Traitement thermique - Définition

Introduction

En métallurgie, 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 contrôlée lors de la mise en température de la pièce, soit pour éviter son oxydation, soit pour effectuer un apport moléculaire à sa surface.

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

Généralités

Solution solide de substitution (haut) et d'insertion (bas) dans un cristal.

Dans les métaux, les atomes sont organisés sous la forme de cristaux : ils forment une structure ordonnée. Des atomes étrangers — impuretés, éléments d'alliage — peuvent s'introduire dans ce réseau, soit en substitution des atomes « de base », soit en insertion, c'est la notion de solution solide.

Par ailleurs, il peut y avoir des cristaux de plusieurs types, comme des sortes d'inclusion, à l'image d'un nougat. Les cristaux minoritaires sont appelés « précipités ».

Avec l'élévation de la température, les atomes du cristal s'agitent autour de leur position et s'écartent les uns des autres, provoquant la dilatation. Cela a plusieurs conséquences :

• l'espace entre les atomes augmente, ce qui permet d'accueillir plus d'atomes en solution d'insertion, et des atomes plus gros ;
• par conséquent, on peut avoir une dissolution des précipités : les atomes de ces cristaux passent en solution solide ;
• les atomes s'agitant, ils deviennent mobiles et peuvent se déplacer dans le cristal, phénomène appelé diffusion ;
• dans certains cas, les atomes du cristal se réorganisent, on parle d'allotropie.

Ce sont ces mécanismes qui entrent en jeu lors des traitements thermiques.

Cas des matériaux ductiles

Un matériau ductile est un matériau pouvant se déformer plastiquement ; ceci est utilisé pour la mise en forme (laminage, tréfilage, forgeage, …). Cette déformation provoque des défauts d'organisation des atomes dans le cristal, ce qui durcit la matière : ce phénomène est l'écrouissage.

Si l'on chauffe de manière modérée le métal, on donne de la mobilité aux atomes, ils se réorganisent et éliminent les défaut d'organisation. On adoucit ainsi la matière. Ce procédé est appelé recuit.

Cas des précipités

Les précipités on pour effet de durcir la matière, ce que l'on nomme le durcissement structural. Lorsque l'on chauffe suffisamment le métal, les précipités se dissolvent, cette phase est appelée « mise en solution ». Si l'on laisse le métal se refroidir lentement, les précipités se reforment. Par contre, si l'on refroidit rapidement — trempe —, alors les atomes n'ont pas le temps de bouger pour reformer les précipités, ils restent en solution. Une fois à température ambiante, les atomes n'ont plus assez de mobilité pour former les précipités.

Si l'on chauffe modérément le métal, on redonne de la mobilité aux atomes et l'on forme des précipités. Ce procédé, appelé maturation, est utilisé pour les alliages d'aluminium et pour les aciers à haute limite élastique.

Cas des transformations allotropiques

Pour certains métaux, l'organisation des atomes change au dessus d'une certaine température. Si l'on refroidit rapidement par une trempe, alors les atomes n'ont pas le temps de bouger pour reprendre leur structure à basse température. Cela peut produire des effets divers selon l'alliage. On peut jouer sur la vitesse de refroidissement pour laisser les atomes se réorganiser partiellement.