LA TREMPE

 

 

 

 

 

 

 

 

            Tout chauffage au-dessus de A3, suivi d’un refroidissement rapide est défini comme une trempe. Il importe que la vitesse de refroidissement soit supérieure à la vitesse de trempe critique de l’alliage, de telle sorte que la formation de perlite ou de constituants intermédiaires soit évitée et que la martensite apparaisse.

 

            Sur le diagramme d’équilibre Fer – Fe3C ( domaine des aciers ) :

 

-          A1 : lieu des températures définissant la limite inférieure du domaine d’existence de l’austénite.

-          A2 : lieu des températures définissant la perte des propriétés magnétiques ( point de CURIE ).

-          A3 : lieu des températures d’équilibre définissant la limite supérieure du domaine d’existence de la ferrite.

-          Acm : lieu des températures d’équilibre définissant la limite supérieure du domaine d’existence de la cémentite dans un acier hypereutectique.

 

Le cycle thermique de la trempe sera caractéristique de la dureté finale recherchée.

Le chauffage, ou mise en solution solide de certains éléments (carbone pour l’acier) conduira à une phase stable à haute température.

Le degré de dureté envisagé fera recourir à différentes méthodes de refroidissement :

 

-          Réglage de la vitesse ( choix du milieu de refroidissement ).

-          Revenu de la martensite ( constituant de la trempe ).

-          Trempe isotherme ( en choisissant correctement la température de traitement ).

 

En fait, aux lois de refroidissement, viennent s’ajouter deux autres facteurs de trempe importants :

 

-          la température de chauffage

-          la composition chimique de l’acier

 

Tous ces éléments devront être parfaitement définis pour établir une gamme de traitement de trempe.

 

1)      Bain de trempe :

 

La vitesse de refroidissement dépend principalement, pour une pièce déterminée de :

 

-          La chaleur spécifique et la conductibilité thermique de l’acier.

-          La masse, la forme et l’état de surface de la pièce.

-          Le pouvoir refroidissant du bain.

 

Le choix du milieu de refroidissement va revêtir une importance essentielle dans la définition de la vitesse de refroidissement.

( Chaleur spécifique, conductibilité, masse, forme et état de surface de la pièce sont imposés ).

Le pouvoir refroidissant d’un bain de trempe est une propriété très complexe, faisant intervenir différents facteurs physiques comme :

 

·         la chaleur spécifique

·         la viscosité

·         la conductibilité thermique du bain

·         la chaleur de vaporisation

·         la chaleur de décomposition

·         la formation des couches isolantes gazeuses……etc.

 

Les milieux de trempe les plus employés, par ordre de pouvoir refroidissant décroissant sont :

 

·         l’eau froide ( tiède, chaude, bouillante )

·         les solutions aqueuses ( eau salée )

·         l’huile

·         l’air soufflé

·         l’air calme

·         les bains de sels ou de métaux fondus

·         les bains de sable ( refroidissement plus progressif )

 

La neutralisation des effets de ségrégations mineures s’obtient en maintenant le métal dans le domaine austénitique à une température aussi élevée que possible de façon à accélérer la diffusion des éléments en présence. ( Plus la température est élevée, plus la diffusion (vitesse) devient importante. Inconvénient : grossissement du grain austénitique ).

 

Pour chaque nuance d’acier, il faudra choisir un compromis entre ces deux impératifs. Dans la majorité des cas, deux considérations interviennent :

 

-          La température de chauffage ne doit pas approcher le solidus, car il y aurait fusion partielle, notamment au joint des grains. ( alliage brûlé ).

-          Le chauffage à température trop élevée entraîne la surchauffe du grain, ce qui est nuisible à tous égards.

 

2)      La trempabilité :

 

La vitesse de refroidissement est maximale à la surface de la pièce et diminue vers le cœur.

Le constituant de trempe MARTENSITE ne se forme que dans les zones où la vitesse critique de trempe est dépassée.

Dans les aciers au carbone non alliés, la vitesse critique est si grande qu’elle n’est dépassée que dans les couches très superficielles minces et dans le cas de la trempe à l’eau. La propagation du refroidissement vers l’intérieur dépend du rapport de la masse à la surface.

