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Traitement thermique

Le traitement thermique d'une pièce consiste à lui faire subir des transformations de structure grâce à des cycles prédéterminés de chauffage et de refroidissement afin d'en améliorer les caractéristiques mécaniques : dureté, ductilité, limite d'élasticité, ...

Ce procédé est souvent couplé avec l'emploi d'une atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) contrôlée lors de la mise en température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations...) de la pièce, soit pour éviter son oxydation, soit pour effectuer un apport moléculaire à sa surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière...).

Les traitements thermiques jouent également un rôle important dans le domaine de la tribologie, voir le chapitre spécialisé du Wikilivre consacré à ce sujet (lien).

La trempe (La trempe ou trempage est un traitement thermique consistant en un refroidissement rapide d'un matériau pour obtenir des propriétés mécaniques...)

La trempe s'effectue après une mise en solution de certains composés : Il s'agit de maintenir le matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) à tremper à une température suffisante et suffisamment longtemps. On plonge ensuite la pièce dans un liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) (bain d'huile (L'huile est un terme générique désignant des matières grasses qui sont à l'état liquide à température ambiante et qui ne se mélangent pas à l'eau, mais, est cependant plus...), eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et de numéro atomique 82. Le mot et le symbole viennent du latin plumbum.) fondu, etc ) ou on le refroidit avec un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume...) (azote, air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des...), etc).

Dans le cas des aciers, le but est d'éviter la précipitation (En météorologie, le terme précipitation désigne des cristaux de glace ou des gouttelettes d'eau qui, ayant été soumis à des processus de condensation et d'agrégation à...) de certains composés et ainsi augmenter la dureté (Il existe différentes définitions de la dureté : pour un solide (minéral ou métal) et pour l'eau.) du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base...). Pour d'autres métaux, la trempe peut avoir l'effet inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un...), par exemple avec les alliages d'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse totale.) ou aciers inoxydables.

Cas des aciers

La trempe des aciers comporte un chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un matériau.) jusqu’au-delà de la température d’austénitisation, un maintien à cette température pendant un temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) déterminé et un refroidissement à une vitesse (On distingue :) déterminée. Dans ce procédé intervient la mise en solution de précipités qui ont, de manière générale, des dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une pièce de révolution.) trop importantes pour obtenir finalement un durcissement optimal. C’est ici que le procédé d’austénitisation joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à ouvrir et fermer la...) son rôle principal. Cette température doit être choisie de manière à assurer une bonne répartition des éléments d'alliage (Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments chimiques.), ce qui assure un durcissement homogène. C'est pour cela qu'il est important, lors de la conception de pièces destinées à être trempées, de veiller à avoir une forme homogène de la pièce, afin d'éviter des concentrations de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide,...) en certaines parties, qui peuvent poser problème lors du traitement thermique (Le traitement thermique d'une pièce consiste à lui faire subir des transformations de structure grâce à des cycles prédéterminés de chauffage et de...). Dans le domaine austénitique, le fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau...) a une structure cubique à faces centrées (fer γ) qui possède des sites interstitiels plus grands que dans la structure cubique centrée (fer α), ce qui permet au carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) de se dissoudre beaucoup mieux dans le fer γ que dans le fer α. Si on le soumet maintenant à un refroidissement lent et en équilibre, il y aura précipitation du carbone et on retournera à l’état initial avant l’austénitisation, chose qui ne nous intéresse pas car on n’aura pas obtenu le durcissement souhaité. Par contre, si le refroidissement se produit à une vitesse assez rapide (gouvernée par différentes variables qu’on abordera plus tard), la précipitation est empêchée et en conséquence la matrice de fer est contrainte par les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se...) de carbone. De cette façon, on obtient le durcissement. Ce traitement de trempe transforme l’austénite en martensite, qui présente une dureté proportionnelle à la teneur en carbone. De même, en fonction de la teneur en carbone du matériau, d'autres éléments peuvent apparaître, comme la bainite. En même temps, ce durcissement provoque aussi des effets indésirables comme par exemple une augmentation de la fragilité (La fragilité est l'état d'une substance qui se fracture lorsqu'on lui impose des contraintes mécaniques ou qu'on lui fait subir des...) du matériau (résilience). C’est pour cette raison qu'après la trempe martensitique, on effectue toujours un revenu (au minimum un revenu de détente aux environs de 200°C). Après une trempe bainitique (ou trempe isotherme), le revenu est inutile.

