Trempe
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Trempe avec transformation allotropique

Le mécanisme de la trempe est lié aux changements de formes cristallines d'un métal en fonction de la température (les variétés allotropiques). Un métal est une forme cristalline au sein de laquelle des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il...) peuvent venir se loger (composé interstitiel). La solubilité de ces atomes dans la maille dépend de la structure de celle-ci et de sa taille. Une variation brusque de 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...) d'un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon l'Union...) dans lequel est dissout une grande 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...) d'un composant passant d'une maille munie de sites importants vers une maille plus serrée emprisonne ces atomes dans le nouveau cristal et crée une contrainte dans celle-ci.

Cas de l'acier (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction métallique (voir aussi l’article sur la théorie du...)

Transformations allotropiques du fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant...) pur
Trempe (La trempe ou trempage est un traitement thermique consistant en un refroidissement rapide d'un matériau pour obtenir des propriétés mécaniques particulières. On applique ce traitement majoritairement à...) d'un acier C45 (acier non allié à 0 45 % de carbone : mise en parallèle du diagramme (Un diagramme est une représentation visuelle simplifiée et structurée des concepts, des idées, des constructions, des relations, des données statistiques, de l'anatomie etc. employé...) fer-carbone (gauche) et des diagrammes de transformation (linéaires)

À basse température, l'acier est biphasé à l'état stable : il est composé de cristaux de fer avec du 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.) en solution solide (structure ferritique ou α), et de cristaux de carbures de fer Fe3C. L'acier présente une transformation allotropique : il est cubique centré à basse température (ferrite α), et cubique à faces centrées à haute température (structure austénitique ou γ). Cette température de transformation dépend de la teneur en carbone ; ceci est représente par la ligne A3 du diagramme binaire fer-carbone. La trempe des aciers comporte donc 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 le domaine austénitique, le fer 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 de se dissoudre beaucoup mieux dans le fer γ que dans le fer α. Les carbures Fe3C (cémentite et perlite) formés lors du refroidissement sont donc dissouts. Si on le soumet maintenant à un refroidissement lent et en équilibre, il y aura précipitation (En météorologie, le terme précipitation désigne des cristaux de glace ou des gouttelettes d'eau qui, ayant été soumis à des processus de...) de carbures 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), les atomes de carbone n'ont pas le temps de diffuser, la précipitation est empêchée ; en conséquence, lorsque les atomes de fer reprennent leur configuration α, la matrice de fer est contrainte par les atomes de carbone. De cette façon, on obtient le durcissement.

Ce traitement de trempe transforme l’austénite en martensite, qui présente une dureté (Il existe différentes définitions de la dureté : pour un solide (minéral ou métal) et pour l'eau.) proportionnelle à la teneur en carbone. De même, en fonction de la teneur en carbone 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 sélectionnée en...) et de la vitesse de reforidissement, d'autres phases peuvent apparaître, comme la bainite.

Les paramètres principaux d'une trempe sont le taux de composants étrangers dissous dans le cristal, la vitesse de traversée de la zone de changement de variété allotropique ainsi que les proportions de certains additifs. Cette vitesse va déterminer quelle proportion de composant intrus va avoir le temps de migrer à l'extérieur du cristal sous l'effet des contraintes.

Pour les aciers, la zone de températures de 600 à 800 °C doit être franchie sans arrêt sinon une forme spécifique du métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des métaux alcalins. Les...) pourrait se former. Si le passage de la zone de recristallisation est trop lent, celle-ci suit à l'intérieur de chaque grain (En météorologie maritime: Un grain est un vent violent et de peu de durée qui s'élève soudainement et qui est généralement accompagné de précipitations. Il se produit généralement au passage d'une ligne d'orages. Voir...) des lignes de potentiels énergétiques correspondant à des plans dont la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le...) est liée aux plans de compacité maximale du cristal, créant des particularités non anisotropes et rendant la pièce fragile (structure de Widmanstätten).

Dans le cas de certains aciers, si la vitesse de trempe est très élevée (hypertrempe), on parvient à conserver la structure austénitique à température ambiante (austénite métastable). C'est le cas en particulier les aciers inoxydables de type X2CrNi8-10 (304L), X5CrNi8-10 (304), X2CrNiMo17-12-2 (316L) et X5CrNiMo17-12-2 (316).

Dans ce procédé intervient également la mise en solution de précipités d'éléments d'alliage (Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments chimiques.) 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...) 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 bouche et...) son rôle principal. Cette température doit être choisie de manière à assurer une bonne répartition des éléments d'alliage, 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, l'état liquide, l'état gazeux....) 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 refroidissement afin d'en améliorer les caractéristiques mécaniques : dureté,...).

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 (diminuiton de la 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 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....) 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 (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est...) 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 (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) 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. Pour éviter les problèmes de décarburation il est possible de traiter certains aciers alliés dans des fours sous vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.).

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