Traitements thermiques des aciers

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F. TRAITEMENTS THERMIQUES ET TREMPABILIT DES ACIERS

1. Introduction

Par traitement thermique, on dsigne toute opration faite chaud et destine modifier la microstructure d'un mtal pour lui donner de nouvelles caractristiques. Pour les aciers damlioration, c.--d. certaines aciers au carbone et les aciers faiblement allis, certains traitements sont quasi obligatoires pour obtenir une performance optimale. Ces traitements sont la trempe et le revenu. Ils permettent de modifier et d'ajuster les proprits mcaniques de l'acier: limite lasticit, rsistance la traction, tnacit, duret et rsilience aux besoins de l'utilisation. D'autres traitements, normalement dsigns comme recuits, visent amener le mtal vers un quilibre structural et mcanique. Ils ont donc pour but de faire disparatre les tats hors quilibre rsultant des traitements antrieurs, thermiques ou mcaniques. Le recuit d'homognisation s'applique aux aciers bruts de coule pour lesquels la solidification a entran l'htrognit de composition chimique (sgrgation). Il s'obtient en maintenant l'acier dans le domaine austnitique (solution solide ) une temprature aux alentours de 1000C afin d'acclrer la diffusion du carbone et celle des autres lments d'alliage. Une temprature plus leve risque dengendrer un grossissement de grains excessive. Le recuit de rgnration ou normalisation sert affiner le grain (le rendre plus petit) pour les pices qui ont subi un grossissement de grain parce qu'ils taient exposs une temprature leve lors d'une opration de forgeage, moulage ou soudage. Le traitement s'effectue, pour une dure de quelques minutes, entre 50 100C au-dessus de la limite infrieure du domaine austnitique (fig. 1). Dans lindustrie on pratique parfois aussi un traitement thermique cyclique autour la ligne eutectode pour engendrer une structure encore plus fins grce des cycles de germination de ferrite et austnite multiple. Le refroidissement (normalement l'air) ne doit pas tre trop lent pour viter un grossissement de grain de la ferrite. Ltat de normalisation est souvent ltat de livraison pour les aciers susceptible un traitement damlioration. Le recuit de dtente remet l'alliage en quilibre mcanique en diminuant les contraintes rsiduelles (contraintes internes) rsultant d'un travail froid ou d'une opration de soudage. La temprature du traitement n'est pas lie la transformation mais dpend fortement de l'acier.

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Le recuit de recristallisation sert diminuer la fragilit d'un mtal croui et de lui redonner sa capacit de dformation. Pour un acier ordinaire, ce traitement s'effectue au-dessus de 600C. Il est clair qu'un de ces traitements mentionns peut remdier plusieurs dfauts la fois. Ceci est vident puisque les domaines de temprature des diffrents traitements se recouvrent partiellement (fig. 2). Le but de cette exprience est de raliser les traitements thermiques de trempe et revenu, sur des aciers au carbone et des aciers faiblement allis ainsi que de mettre en vidence, par des mesures de duret, l'influence de la teneur en carbone et des lments dalliages. Linfluence de ceux derniers est surtout dans leur capacit dengendrer une structure martensitique des vitesse de refroidissement plus faibles. Ceci est mis en vidence par un essai Jomini, qui permet d'tudier de faon simple et directe l'effet de la vitesse de refroidissement lors de la trempe en bout et dtudier la trempabilit dun acier.

Fig. 1 Diagramme d'quilibre des aciers au carbone

2. Le durcissement par trempe des aciers au carbone et des aciers faiblement allis

Le durcissement par trempe se droule en trois tapes : l'austnitisation, la trempe et le revenu.

2.1 L'austnitisation L'austnitisation consiste d'abord chauffer l'acier puis de le maintenir pendant environ 30 minutes dans son domaine austnitique, au moins quelques degrs (30-50C) au-dessus de

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son point de transformation. Durant l'austnitisation, la structure de l'acier s'homognise en transformant les lments microstructuraux ferritiques (, cc) en austnite (, cfc) et en dissolvant la cmentite et les carbures dans l'austnite.