De nombreuses variables influencent la qualité et les propriétés mécaniques de l’acier (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction métallique (voir aussi l’article sur la...) trempé et elles sont toutes importantes à maîtriser:

  • la température de trempe
  • le temps de trempe
  • le taux de refroidissement (" cooling rate ")
  • la composition chimique du matériau

De plus, au cours de la trempe il apparaît certains problèmes qu’on doit éviter ou contrôler selon la qualité du produit final à obtenir. Au cours du chauffage la température n’est pas homogène dans la pièce (plus chaude sur la peau (La peau est un organe composé de plusieurs couches de tissus. Elle joue, entre autres, le rôle d'enveloppe protectrice du corps.) et plus froide au cœur). Ce gradient de température provoque des contraintes internes qui peuvent entraîner des déformations élastiques voire plastiques.

Pendant le refroidissement il existe aussi un gradient de température, mais de sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du ralentissement du...) contraire. La transformation allotropique dont nous avons parlé ci-dessus (fer γ => fer α) implique aussi une déformation. À ce moment on assiste à une contraction volumique importante. On doit prêter beaucoup d’attention à ce point (Graphie) parce que comme la déformation est importante, elle peut provoquer des fissures en surface de la pièce. La résistance à la compression n’est pas la même qu’à la traction et le risque de fissuration est donc différent. C’est pour cette raison que le risque est présent particulièrement pendant le chauffage (il engendre des efforts de traction à la surface), mais on doit aussi contrôler le refroidissement (il engendre des contractions à la surface). C’est le liquide de trempe (entre autres) qui détermine la vitesse de refroidissement.

Un autre type de problèmes possibles lors de la réalisation d’une trempe sont les réactions avec l’atmosphère. Si on met l’acier en contact avec l’air, il peut y avoir décarburation et formation de calamine. L’acier peut être exposé à ces conditions non seulement pendant le chauffage mais aussi pendant le refroidissement (l’air libre est aussi un milieu de trempe). En connaissant les avantages et inconvénients de la trempe à l’air, on peut décider s’il vaut mieux choisir un liquide de trempe qui ne présente pas ces effets et en assumer les coûts. Voici quelques arguments qui justifient l’importance que les liquides de trempe ont dans les procédés de refroidissement.

Cas des alliages d'aluminium

Les alliages d'aluminium, comme les aciers, voient leurs caractéristiques augmentées par un traitement thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et...).
En ce qui concerne les pièces de fonderie (La fonderie est l'un des procédés de formage des métaux qui consiste à couler un métal ou un alliage liquide dans un moule pour reproduire, après refroidissement, une pièce donnée (forme...), les deux grandes familles d'alliages sont les AS (Aluminium-Silicium) et les AU (Aluminium-Cuivre) pour lesquels le cycle de traitement thermique est différent.

  • Cas des AS : La trempe (température de mise en solution de l'ordre de 540°C, durée 5 à 12h, suivant l'alliage et la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la...) de la pièce), trempe à l'eau, est suivie d'un revenu (170°C environ) pendant 3 à 10h.
  • Cas des AU : La trempe, mise en solution à une température légèrement inférieure et toujours à l'eau est suivie d'une maturation de plusieurs jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par...) à température ambiante.

Dans tous les cas, les cycles précis sont donnés par des normes ou des spécifications particulières, en fonction de l'alliage.

La vitesse de refroidissement peut provoquer la formation de contraintes internes. On observe souvent une déformation des pièces lors de la trempe. Ce qui oblige à intercaler une opération appelée le redressage entre la trempe et le revenu (ou juste après la trempe dans le cas de certains AU). Cette opération, qui est réalisée sur un marbre en fonte, à l'aide de maillets, marteaux, masses ou même des presses pour les grandes pièces. Pour obtenir la bonne géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le...), l'opérateur (Le mot opérateur est employé dans les domaines :) utilise souvent un calibre de redressage ou des règles, équerres, vés, etc. Cette opération doit être effectuée le plus rapidement possible car au bout de quelques heures (L'heure est une unité de mesure  :), il y a risque de casse de la pièce à cause de la l'augmentation de la dureté provoqué par la maturation de l'alliage.

A titre d'exemple, sur un alliage AS7G06 (environ 7% de Silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.), 0,6% de Magnésium),

  • une pièce de fonderie non traitée aura pour caractéristiques mécaniques (environ)
    Rm ~210MPa, RP0.2 ~160MPa, A ~1% pour une dureté de l'ordre de 80HB (Alliage EN AC-42200 SF).
  • alors que le même alliage trempé-revenu donnera des résultats de l'ordre de
    Rm ~280MPa, RP0.2 ~250MPa, A ~2% pour une dureté supérieure à 95HB (aliage EN AC-42200 ST6).

