Trempe
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Introduction

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 des métaux mais des verres sont obtenus par ce type de traitement. Le langage courant associe fréquemment trempe (La trempe ou trempage est un traitement thermique consistant en un refroidissement rapide d'un matériau pour obtenir des propriétés mécaniques...) et durcissement, mais cela n'est pas le cas général ; par exemple, 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...) s'adoucissent à la trempe.

Cette opération consiste à plonger un 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...) chaud dans un fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des fluides peu compressibles. Dans...) plus froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) afin de le doter de propriétés nouvelles. Elle est réalisée immédiatement après l'opération dite de mise en solution.

La trempe étagée est une trempe de thermoflexible à nitruration résiduelle. Elle a un refroidissement intérieur et extérieur identique.

On parle aussi de trempe pour qualifier le processus de solidification (La solidification est l'opération au cours de laquelle un liquide passe à l'état solide. Cela peut se faire par refroidissement (cas le plus courant), par augmentation...) brutale d'un magma en une roche (La roche, du latin populaire rocca, désigne tout matériau constitutif de l'écorce terrestre. Tout matériau entrant dans la composition du sous-sol est formé par un...), par exemple par exhumation rapide dans l'eau de mer (L'eau de mer est l'eau salée des mers et des océans de la Terre.) ou éruption volcanique. Les roches obtenues par trempe sont des roches volcaniques partiellement cristallisées, avec des textures typiques.

Principe de la trempe des métaux

La trempe est un refroidissement brutal de la pièce qui a pour objectif de figer la structure obtenue lors de la mise en solution. Dans certains cas, comme l'acier (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction métallique (voir aussi l’article sur la théorie du soudage de...), ce refroidissement s'accompagne d'une transformation allotropique.

La séquence de traitement est la suivante :

  • la mise en solution :
    • chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un matériau.) de la pièce jusqu'à une température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est...) suffisante (pour les aciers la température dite d'austénisation > 900 °C),
    • maintien en température pour homogénéisation et mise en solution solide des éléments d'alliage (Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments chimiques.),
  • la trempe : refroidissement rapide dans le fluide de refroidissement.

Fréquemment par extension de langage, la séquence « mise en solution + trempe » est appelée « trempe ».

Les fluides utilisés par ordre de vitesse (On distingue :) de refroidissement (de la plus élevée à la plus faible) sont :

  • l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) salée
  • l'eau,
  • l'eau additivée (polymère par exemple),
  • l'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...),
  • le brouillard (Le brouillard est le phénomène météorologique constitué d’un amas de fines gouttelettes ou de fins cristaux de glace,...) d'eau,
  • les 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 propre : un gaz tend à occuper tout le...) (air, argon, 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 désigne le gaz diatomique diazote N2, constituant...), etc.).

La vitesse de refroidissement est conditionnée par trois facteurs :

  • le transfert de chaleur (Un transfert de chaleur qu'il convient d'appeler transfert thermique ou transfert par chaleur est un transit d'énergie sous forme microscopie désordonnée.) dans le fluide de trempe ;
  • le transfert de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) à l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour pouvoir fonctionner correctement.) métal-fluide de trempe ;
  • le transfert de chaleur dans le métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques...).

La trempe peut être suivie d'un revenu, qui est un réchauffement de la pièce. Elle permet d'obtenir les caractéristiques mécaniques définitives de la pièce soit en les augmentant (cas des alliages sans transformation allotropique), soit en les diminuant et d'obtenir un alliage moins fragile (cas des alliages avec transformation allotropique). Certains aciers fortement alliés nécessitent deux voire minimum trois revenus.

Trempe sans transformation allotropique

Cas des alliages d'aluminium

Objectif et principes

Pour les alliages d'aluminium, la trempe a pour effet de diminuer la dureté (Il existe différentes définitions de la dureté : pour un solide (minéral ou métal) et pour l'eau.) au lieu de l'augmenter. Après trempe, par phénomène de maturation, les caractéristiques mécaniques augmentent naturellement à la température ambiante. Certains alliages peuvent atteindre leurs caractéristiques mécaniques d'usages. Ce phénomène est utilisé lors de la pose des rivets.