Ainsi la trempe à cœur est très rarement obtenue dans le cas d’aciers au carbone d’où la nécessité de faire intervenir les éléments d’addition modifiant favorablement la pénétration de la trempe, et la vitesse critique de trempe de l’alliage.

Vu le nombre de facteurs déterminant la trempabilité, la méthode expérimentale utilisée est la méthode de JOMINY.

 

3)      L’essai JOMINY :

 

L’éprouvette prise dans une ébauche de 32 mm de diamètre est constituée par un barreau cylindrique de 25 mm de diamètre et 100 mm de long.

L’éprouvette subit un traitement de normalisation à A3 + 75°C pendant 30 minutes ; cette opération doit se faire en évitant la décarburation.

A la sortie du four, l’éprouvette est placée le plus rapidement possible dans le support prévu à cet effet en face de l’arrivée d’eau.

Le jet d’eau vient frapper l’éprouvette en bout sur sa face inférieure, l’arrosage est poursuivi jusqu’à refroidissement complet.

 


Après avoir réalisé deux méplats de 0,4 mm de profondeur le long de deux génératrices, on fait une série de mesures HRC dans l’axe du méplat.

On trace ensuite la courbe dureté / distance à la face trempée, appelée courbe JOMINY ou courbe de trempabilité.

 

 

4)      Différents types de trempe :

 

Suivant la loi de refroidissement envisagée et la structure visée, la trempe peut présenter différents processus :

 

 

APPLICATIONS DES COURBES T.T.T. AUX TRAITEMENTS THERMIQUES DE L’ACIER

 

4-1 La trempe martensitique :

 

Cette trempe consiste à porter la pièce en solution solide austénitique puis à la refroidir de telle sorte qu’elle subisse un changement total de phase accompagné d’un accroissement sensible de la dureté ( qui sera fonction de la teneur en carbone )

 

Le refroidissement peut être continu jusqu’à une température inférieure à MF ( température à laquelle la transformation de l’austénite en martensite est pratiquement complète au refroidissement ). Le refroidissement doit être assez rapide pour éviter les zones de transformation perlitiques et bainitiques de l’austénite.

C’est ce traitement qui est généralement désigné comme TREMPE sans autres précisions.

 

Martensite : Solution solide d’insertion en saturation de carbone dans la maille du fer. On la désigne par solution solide du fait que la structure cubique centrée du fer est déformée.

En réalité la maille est quadratique à déformation en fonction du % de carbone.

La Martensite est très dure et très fragile, cette fragilité sera atténuée par un traitement ultérieur d’amélioration ou REVENU.

 

Le refroidissement peut être discontinu ( trempe différée, étagée ou encore interrompue ), le refroidissement s’opère en deux temps avec maintien isotherme par palier entre ces deux phases de refroidissement. Il convient d’éviter tout début de transformation de l’austénite au cours de ce palier dont la température sera fixée en fonction des indications fournies par les courbes de refroidissement continu de l’acier en cause.

 

Cette température est supérieure environ de 20 à 30°C par rapport à MS ( température à laquelle la transformation d’austénite en Martensite commence au refroidissement ).

La durée de maintien doit être suffisante pour atteindre au plus prés l’équilibre thermique de la pièce.

On refroidit ensuite dans des conditions telles que la transformation martensitique soit aussi complète que possible ( il reste en fait toujours un peu d’austénite résiduelle )

Ce refroidissement discontinu présente l’avantage de provoquer la formation de martensite dans l’ensemble de la pièce amenée à une température homogène très voisine de MS ( limitation de risques de tapures et de déformations )

 

4-2 La trempe bainitique :

 

Transition entre Perlite et Martensite ( transformation bainitique ).

Le but de cette trempe est d’obtenir une structure à prédominance de bainite mais avec présence de martensite en proportion variable.

Le chauffage se fait dans les mêmes conditions que précédemment.

Le refroidissement doit être assez rapide pour éviter la transformation perlitique mais à la limite de la zone bainitique du diagramme.

