Les bases du traitement thermique de l’acier et de la fonte
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Le traitement thermique regroupe un ensemble d’activités visant à modifier la structure d’un alliage à l’état solide, afin de bénéficier de propriétés mécaniques, physiques ou chimiques souhaitées. En pratique, cela signifie que nous n’« améliorons » pas le métal en simplement le chauffant, mais en veillant à ce qu’une courbe de température correctement planifiée dans le temps déclenche des changements structurels, notamment… formation de nouvelles phases, décomposition de phases instables, modification de la taille des grains, ainsi que séparation des carbures ou l’élimination des contraintes internes. Le traitement thermique comprend à la fois des processus simples, impliquant le chauffage et le refroidissement, ainsi que des processus plus complexes combinés à une interaction chimique avec l’environnement, une déformation plastique ou un champ magnétique.
L’importance du traitement thermique est particulièrement évidente dans le cas de l’acier et de la fonte. Le fer est un matériau de base courant. Il est bon marché ainsi que facile à traiter, mais c’est la possibilité de contrôler sa structure qui rend les applications de l’acier si variées. L’existence de variétés allotropiques de fer joue ici un rôle clé. En effet, différentes variétés de structure cristalline sont stables à différentes températures, ce qui permet de produire et de « figer » certaines microstructures en fonction de la vitesse à laquelle nous refroidissons le matériau et de la réalisation ou non d’un recuit supplémentaire. C’est pourquoi l’acier peut être utilisé comme matériau pour les ressorts, les outils de coupe, certains composants de machines et autres structures porteuses. Les différences de comportement résultent moins de la « composition elle-même » que de la microstructure obtenue lors du traitement thermique.
L’industrie moderne impose aux matériaux des exigences toujours plus strictes, ce qui stimule le développement de méthodes de traitement thermique et renforce le contrôle qualité. Même des erreurs mineures (température de trempe trop élevée, temps de chauffage trop court, refroidissement inadéquat) peuvent entraîner l’apparition de structures indésirables (par exemple, un grain trop grossier) et, par conséquent, nuire aux propriétés fonctionnelles du produit. Le traitement thermique n’est donc pas un « ajout » simple à une technologie de fabrication, mais l’une de ses étapes primordiales.
La relation entre les systèmes d’équilibre de phase et le traitement thermique
Les systèmes d’équilibre de phase décrivent lesquelles sont stables, dans des conditions de température et de composition données, mais ils le font en supposant des transformations très lentes, c’est-à-dire celles dans lesquelles le temps ne limite aucunement la diffusion et où le système a la possibilité d’atteindre l’équilibre. Pour cette raison, le diagramme d’équilibre lui-même ne tient pas compte de l’effet des vitesses de chauffage et de refroidissement. Néanmoins, les systèmes d’équilibre constituent la base de la planification du traitement thermique, car ceux-ci indiquent quelles transformations sont possibles et dans quelles plages de température ces dernières peuvent être attendues.
Cette distinction propose un aspect très pratique. Si un alliage ne présente pas de transformations à l’état solide (il n’y a aucune zone sur le diagramme où une phase différente ou bien un mélange de phases apparaît à l’état solide), alors un tel alliage n’est essentiellement pas traitable thermiquement au sens classique du terme, car il ne dispose d’aucun « mécanisme » permettant de modifier sa structure. La situation est différente dans les systèmes où la solubilité d’un composant à l’état solide dépend de la température. Dans ce cas, il est possible d’avoir une solution sursaturée, en refroidissant rapidement à partir d’une température à laquelle la solubilité est élevée, puis en forçant la précipitation pendant le réchauffage. Ce schéma conduit à un changement délibéré de la structure et des propriétés.
Une autre situation se produit dans les alliages subissant des transformations allotropiques à l’état solide. À haute température, une phase est stable (par exemple, une solution solide avec un réseau cristallin différent) et, après avoir dépassé les températures critiques, le système a tendance à former un mélange d’autres phases. La vitesse à laquelle nous traversons la plage de transformation revêt alors une importance fondamentale, car avec un refroidissement lent, la diffusion suit le rythme et des structures d’équilibre se forment, tandis qu’avec un refroidissement rapide, des structures de non-équilibre, telles que la martensite, sont possibles.