Fig. 2 Domaines de tempratures d'austnitisation et d'autres traitements thermiques des aciers au carbone

2.2 Trempe La trempe consiste en un refroidissement rapide d'un acier austnitis et a pour but de donner l'acier la plus grande duret possible par formation de la martensite ou de la perlite fine. La temprature d'austnitisation, aussi appele "temprature de trempe", dpend de la teneur en carbone de l'acier; elle doit tre situe dans le domaine austnitique du diagramme Fe-C. La trempe s'effectue en gnral soit l'eau, l'huile ou l'air. Le milieu de trempe est choisi surtout en fonction de la trempabilit de l'acier (cf. essai Jominy). Pour les aciers au carbone, la trempe se fait dans l'eau de 20-40C. En ajoutant environ 10 % de chlorure de sodium l'eau, on obtient une trempe plus efficace qu'avec de l'eau pure. Il est vident que les couches d'oxyde adhrant la pice et les bulles de vapeur qui se sont formes la surface diminuent le transfert de chaleur, donc la vitesse de refroidissement. Par contre, une forte agitation (convection force) du milieu de trempe l'augmente. Le refroidissement rapide par trempe ne permet ni la germination ni la croissance des nouvelles phases. La diffusion longue distance, ncessaire la sgrgation du C et des lments d'alliage, aurait besoin de plus de temps pour produire un effet notable. L'austnite n'tant pas stable basse temprature et la ferrite n'tant pas capable de dissoudre suffisamment de carbone, la transformation martensitique se produit. Elle est beaucoup plus rapide, car elle s'opre sans aucune diffusion. Elle commence sur certains plans cristallographiques particuliers, appels plans d'accolement, et avance par rabattement des atomes dans les plans voisins de mme orientation. Un plan d'accolement est

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un plan cristallographique dans lequel la disposition des atomes est aussi identique que possible dans l'ancienne et la nouvelle structure (minimum de distorsion). Lors de la transformation les atomes ne se dplacent que d'une distance nettement infrieure au paramtre de la maille. L'effet d'une trempe sur un acier se laisse trs fortement influencer par sa teneur en carbone et le pourcentage des lments d'alliages. Les lments ajouts au Fe modifient profondment la cintique de la transformation . Pour mettre en vidence cette cintique, on se sert des diagrammes TTT (diagramme de transformation de l'austnite en conditions isothermes, Temprature - Temps - taux de Transformation, fig. 3) et surtout des TRC (diagramme de Transformation en Refroidissement Continu, voir fig. 4) dans le cas des trempes.

Fig. 3 Courbe TTT (acier faiblement alli 0,35 % C) : Ce diagramme se lit en suivant une isotherme.

2.3 Revenu Un acier tremp est dur, mais gnralement beaucoup trop fragile pour tre utilis directement. Le revenu consiste chauffer une pice qui vient d'tre trempe une temprature infrieure au point de transformation, la maintenir cette temprature, puis la refroidir gnralement l'air, parfois l'eau. Le revenu a pour but d'liminer les contraintes rsiduelles provenant de la trempe et d'augmenter la tnacit. L'augmentation de la tnacit s'obtient malheureusement toujours plus ou moins au dtriment de la duret et de la limite d'lasticit. Les contraintes rsiduelles se forment en raison des grandes diffrences de temprature entre le coeur et la surface de la pice lors de la trempe. La dilatation thermique provoque des contraintes qui dpassent la limite d'coulement plastique et parfois mme la rsistance la rupture (fissures de trempe). D'autres contraintes rsiduelles, qui varient

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fortement d'un grain l'autre, prennent naissance lors de la transformation martensitique et ont pour origine le changement de la forme (cisaillement des atomes le long des plans cristallographiques) et le changement de volume qu'entrane cette transformation.