Le refroidissement peut prendre deux allures :

-          Un refroidissement puis un maintien à température constante dans le domaine bainitique, puis refroidissement quelconque jusqu’à la température ambiante.

-          Un refroidissement ralenti par la traversée.

 

Transformation bainitique :

 

La bainite se forme dans les aciers au cours de transformations isothermes à des températures inférieures à celles qui correspondent au domaine perlitique. On admet que le mécanisme de la transformation et de la germination de la bainite se fait par le fer α.

Cette ferrite se formerait par un cisaillement du réseau de l’austénite accompagné d’une diffusion à courte distance permettant une redistribution du carbone. Les cristaux de ferrite se développent dans la matrice austénitique suivant des directions préférentielles bien définies qui sont celles des plans octaédriques du réseau CFC.

Les structures bainitiques très fines sont très recherchées pour leurs propriétés mécaniques, la bainite des aciers présente une résistance mécanique excellente, alliée à une bonne ductilité.

 

4-3 La trempe austénitique ( ou hypertrempe ) :

 

Ce traitement à pour but de maintenir l’austénite jusqu’à la température ambiante, aucune transformation ne se produisant durant le refroidissement.

Ceci implique que le point MS soit rejeté au-dessous de la température ambiante grâce à l’action des teneurs élevées en éléments d’alliages.

 

4-4 Cas particuliers de trempe :

 

Il à été vu jusqu’à présent la trempe des pièces dans leur intégralité, mais en mécanique, il est parfois intéressant de ne durcir que certains points d’une pièce.

 

LIMITES DE LA TREMPE ETAGEE :

 

Pour que la trempe étagée soit possible, il faut que la courbe TTT de l’acier étudié le permette, c’est à dire que les temps d’incubation les plus courts soient suffisants pour que la courbe Vr ne coupe pas la courbe de début de transformation.

 

5)      Les courbes de transformation :

 

Courbes de transformations en refroidissement isotherme :

 

Lors du refroidissement par trempe, la transformation de l’austénite s’opère graduellement, rapidement au début, puis lentement pour tendre ensuite vers 0.

Cette décomposition isotherme passe par un point de début de transformation et un point de fin de transformation. Selon la température à laquelle s’opère cette transformation, la structure variera de la perlite à la martensite, en passant par le constituant intermédiaire bainite, avec bien entendu toutes les nuances transitoires entre les deux structures extrêmes.

Le lieu géographique des points de début de transformation et le lieu géométrique des points de fin de transformation aux différentes températures forment deux courbes sinueuses caractéristiques dites courbes en « S ».

L’ensemble des courbes en S ( la courbe bainitique et la courbe perlitique ) correspondant à toute la gamme des températures est ensuite transformé en un diagramme unique : le diagramme TTT ( temps- température- transformation ).

 

Figure A

 

            Principe de construction des courbes TTT,avec maintien isotherme fixant les points de débuts de transformation (a) pour la courbe perlitique et ( b ) pour la courbe bainitique et de fin de transformation (a’) et (b’).En outre, on remarque l’existence de deux autres courbes superposées ( perlitique et bainitique ).

 

Ainsi on obtient des courbes TTT donnant les indications suivantes :

 

-          Le temps au bout duquel commence la transformation

-          Le temps au bout duquel elle finit

-          Le temps au bout duquel la transformation atteint un taux donné.

-          Souvent la dureté correspondant aux constituants en présence à la fin de la transformation.

 

La courbe d’un acier au carbone à généralement la forme d’un C.

 

La position de la courbe TTT donne une idée de la trempabilité de l’acier. Celle ci étant d’autant plus grande que la courbe TTT est située plus à droite du diagramme.

Donc la vitesse de refroidissement doit être d’autant plus élevée que la courbe TTT est située plus à gauche.

 

Figure B

Courbes TTT de la transformation perlitique et domaine de transformation martensitique pour un acier eutectoïde à 0,80% de carbone.

 

 

Courbes TTT de l’acier 45 M 5 austénitisé à 875°C durant 30 min ( Grain AFNOR 11 à 12 )

 

Courbes TTT de l’acier XC42 austénitisé à 850°C pendant 30min ( Grain AFNOR 9 à 10 ).