Pour l’acier, l’élément clé du système d’équilibre est le fer-cémentite (Fe–Fe₃C) jusqu’à environ 2,11 % de carbone, ce qui correspond à la plage pertinente pour l’acier. C’est ce qui donne tout son sens à l’austénitisation (chauffage jusqu’à la plage austénitique) et au fait que, pendant le refroidissement, l’austénite peut se transformer en différentes structures, en fonction de la vitesse de refroidissement. Le système d’équilibre nous indique « ce qui est possible » et « où se situent les températures critiques », tandis que la cinétique des transformations (temps et refroidissement) détermine « ce que nous obtenons réellement ».
Chauffage, trempage et refroidissement
Chaque processus de traitement thermique peut être considéré comme un scénario d’évolution de la température dans le temps, dans lequel nous distinguons trois étapes principales : le chauffage, la stabilisation et le refroidissement. Le chauffage consiste à élever la température jusqu’à la valeur spécifiée pour un processus donné. Nous utilisons fréquemment un chauffage progressif. D’abord, un chauffage à une température plus basse, puis un chauffage supplémentaire jusqu’à la température correcte. Cette division n’est pas artificielle et elle est importante sur le plan technologique, car elle limite les gradients de température à travers la section transversale de l’élément et réduit le risque de fissures ou de contraintes excessives.
Le vieillissement consiste à maintenir la température au niveau souhaité durant le temps nécessaire de manière à égaliser la température sur toute la section transversale et pour que les changements souhaités se produisent. En pratique, le recuit a un double objectif… D’une part, l’élément doit « atteindre » la température thermiquement (sinon la surface et le cœur seront dans des états différents) et, d’autre part, de nombreuses transformations, en particulier la diffusion, nécessitent du temps pour homogénéiser la composition de phase ou dissoudre certains composants (nous pensons aux carbures).
Le refroidissement consiste à abaisser la température jusqu’à la température ambiante ou jusqu’à une valeur intermédiaire spécifique. Le refroidissement lent, dans un four ou à l’air calme, est appelé recuit, tandis que le refroidissement rapide dans l’eau ou l’huile est appelé trempe. Le refroidissement progressif est également courant, où nous observons un sous-refroidissement à une température supérieure à la température finale et un surrefroidissement à la température finale. Cette méthode de contrôle est parfois nécessaire lorsque nous souhaitons passer plus lentement (pour permettre la diffusion) ou plus rapidement, pour éviter les transformations de diffusion perlitiques et arriver à de la martensite, par certaines plages de température.
Étant donné que l’essence du traitement thermique réside dans la relation entre la température et le temps, il est décrit par la courbe t = f(τ). En pratique, nous parlons des vitesses moyennes de chauffage et de refroidissement, mais la vitesse instantanée réelle est tout aussi importante, car elle détermine la rapidité avec laquelle nous traversons les plages de température critiques. Pour cette raison, deux processus ayant des « durées totales similaires » peuvent produire des résultats différents s’ils diffèrent dans le processus de refroidissement dans les plages critiques.
Classification des traitements thermiques
La division du traitement thermique n’est pas purement « encyclopédique ». Effectivement, elle résulte des outils que nous utilisons pour modifier les propriétés. Dans le traitement thermique conventionnel, les caractéristiques souhaitées sont obtenues en modifiant la structure, sans changer la composition chimique. Cela inclut les processus classiques tels que le recuit, la trempe et le revenu, mais aussi la sursaturation et le vieillissement, dans lesquels le mécanisme consiste à arriver à une solution sursaturée puis à la précipiter.
Dans le traitement thermique chimique, outre la température, un environnement chimique est utilisé pour saturer la surface avec des éléments tels que le carbone ou encore l’azote. Il en résulte une modification de la composition de la couche superficielle induisant donc une modification de la structure et des propriétés, en particulier de la résistance à l’usure ou bien à la fatigue. Il s’agit là d’une importante distinction, qui est que dans le traitement thermique ordinaire, nous « travaillons » sur ce qui se trouve déjà dans l’alliage, tandis que dans le traitement thermochimique, nous apportons un composant supplémentaire.
Le traitement thermoplastique, quant à lui, combine la température et la déformation plastique, ce qui permet d’influencer la structure de manière plus complexe, pour citer un exemple, par affinage du grain et par renforcement mécanique. Le traitement thermomagnétique utilise un champ magnétique pour bénéficier de propriétés physiques spécifiques. Dans le contexte de l’acier et des principes de base du traitement thermique, l’accent reste toutefois mis sur le traitement thermique conventionnel, car il est directement lié à la transformation de l’austénite et à ses produits de décomposition.