Le but de la trempe dans le cas des alliages d'aluminium est de maintenir à la température ambiante une solution solide sursaturée en éléments d'addition (L'addition est une opération élémentaire, permettant notamment de décrire la réunion de quantités ou l'adjonction de grandeurs extensives de même nature, comme les...). Cette solution solide est obtenue en effectuant une mise en solution des éléments constituant les précipités présents à la température ambiante. Après la trempe on obtient une solution solide sursaturée en éléments d'additions. À la température ambiante, cette solution est métastable. La trempe fige cet état de dissolution et également capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui passe au voisinage d'un astre, est retenu dans la gravisphère de ce dernier. La capture de l'objet...) les lacunes créées par l'effet de la température. Les éléments d'additions ainsi que les lacunes sont positionnés de manière aléatoire en substitution des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple...) d'aluminium aux nœuds du réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit...) cristallin de la matrice aluminium (cubique à faces centrées). Il n'y a pas de transformation allotropique. Une pièce en alliage d'aluminium brut de trempe (immédiatement après la trempe) a de très faibles caractéristiques mécaniques.

La trempe des alliages d'aluminium est effectuée sur les alliages dit à durcissement structural :

  • alliages pour corroyage : familles des 2000 (ancienne désignation : AU), 4000 (AS), 6000 (AGS) et 7000 (AZ) ;
  • alliages de fonderie : principalement les familles des 21000 (AU) et 40000 (AS).

La trempe est un élément de la séquence de traitement :

  • mise en solution,
  • trempe,
  • maturation (à température ambiante) ou revenu.

Dans la nomenclature des états métallurgiques des produits corroyés en alliage d'aluminium (norme EN 515), l'état mise en solution, brut de trempe est appelé W : mise en solution trempé.

Le cycle de 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...) est différent selon le typer d'alliage :

  • cas des alliages au silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) (AS) : la 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 ; la trempe se fait à l'eau et est suivie d'un revenu (170 °C environ) pendant 3 à 10 h ;
  • cas des alliages au cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses surfaces fraîches une teinte...) (AU) : la mise en solution à une température légèrement inférieure et la trempe, 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...) à température ambiante.

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

Si l'on prend l'exemple de l'alliage 2017 le but du traitement de mise en solution sera de dissoudre les 3,5% de cuivre contenu dans l'alliage.
Il faut donc amener le métal à une température supérieure à la température du solvus correspondant au diagramme de phase (Un diagramme de phase est une expression utilisée en thermodynamique (voir Phase) ; elle indique une représentation graphique, généralement à deux ou trois...) aluminium-cuivre (Tm sur le graphique).
Le température typiques de trempe est située entre 440 et 500°C.
Il faut veiller à ne pas utiliser une température trop élevée pour ne pas « brûler » le métal (fusion partielle).
En cas de brûlure, la pièce devient impropre à l'utilisation par perte de caractéristiques mécaniques et ne peut pas être retouchée.

Le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de maintien à cette température doit être suffisant pour obtenir cet état de solution.
La durée est dépendante 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.) de la pièce mais également de l'alliage :
1 minute ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au crayon,...) pour une tôle en 6061, 30 minute pour une tôle en 2024 (épaisseur : 1 mm).
Des durées de mise en solution plus importantes sont nécessaires pour 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...) (5 heures (L'heure est une unité de mesure  :) mini (MINI est une marque automobile de BMW Group. L'ancien modèle Mini était construit par MG Rover.) pour des pièces en 21000, 8 à 12 heures pour des pièces en 42200).

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 XVIIIe siècle, les figures d'autres types...), 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, 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.

