆∆t700700700700300300300300 = 10 s

∆∆∆∆t700700700700300300300300 = 60 s

A cœur : HV = 53

En surface : HV = 48

Abaque Distance Jominy équivalente





0,16

0,08

0,04

0,025

0,015

0,01

0,005

0,0020,0008

20

30

10

4050

60

80

100

200

300

D (mm)

H (mm-1)

0,160,08

0,040,0250,0150,010,005

Coeur (r/R=0)

tous milieux

2

5

10

20

50

100

200

500

1

∆∆∆∆t700700700700300300300300

r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

0,40,2

70

Peau(r/R=1)

10 20 30 40 50 60 Dj (mm)

HRc

r

20

30

40

50

60

10

Courbes Jominy

Pour déterminer ces duretés lorsque l’on ne dispose pas du diagramme TRC, il est possible

d’utiliser l’abaque de détermination des temps de refroidissement complété d’une quatrième

zone.

Zone 1

Zone 2Zone 3 Zone 4



P O I C 3 - L e s t r a i t e m e n t s t h e r m i q u

e s d e s a c i e r s


0,16

0,08

0,04

0,025

0,015

0,01

0,005

0,0020,0008

20

30

10

405060

80

100

200

300

D (mm)

H (mm-1)

0,160,08

0,040,0250,0150,010,005

Coeur (r/R=0)

tous milieux

2

5

10

20

50

100

200

500

1

∆∆∆∆t700700700700300300300300

r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

0,40,2

70

Peau(r/R=1)

10 20 30 40 50 60 Dj (mm)

Zone 1

Zone 2Zone 3 Zone 4

Cette équivalence est donnée par la courbe ci-dessus. L’axe horizontal est gradué

directement en distance Jominy équivalente.






0,16

0,08

0,04

0,025

0,015

0,01

0,005

0,0020,0008

20

30

10

405060

80

100

200

300

D (mm)

H (mm-1)

0,160,08

0,040,0250,0150,010,005

Coeur (r/R=0)

tous milieux

2

5

10

20

50

100

200

500

1

∆∆∆∆t700700700700300300300300

r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

0,40,2

70

Peau(r/R=1)

10 20 30 40 50 60 Dj (mm)

Zone 1

Zone 2Zone 3 Zone 4

Reprenons l’exemple traité précédemment: pièce de diamètre 60 trempée à l’eau calme

(H=0,04 mm-1). Les temps de refroidissements en surface et au cœur sont respectivement

de 10s et 60s.

10

60

700

300t ∆

D ( )






0,16

0,08

0,04

0,025

0,015

0,01

0,005

0,0020,0008

20

30

10

405060

80

100

200

300

D (mm)

H (mm-1)

0,160,08

0,040,0250,0150,010,005

Coeur (r/R=0)

tous milieux

2

5

10

20

50

100

200

500

1

∆∆∆∆t700700700700300300300300

r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

0,40,2

70

Peau(r/R=1)

10 20 30 40 50 60 Dj (mm)

Zone 1

Zone 2Zone 3 Zone 4

En prolongeant les horizontales temps jusqu’à la courbe distance Jominy équivalente, on en

déduit les distances sur l’éprouvette Jominy qui subissent les mêmes temps de

refroidissement: soit 5 et 13 mm.

5 13

D (mm)

HRc Courbes JominyHRc Courbes Jominy






0,16

0,08

0,04

0,025

0,015

0,01

0,005

0,0020,0008

20

30

10

405060

80

100

200

300

D (mm)

H (mm-1)

0,160,08

0,040,0250,0150,010,005

Coeur (r/R=0)

tous milieux

2

5

10

20

50

100

200

500

1

∆∆∆∆t700700700700300300300300

r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

0,40,2

70

Peau(r/R=1)

10 20 30 40 50 60 Dj (mm)

Zone 1

Zone 2Zone 3 Zone 4

On peut alors compléter cet abaque en reportant la courbe Jominy, ce qui permet de

déterminer la dureté tant en surface qu’au cœur de la pièce. Pour cela, il suffit de prolonger

les verticales distances Jominy jusqu’à la courbe Jominy de la nuance envisagée.

5 13

HRc

20

30

40

50

60

10

Courbes JominyHRc

20

30

40

50

60

10

Courbes Jominy

D (mm)

HRc Courbes JominyHRc Courbes Jominy






0,16

0,08

0,04

0,025

0,015

0,01

0,005

0,0020,0008

20

30

10

405060

80

100

200

300

D (mm)

H (mm-1)

0,160,08

0,040,0250,0150,010,005

Coeur (r/R=0)

tous milieux

2

5

10

20

50

100

200

500

1

∆∆∆∆t700700700700300300300300

r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

0,40,2

70

Peau(r/R=1)

10 20 30 40 50 60 Dj (mm)

Zone 1

Zone 2Zone 3 Zone 4

5 13

20

30

40

50

60

10

Courbes Jominy

20

30

40

50

60

10

Courbes Jominy

Dans l’exemple traité ici (cas d’un acier de bonne trempabilité), la dureté obtenue en surface

est de 54 HRc tandis qu’à cœur, elle est de 50 HRc. La différence de dureté entre le cœur et

la surface n’est pas très importante, malgré la dimension importante de la pièce (60 mm).