Transformations pendant le chauffage
Dans le traitement thermique de l’acier, la phase de chauffage ne se limite pas à « chauffer l’élément ». Son objectif recherché est de bénéficier d’une structure austénitique, car l’austénite est le point de départ de nombreuses structures ultérieures après refroidissement. Après avoir atteint la température critique A₁ (environ 727 °C), une transformation fondamentale se produit alors. La perlite se transforme en austénite. Le processus de chauffage ultérieur dépend du fait que l’acier soit hypoeutectoïde, eutectoïde ou hypereutectoïde. Dans les aciers hypoeutectoïdes, après la formation d’austénite à partir de la perlite, à mesure que le chauffage se poursuit, la ferrite restante se transforme également en austénite et le processus se termine à la température Ac₃. Dans les aciers hypereutectoïdes, après la transformation de la perlite en austénite, la cémentite secondaire se dissout dans l’austénite et le processus se poursuit jusqu’à la température Ac_cm. Dans les deux cas, l’objectif est de bénéficier d’une austénite aussi homogène que possible.
La transformation de la perlite en austénite présente elle-même une structure de processus « interne » distincte. Elle commence par la formation de noyaux d’austénite, aux limites de la ferrite et de la cémentite, puis les noyaux se développent, remplissant les grains de perlite. Dans le même temps, la cémentite se dissout dans l’austénite. Il est important de noter que la transformation allotropique du fer se produit plus rapidement que la dissolution complète des carbures, de sorte qu’à un certain moment, nous pouvons avoir de l’austénite qui contient encore des résidus de carbure et qui est également chimiquement hétérogène. Ce n’est qu’avec le temps que l’homogénéisation se produit par diffusion du carbone. En conséquence, le matériau distingue plusieurs étapes qui sont…
la formation d’austénite hétérogène,
la dissolution des résidus de carbure et enfin,
l’homogénéisation complète.
La vitesse de chauffage est également très importante. Dans des conditions de chauffage très lent, la transformation commence à environ 727 °C, mais avec un chauffage plus rapide, elle se déplace vers des températures plus élevées. Cela signifie qu’en pratique, il ne suffit pas de connaître les températures critiques dites « théoriques ». Il faut tenir compte du fait que la plage réelle de transformation dépend de la cinétique et de la microstructure initiale. La vitesse d’austénitisation est également influencée par la dispersion de la perlite et la forme de la cémentite, ainsi que par la composition chimique de l’acier, y compris les additifs d’alliage.
Granulométrie dans l’acier
Dans l’acier, nous distinguons le grain primaire (après solidification) et le grain secondaire, c’est-à-dire le grain réel, dernier grain d’austénite formé à la suite d’un traitement thermique et plastique. Ce grain réel est déterminant pour les propriétés, en particulier la résistance aux chocs. Un matériau présentant une structure à gros grains, après refroidissement, a tendance à être cassant et à avoir une faible résistance aux chocs. C’est pourquoi la technologie cherche à atteindre un grain austénitique fin et à ensuite « transférer » cette taille fine de grain à la structure, après refroidissement.
Il convient de noter le mécanisme des changements granulaires durant le chauffage. La transformation de la perlite en austénite favorise en soi la fragmentation, mais un recuit supplémentaire à haute température provoque la croissance des grains d’austénite, car le métal tend à réduire l’énergie des joints de grains. Plus la température de chauffage est élevée et plus le temps de recuit est long, plus la croissance des grains est importante. Cela explique pourquoi « trop chaud et trop longtemps » peut être destructeur. Même si nous obtenons une austénite complète, celle-ci peut devenir à gros grains, ce qui nuit à la résistance à la fracture.
Dans ce contexte, le concept de « surchauffe » apparaît, c’est-à-dire la tendance des grains d’austénite à croître sous l’influence de la température et du temps. En pratique, les aciers à grains fins et à grains grossiers ne sont pas désignés en fonction de « la nature de leur grain », mais en fonction de « la facilité avec laquelle ce grain croît pendant l’austénitisation ». Un acier nominalement à grains fins peut présenter des grains grossiers s’il a été surchauffé. Et à l’inverse, un acier ayant une plus grande tendance à croître peut produire des grains fins à la bonne température. Ceci est important car cela incite à la plus grande prudence, car le nom de l’acier ne dispense pas de contrôler la température et le temps !