(ces résultats sont des valeurs couramment observées et non des valeurs imposées par les normes).

Pour les alliages d'aluminium, la trempe a pour effet de diminuer la dureté au lieu de l'augmenter. Après trempe, par phénomène de maturation, les caractéristiques mécaniques augmentent naturellement à la température ambiante. Certains alliages pouvent atteindre leurs caractéristiques mécaniques d'usages. Ce phénomène est utilisé lors de la pose des rivets.

Voir l'article complet sur la trempe.

Le revenu

Le revenu se pratique après une trempe, par chauffage à une température inférieure à celle de la trempe. Il permet d'améliorer la résistance mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission,...) des pièces traitées en diminuant la dureté (en favorisant la dissolution de certains composés fragiles tels que les carbures) et les contraintes thermiques internes obtenues lors de la trempe. On chauffe à une température inférieure à celle d'austénitisation, puis on refroidit plus ou moins rapidement. Dans certains cas (alliages à durcissement structural) le revenu permet après trempe d'augmenter les caractéristiques mécaniques.

Le recuit

Le recuit se fait après un traitement mécanique, une opération de soudage, etc. afin de rendre plus homogène le matériau et lui rendre une partie de ses propriétés antérieures. On chauffe jusqu'à austénitisation totale de la pièce, puis on laisse refroidir lentement, ce qui lui fait retrouver ses anciennes propriétés.

Courbes de refroidissement

Pour aider les métallurgistes et concepteurs à la réalisation de pièces destinées à la trempe, il existe des abaques de refroidissement qui permettent de savoir en fonction de la teneur en carbone, du temps et du type de refroidissement (huile, eau...), de connaître les constituants métallographiques présent lors de la transformation, et une fois la pièce froide, ce qui permet de s'assurer que les caractéristiques obtenues correspondent à celles recherchées. Il existe deux types de courbes de refroidissement. Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) d'abord les courbes obtenues en refroidissement continu. Ensuite les courbes obtenues avec des paliers isothermes.

Les technologies de mise en température et de traitement

Les mises en température sont effectuées dans des fours le plus souvent à atmosphère contrôlée ou à bain de sel.

Les atmosphères contrôlées permettent soit de protéger le matériau , contre l'oxydation par exemple, soit d'apporter une couche supplémentaire au matériau (par exemple, du carbone ou de l'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote...) pour l'acier pour améliorer les caractéristiques mécaniques externes).

Les systèmes de fabrication d'atmosphère sont appelés générateurs qui peuvent être exothermiques ou endothermiques. Les générateurs exothermiques sont constitués de brûleurs qui appauvrissent en oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) l'atmosphère du four (Un four est une enceinte maçonnée ou un appareil, muni d'un système de chauffage puissant, qui transforme, par la chaleur les produits et...) et évitent ainsi l'oxydation du matériau. Les générateurs endothermiques sont des systèmes qui produisent des atmosphères actives (par exemple du monoxyde de carbone (Le monoxyde de carbone est un des oxydes du carbone. Sa formule brute s'écrit CO et sa formule semi-développée C=O ou –C≡O+, la molécule est...) fixant du carbone sur l'acier). Les risques liés à l'utilisation de ces techniques sont considérablement réduits par l'utilisation de fours à basse pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) (dits "fours à vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.)") qui nécessitent peu de quantités de gaz d'atmosphère.

Les fours à bain de sels permettent une autre technique d'apport de molécules actives en surface du matériau , par contact avec un liquide. Par exemple , les bains de cyanure (Les cyanures sont les composés de l'anion CN-, formé d'un atome de carbone lié par une liaison triple à un atome d'azote. L'ion CN- est la...) permettent d'apporter des atomes d'azote pour effectuer une nitruration. Les fours à basse pression remplacent avantageusement les bains de sels de ce type en permettant un apport d'azote sous forme gazeuse et en faible quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de...), ce qui est beaucoup moins dangereux que l'emploi du cyanureou autre.

Bibliographie

  • (fr) Ateliers de traitement thermique -Hygiène et sécurité -INRS (lien)
Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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Lundi 23 Octobre 2017 à 12:00:17 - Physique - 0 commentaire
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