5450

D (mm)

HRc60 Courbes Jominy






0,16

0,08

0,04

0,025

0,015

0,01

0,005

0,0020,0008

20

30

10

405060

80

100

200

300

D (mm)

H (mm-1)

0,160,08

0,040,0250,0150,010,005

Coeur (r/R=0)

tous milieux

2

5

10

20

50

100

200

500

1

∆∆∆∆t700700700700300300300300

r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

0,40,2

70

Peau(r/R=1)

10 20 30 40 50 60 Dj (mm)

Zone 1

Zone 2Zone 3 Zone 4

Et puisque l’abaque permet de déterminer les temps de refroidissement en tout point de la

pièce (zone 3), il est possible de tracer le profil de dureté dans la section. On obtient ce qu’on

appelle une courbe de pénétration de trempe ou encore courbe en U.

5 13

r

20

30

40

50

60

10

Courbes Jominy

5450

HRCHRC






40

50

60

HRC

70

0 20

1

2

3

r (mm)

1: 0,75 % C non allié

2: 0,75 % C + 1 % Cr

3: 0,75 % C + 2 % Cr + 1 % Ni

Ces courbes en U permettent également d’apprécier à la fois le niveau de dureté de la

martensite et la trempabilité de l’acier. Plus la teneur en carbone est élevée, plus le niveau de

la courbe en U est élevé; plus la trempabilité augmente, moins le « U » est prononcé.

40

50

60

HRC

70

0

2

1

HRCmax = 67

HRCmax = 55

20

r (mm)

1: 0,75 % C non allié

2: 0,35 % C + 2 % Cr

Le revenu de détente






t

°C

Le revenu de détente

30mn - 1h

200

Objectif : Diminution des contraintes internes

Cycle thermique : chauffage en dessous de 200°C

Le revenu banal






Ac3

t

°C

Ac1

Le revenu banal

30mn - 1h

Condition de

refroidissementidentiques à celle de la

trempe

(sans influence)

Objectif : Diminuer la fragilité

de la structure martensitique

Cycle thermique : chauffage entre 550°C et 650°C

550

650

Le revenu d ’adoucissement maximal






Ac3

t

°C

Ac1

Le revenu d adoucissement maximal

30mn - 1h

Condition de

refroidissementidentiques à celle de la

trempe

(sans influence)

Objectif : Adoucissement maximal

Cycle thermique : chauffage en dessous de Ac1






Etude expérimentale des transformations de

l ’austénite : la dilatométrie absolue

Mesure de la dilatation en fonction de la

température

Température (°C)






-25

-20

-15

-10

-5

00 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

p ( )

D i l a t a t i o n

r e l a t i v e ( 1 0 - 3

)

Dilatation à l'état αααα

100%90%80%

70%60%

50%

40%30%

20%

10%

0%

Dilatation à l'état γ γγ γ

Proportion d'austénitetransformée

Austénitisation

Refroidissementen phase austénitique

Transformation P →→→→γ γγ γ +αααα

Transformation A→→→→F+P

Refroidissementjusqu ’à l ’ambiante

Refroidissement lent



Choix des conditions de traitement thermique






0,160,08

0,040,025

0,0150,01

0,0050,0020,0008

20

30

10

40

5060

80

100

200

300

D (mm)

H (mm-1)

0,160,08

0,040,0250,0150,010,005

Coeur (r/R=0)

tous milieux

2

5

10

20

50

100

200

500

1

∆∆∆∆t700700700700300300300300

r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

0,40,2

CHOIX DES CONDITIONS DE TRAITEMENTS THERMIQUES DES ACIERS

70

Peau

(r/R=1)

10 20 30 40 50 60 Dj (mm)

HRc

r

20

30

40

50

60

10

Brut de trempe

Après revenu

Courbes JominyNiveau de

dureté aprèstrempe

D =40 mm

Niveau de

dureté après

revenu



Le recuit de grossissement du grain





Ac3

1000°C

t

°C

Ac1Refroidissement

lent

Austénitisation

Pour obtenir une taille de grains importante, propice à l'obtention d'une structure perlitique

grossière, il faut austénitiser à très haute température (> 1000°C) pour faciliter la diffusion

des joints de grains. A l’issue de cette phase d’austénitisation, l’acier est refroidi lentement.

Le recuit de régénération





Ac3

1000°C

t

°C

Ac1Refroidissement

suivant résultat

visé

Austénitisation

Ce recuit permet d'affiner et d'homogénéiser le grain de l'acier; ce traitement se fait en

chauffant légèrement au-dessus de la température Ac3 et en refroidissant dans des

conditions convenables pour le résultat désiré.



Le recuit pour usinage





Ac3

1000°C

t

°C

Ac1

Austénitisation

Refroidissementlent

Ce recuit permet d’obtenir permet d'obtenir une microstructure ferrito-perlitique fine,

microstructure la plus favorable pour l’usinage ; il consiste en un maintien isotherme au-

dessous de Ac1 après l'austénitisation. L’acier est ensuite refroidit lentement.

Le recuit de globularisation





Ac3

1000°C

t

°C

Ac1

Refroidissement

lent

Ce recuit permet d’obtenir une structure perlitique globulaire ; il consiste en un chauffage à

une température légèrement supérieure à Ac1 suivi d'un refroidissement et d'un maintien à

une température légèrement inférieure à Ac1 ; ce cycle peut être répété plusieurs fois.

6493460 les traitements thermiques des aciers copy

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