Nous devons également indiquer le rôle des additifs, tel que l’aluminium, qui peuvent inhiber la croissance des grains en formant des oxydes ou des nitrures. D’un point de vue technologique, cela se traduit par une plus grande tolérance au processus. Ainsi, les aciers moins sujets à la surchauffe ont une plage de température de trempe plus large et présentent un risque moindre quant à la détérioration de la résistance aux chocs, due à une surchauffe accidentelle.
Cinétique de transformation de l’austénite
Après l’austénitisation, la question clé est la suivante… Que devient l’austénite durant le refroidissement ?
Eh bien, en dessous de 727 °C, l’austénite devient une phase instable et tend à se transformer en structures à plus faible énergie libre, telles que la perlite. Cependant, le déroulement de la transformation dépend de deux facteurs opposés. D’une part, un surrefroidissement plus important augmente la « force motrice » thermodynamique de la transformation, tandis que d’autre part, l’abaissement de la température ralentit la diffusion, sans laquelle les transformations perlitiques ne peuvent se dérouler efficacement. En conséquence, la vitesse de transformation augmente jusqu’à un certain maximum (environ 550 °C), puis diminue avec une nouvelle baisse de température, jusqu’à une plage où la diffusion est pratiquement « gelée » et dans laquelle des transformations non diffusives se produisent.
Pour décrire cela de manière quantitative et claire, nous utilisons des diagrammes de transformation de l’austénite. Dans des conditions isothermes, lorsque l’austénite refroidit rapidement jusqu’à une température constante et y reste, nous observons une période caractéristique durant laquelle rien ne se passe. Cette période est nommée période d’incubation (stabilité de l’austénite). Ce n’est qu’après ceci que la transformation commence et se poursuit jusqu’à son achèvement. Si nous réalisons de telles expériences pour différentes températures et que nous représentons graphiquement les moments de début et de fin de la transformation, nous trouvons un diagramme CTPi (transformation isotherme temps-température) avec des courbes en forme de C. La distance entre les courbes de début et de fin indique la vitesse de transformation dans une plage de température donnée.
Les graphiques isothermes nous permettent de distinguer trois plages principales. À des températures proches de A₁, une transformation perlite avec une stabilité austénitique élevée se produit. Dans la plage de températures moyennes (environ 550-200 °C), la bainite apparaît. Et en dessous de la ligne Ms, les courbes de diffusion disparaissent, car une transformation martensitique avec un mécanisme différent commence. Cette image est fondamentale, car elle montre que « l’austénite » n’est pas une voie de transformation unique, mais un point de départ à partir duquel différentes structures peuvent être obtenues en fonction de la voie de refroidissement.
Transformation perlitique
La transformation perlite est un processus de diffusion. Elle commence généralement par l’apparition de noyaux de cémentite aux limites des grains d’austénite, après quoi, grâce à la diffusion du carbone, la cémentite se développe en plaques et l’austénite appauvrie en carbone se transforme en ferrite. La répétition de ce mécanisme conduit à la formation de bandes alternées de ferrite et de cémentite, c’est-à-dire une structure perlite. Plusieurs colonies perlitiques se forment généralement dans un seul grain d’austénite et leur géométrie, ainsi que leur finesse, dépendent toutes deux de la température de transformation.
Une conséquence importante de la cinétique est que, à mesure que le sous-refroidissement augmente, le nombre de noyaux et la vitesse de cristallisation des produits de transformation augmentent. Cependant, dans le même temps, la possibilité d’une diffusion à longue distance diminue. Il en résulte la formation de perlite avec un espacement « interplates » de plus en plus petit, allant de la perlite à gros grains à des températures proches de A₁ à la perlite très fine à des températures de transformation plus basses. Ce changement de microstructure a un impact direct sur les propriétés, ce qui nous donne… Plus la perlite est fine, plus la dureté et la résistance sont élevées, mais généralement au détriment de la plasticité. Le matériau indique que la perlite formée à environ 700 °C peut avoir une dureté d’environ 220 HB, tandis qu’à environ 500 °C, une perlite très fine avec une dureté nettement supérieure se forme.
Pour les aciers hypoeutectoïdes et hypereutectoïdes, il est important que, dans certaines conditions, la ferrite (hypoeutectoïde) ou bien la cémentite secondaire (hypereutectoïde) puissent être sécrétées avant la transformation perlite. Cependant, à mesure que le sous-refroidissement augmente, cette étape peut disparaître et la transformation peut se dérouler de manière plus « directe », ce qui est généralement associé à l’élargissement observé des plages dans lesquelles des structures perlitiques se forment, sans réseau distinct de ferrite ou de cémentite.