À titre d'exemple, sur un alliage EN AC-42200 SF [AlSi7Mg0,6] (ancienne dénomination française A-S7G0,6, contenant environ 7 % de silicium et 0,6 % de magnésium) :

  • une pièce de fonderie non traitée aura pour caractéristiques mécaniques (environ)
    Rm210 MPa, Rp0,2160 MPa, A ≃ 1 % pour une dureté de l'ordre de 80 HB  ;
  • alors que le même alliage trempé-revenu (EN AC-42200 ST6) donnera des résultats de l'ordre de
    Rm280 MPa, Rp0,2250 MPa, A ≃ 2 % pour une dureté supérieure à 95 HB.

Ces résultats sont des valeurs couramment observées et non des valeurs imposées par les normes.

Quelques procédés de transformations (filage, laminage) permettent sous certaines conditions de réaliser la trempe immédiatement après la transformation.
C'est la trempe sur presse : La température obtenue par le préchauffage du métal et lors de la transformation est suffisante pour effectuer la mise en solution de la pièce.
La pièce est trempée immédiatement à la sortie de la presse ou du laminoir sans phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) de chauffage. Un cas analogue se présente en fonderie, principalement avec les alliages de la série 71000, c'est la « trempe au démoulage ».

Vitesse critique de trempe

Le résultat est obtenu uniquement si la vitesse de trempe (vitesse de refroidissement du métal) est supérieure à la vitesse critique de trempe. Dans le cas contraire, si la vitesse est insuffisante, on obtient la formation de précipités grossiers de taille et de forme ne permettant pas d'obtenir les caractéristiques mécaniques recherchées.

Cette vitesse critique de trempe est fonction de l'alliage (exemple : 18°C/s pour le 2017 et 100°C/s pour le 7075). Pour obtenir le bon résultat, il faut que la vitesse de trempe soit supérieure à la vitesse critique en tous points du volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) de la pièce trempée. Pour des pièces massives, la vitesse variera fortement entre le cœur de la pièce et sa périphérie (Le mot périphérie vient du grec peripheria qui signifie circonférence. Plus généralement la périphérie désigne une limite éloignée...). Ainsi dans certains cas, les caractéristiques mécaniques seront plus faibles dans la partie centrale de la pièce à l'issue du 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 des transferts de...).

D'un point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) pratique, il faut veiller à ce que le temps de transfert entre le 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 les objets. En cuisine, il permet de cuire des...) et le bac de trempe soit suffisamment court pour que la pièce n'atteigne pas une température trop faible avant d'être refroidie par le fluide de trempe. La vitesse de refroidissement à l'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,...) étant faible et dans la majorité des cas supérieure à la vitesse critique. Ce point est particulièrement vrai dans le cas de pièces minces.

Fluide de trempe

La trempe s'effectue par immersion dans l'eau, par pulvérisation (Le terme de pulvérisation a été introduit en 1975 par J. M. Steele dans sa thèse de doctorat, à l'université Stanford.) d'eau ou par soufflage d'air.

Le fluide le plus utilisé est l'eau froide (T<40°C). Dans certain cas, l'eau froide génère un refroidissement trop rapide (exemple : pièces de formes compliquées) et génère des contraintes internes préjudiciables à l'utilisation de la pièce (déformations, risque de corrosion sous contrainte ou même rupture de la pièce si les contraintes sont trop élevées). Dans ce cas, on peut utiliser de l'eau chaude (T>50°C) ou de l'huile. Dans certains cas assez rares, il est possible d'utiliser d'autres fluides comme des liquides à base de glycol pour minimiser la formation des contraintes internes. Il est possible également de relaxer les contraintes en effectuant un travail à froid immédiatement après la trempe (sur trempe fraiche). On peut ainsi étirer la pièce ou la comprimer.

Pour éviter la formation d'un film de vapeur () d'eau autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres...) de la pièce (phénomène de caléfaction) on peut revêtir la pièce d'un revêtement. Cette opération s'appelle le potéyage.

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