Fig. 4 Courbe TRC et duret aprs trempe. Le diagramme TRC se lit en suivant les courbes de refroidissement

Le revenu permet de transformer graduellement l'tat martensitique - mtastable - vers un tat d'quilibre, caractris par la coexistence de ferrite et de cmentite. L'augmentation de la temprature permet la germination et la croissance de la cmentite et, le cas chant, des carbures. La martensite s'appauvrit ainsi en carbone et sa maille cristalline se transforme continuellement dans la maille cc de la ferrite. Les distorsions du rseau cristallin, caractristiques pour les microstructures martensitiques, et avec eux les contraintes rsiduelles, l'origine de la fragilit, sont relches. Les proprits mcaniques que l'on obtient aprs un revenu de 30 min sont reprsentes dans le diagramme de revenu et qui est normalement fourni par le fabricant de l'acier. Le diagramme montr en fig. 5 correspond celui d'un acier d'amlioration que l'on utilise pour la ralisation des pices de construction fortement sollicites (arbres, engrenages). En particulier il s'agit de l'acier 40NiCrMo6 qui a la composition : 0.4% C, 1.4% Ni, 0.8% Cr et 0.4% Mo.

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Fig. 5 Diagramme de revenu de l'acier 40NiCrMo6 (Bhler V130, DIN 1.6565, AISI 4340). volution des proprits en fonction de la temprature de revenu (temprature de trempe 840 C)

4. Essai de trempabilit par trempe en bout (essai Jominy)

Les courbes de refroidissement fig. 6 montrent que la vitesse de refroidissement diminue trs rapidement vers l'intrieur de l'prouvette. Pour les aciers au carbone qui ont des courbes TRC ayant le nez du dbut de la transformation perlitique dj environ une seconde (0.4 s pour 0,15% C jusqu' 4 s pour 1% C), une trempe l'eau ne provoque la formation de la martensite que sur une couche de 1 2 mm en dessous de la surface. On parle d'une mauvaise trempabilit.

Fig. 6 Courbe de refroidissement diffrentes profondeurs x de l'prouvette Jominy (D = 1,3 . 10-5 m2/s)

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Pour remdier cette insuffisance des aciers au carbone, on ajoute un faible pourcentage (0,5 - 5%) d'autres lments, notamment Mn, Ni, Cr, Mo, V etc. (acier faiblement alli). A l'exception du Co et de l'Al, presque tous les lments retardent la dcomposition eutectode et par consquent la vitesse de transformation. Ceci a comme effet de dplacer les courbes TRC vers la droite (temps plus lev) et d'augmenter la trempabilit. Par exemple, our l'acier de composition chimique Fe- 0,8% C- 0.6% Cr- 0.4% Mo le nez de la transformation se situe 400 s. Un acier de bonne trempabilit ne permet pas seulement la ralisation d'une trempe coeur mais permet d'effectuer la trempe dans l'huile au lieu de l'eau. La trempe l'huile est un traitement moins brutal que la trempe l'eau qui peut provoquer des fissures de trempe en raison des fortes contraintes thermomcaniques.

Fig. 7 Appareil de trempe selon Jominy L'essai Jominy sert mettre en vidence de faon simple et directe la trempabilit d'un acier. Par rapport aux diagrammes TRC, la mthode ne ncessite qu'une seule prouvette par acier. Cette prouvette en forme de barre d'une longueur de 100 mm et d'un diamtre de 25 mm, est d'abord chauffe et maintenue pendant 30 minutes la temprature d'austnitisation. Aprs laustnitisation, la barre est rapidement porte dans le dispositif de trempe (fig. 7) o elle est suspendue verticalement au-dessus d'une buse, dbitant de l'eau froide pression fixe. Aprs le refroidissement, qui doit durer au moins 10 min, on retire l'prouvette pour la refroidir compltement l'eau et meuler (sans chauffement) un plat le long d'une gnratrice de la surface cylindrique. Pour valuer l'effet des diffrentes vitesses de refroidissement, on dtermine la duret en fonction de la distance x mesure partir du bout refroidi (fig. 7).