Transformation martensitique
En dessous de la température Ms, la transformation de l’austénite se produit d’une manière complètement différente, car la diffusion du carbone est pratiquement inhibée. Dans ce cas, aucun produit nécessitant la séparation du carbone en ferrite et en cémentite ne se forme, mais plutôt une restructuration non diffusive du réseau cristallin du fer. L’austénite se transforme en martensite sans modifier la teneur moyenne en carbone dans la solution solide, ce qui signifie que la martensite est une solution sursaturée en carbone dans le fer α. Cette sursaturation déforme le réseau en une forme tétragonale et c’est cette déformation qui est responsable de la très grande dureté de la martensite, mais aussi de sa fragilité.
Une conséquence majeure, souvent négligée, de la transformation martensitique est le changement de volume. Parmi les produits de la transformation de l’austénite, la martensite a le volume spécifique le plus élevé. En pratique, cela signifie que le durcissement comporte un risque de contraintes, de déformations et même de fissures importantes, en particulier dans les composants à géométrie complexe. Le matériau fait référence à des observations dilatométriques, qui montrent des changements de volume caractéristiques, associés aux transformations, pendant le chauffage et le refroidissement.
D’autre part, la martensite se forme sans période d’incubation. Dès que la température Ms est dépassée, la transformation commence immédiatement et l’augmentation de la quantité de martensite se produit par la formation de nouvelles plaques (aiguilles) plutôt que par la croissance de celles existantes. Il est également très important que la transformation se termine à la température Mf, mais malgré cela, une partie de l’austénite peut rester non transformée sous forme d’« austénite rémanente ». Sa quantité dépend alors fortement de la teneur en carbone. Lorsque celle-ci est élevée, la proportion d’austénite rémanente augmente après le durcissement, ce qui affecte la dureté et la stabilité dimensionnelle.
Transformation bainitique
Dans la plage de températures intermédiaires (pour les aciers au carbone, approximativement entre 550 °C et 200 °C), une transformation bainitique se produit, qui combine les caractéristiques des transformations diffusives et non diffusives. À ces températures, la diffusion du carbone dans l’austénite est déjà très faible, mais pas nulle. Des plaques de ferrite, saturées en carbone, se forment à partir de l’austénite, puis, comme la diffusion du carbone dans la ferrite est plus importante que dans l’austénite, des carbures (cémentite) sont libérés de la ferrite saturée. En conséquence, la bainite est un mélange de ferrite et de carbures, dont la fragmentation augmente à mesure que la température de transformation diminue.
Nous distinguons la bainite supérieure (formée à des températures plus élevées dans cette plage) et la bainite inférieure (à des températures plus basses), qui diffèrent par leur morphologie et leur dureté. Le matériau fournit des valeurs approximatives indiquant que la bainite supérieure peut avoir une dureté d’environ 45 HRC et la bainite inférieure d’environ 55 HRC, ce qui montre sa « position » entre les typiques perlite et martensite. En outre, il est indiqué que dans les aciers au carbone, les plages perlitiques et bainitiques peuvent se chevaucher partiellement, ce qui conduit à des structures mixtes.
Transformation de l’austénite durant le refroidissement continu
Bien que les diagrammes isothermes soient très instructifs, la plupart des processus technologiques réels se déroulent dans des conditions de refroidissement continu plutôt que de refroidissement isotherme. C’est pourquoi nous établissons des diagrammes CTPc (temps-température-transformation pour un refroidissement continu), qui tiennent compte du fait que la température diminue avec le temps et que le matériau « traverse » différentes plages de transformation. Ces diagrammes sont particulièrement utiles, car ils permettent de comparer directement les courbes de refroidissement avec les lignes de transformation et de prédire quelle structure, dans un processus spécifique, se formera.
Avec un refroidissement très lent, les transformations sont similaires aux transformations à l’équilibre. Ainsi, dans les aciers hypoeutectoïdes, la ferrite est d’abord sécrétée (à partir de Ar₃), puis une transformation perlite se produit dans Ar₁. À mesure que la vitesse de refroidissement augmente, les températures de transformation diminuent et certaines étapes peuvent disparaître, par exemple, la précipitation précoce de la ferrite avant la perlite peut progressivement disparaître, conduisant à une structure perlite plus homogène. Une augmentation supplémentaire de la vitesse de refroidissement fait basculer le système vers la bainite et à des vitesses encore plus élevées, des structures bainite-martensite apparaissent, jusqu’à ce que finalement, à une vitesse suffisamment élevée, il soit possible d’avoir presque exclusivement de la martensite.