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5. Manipulations effectuer et prouvettes

L'essai prvoit de dmontrer les techniques des traitements thermiques et de la trempe des aciers, ainsi que leur effet modificateur sur les aciers au carbone et sur les aciers faiblement allis. Un jeu d'prouvettes sous forme de rondelles ( environ 15 mm) sert mesurer la duret aprs les diffrents traitements thermiques en fonction de la teneur en C et permet d'tablir le diagramme de revenu. On entend par diagramme de revenu la courbe de duret en fonction de la temprature de revenu. Les prouvettes Jominy sont utilises pour dterminer la trempabilit des diffrents aciers par l'intermdiaire de la courbe de duret en fonction de la profondeur x mesure par rapport la surface trempe.

5.1 Traitements thermiques pour les rondelles L'austnitisation, la trempe et le revenu sont raliser selon les indications ci-dessous sur les 3 aciers au carbone et sur un acier faiblement alli. Les prouvettes mises disposition sont dj normalises (achet en tat recuit).

Trempe : Austnitisation 30 min 800, 850 ou 900 C, suivi de la trempe l'eau ou l'huile.

Revenu selon les groupes: De 200 C - 30 min + refroidissement l'air 680 C - 30 min + refroidissement l'air

Composition des aciers et marques sur les prouvettes En prvision des divers traitements thermiques effectuer, on dispose de plusieurs sries de rondelles d'un mme acier qu'il convient de marquer selon leur tat : Acier (DIN) Composition en % Bhler N matire Taust[C] Trempe S235JRG2C 0.17% C, (0.5-0.2)%Mn - 1.0122 900 eau 30Mn6 0.31% C, 0.3%Si, 1.4% Mn V930 1.1165 850 eau Ck45 0.46%C-0.65%Mn (Cr+Mo+Ni) < 0.63% V945 1.1191 850 huile Ck60 0.57-0.65%C,

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5.2 Manipulation pour dterminer la trempabilit dun acier

Pour les groupes de TP MX uniquement :

Un essai de Jominy est effectu sur des prouvettes des deux aciers donns ci-dessous. Lvolution de la duret est mesure sur deux autres chantillons (prpars par le groupe de la semaine prcdente) dj usins, qui ont dj subi un traitement de revenu (effectu par le groupe de TP GM du dbut de la semaine). Lvolution de la duret aprs revenu en fonction de la distance de la surface de refroidissement est alors comparer avec lvolution sans revenu. Aciers disposition pour l'essai Jominy Acier (DIN) Composition en % N matire Nom Bhler 30Mn5 0.31 C 0.3 Si 1.3Mn 1.1165 V930 31NiCr14 0.30 C, 3.5 Ni, 0.75Cr 1.5755 ancien V35h

Pour Les groupes de TP GM uniquement :

Deux prouvettes sont mises disposition qui ont subi un essai de Jominy aprs une austnitisation 850C. La composition des deux aciers sont donnes ci-dessus. Les prouvettes sont dj meules sur deux surfaces parallles contenant la direction de laxe de lprouvette. La duret est mesurer en fonction de la distance de la surface qui lors de lessai Jominy a t refroidie leau.

5.3 Installations mises disposition - 4 fours lectriques - Dispositif de trempe Jominy, bac de trempe l'eau et l'huile - Machine de duret (HV)

6. Rsultats remettre avec le rapport

- Duret des pastilles aprs les diffrents traitements thermiques - Duret en fonction de %C - Effet des lments d'alliages - Courbe de duret en fonction de la profondeur x pour l'essai Jominy.

7. Bibliographie

J.Philibert, A.Vignes, Y. Brchet et P. Commrade, Mtallurgie du minerai au matriau Masson 1998 Paris, p. 717 M. Massin, "Mtallurgie Pratique pour Mcaniciens", tome 1, Pyc dition 1982, p 87-162. H-J. Bargel und G. Schultze (ed.), Werkstoffkunde, Springer Verlag 2000