C’est là qu’intervient le concept de « vitesse de refroidissement critique », qui est la vitesse minimale à laquelle nous obtenons une structure martensitique homogène (avec bien sûr un peu d’austénite résiduelle). Ce concept est particulièrement pratique, car il nous indique si un composant donné peut être durci « de part en part » dans un milieu de refroidissement donné et avec des dimensions données. Les diagrammes CTPc, en particulier lorsqu’ils comprennent des courbes de refroidissement et les valeurs de dureté correspondantes, nous permettent de lire directement la proportion de phases (par exemple, ferrite, bainite, martensite) que nous allons obtenir pour un processus de refroidissement spécifique.
Trempe
La martensite est une phase instable et l’acier trempé, bien que très dur, peut être trop cassant et présenter de nombreuses contraintes internes. Le revenu est donc un processus qui consiste à chauffer de manière contrôlée l’acier trempé à des températures plus élevées afin de provoquer des changements dans la martensite. Le point primordial est que le revenu n’est pas un phénomène unique, mais une séquence d’étapes dépendantes de la température. Le matériau distingue quatre étapes principales, qui diffèrent en termes de carbures sécrétés, de modification de la teneur en carbone dans la martensite et de moment où se produisent les transformations de l’austénite résiduelle.
À des températures de revenu faibles (environ 80 à 200 °C), la première étape se produit, impliquant la précipitation du carbure ε. Cela peut même augmenter temporairement la dureté des aciers à haute teneur en carbone, ce qui est une observation importante mais contre-intuitive…
Le revenu ne signifie pas toujours un ramollissement dès la première minute. Ensuite, dans une plage d’environ 200 à 300 °C, une précipitation supplémentaire de carbure ε et une transformation par diffusion de l’austénite résiduelle en une structure bainitique se produisent. Dans la plage d’environ 300 à 400 °C, le carbure ε se transforme en cémentite et un état plus proche de l’équilibre est atteint et se forme alors de la martensite trempée. À des températures plus élevées (environ 400 à 650 °C), la cémentite coagule, les contraintes sont éliminées et une structure se forme, appelée sorbite, offrant un compromis plus favorable entre les propriétés.
D’un point de vue technologique, le but du revenu est que, à mesure que la dureté diminue, la plasticité et la résistance aux chocs augmentent. Le matériau souligne que les propriétés mécaniques optimales sont souvent obtenues lors d’un revenu dans une plage d’environ 600 à 650 °C, au-delà de laquelle l’augmentation de la plasticité n’est plus aussi prononcée. En outre, il est important de distinguer les structures présentant une dureté similaire mais une morphologie de cémentite différente. En effet, la perlite fine et la structure après trempe martensitique peuvent sembler similaires et avoir une dureté similaire, mais elles diffèrent par la forme des carbures et, de facto, par certaines de leurs propriétés, par exemple la limite d’élasticité ou le rétrécissement.
Effet du traitement thermique sur les propriétés de l’acier
Le durcissement entraîne la formation de martensite et donc une dureté élevée, dont l’augmentation est liée à l’augmentation de la teneur en carbone. Le matériau indique que jusqu’à un certain niveau de teneur en carbone (environ 0,7 %), l’augmentation de la dureté de la martensite est particulièrement forte, puis les augmentations sont plus faibles. Dans le même temps, dans les aciers hypereutectoïdes trempés à partir de températures très élevées, une proportion plus élevée d’austénite résiduelle peut apparaître, ce qui peut modifier la dureté et le comportement observés de l’acier.
Le revenu modifie cette situation. Dans la pratique, les basses températures peuvent produire des effets de renforcement mineurs dans les aciers à haute teneur en carbone, mais en général, une augmentation de la température de revenu entraîne une diminution de la dureté et de la résistance et une augmentation de la plasticité et de la résistance aux chocs. Il est important de noter qu’il ne s’agit pas d’un « effet magique de la température », mais de transformations très spécifiques. Effectivement, nous avons la précipitation des carbures à partir de la martensite, une diminution de la structure tétragonale, la transformation des carbures en cémentite et leur coagulation. C’est la microstructure, plus précisément la forme et la distribution des carbures et l’état de la solution solide, qui est responsable des propriétés observées.
Une comparaison entre les structures perlitiques et celles obtenues par revenu de la martensite est particulièrement instructive. Bien qu’elles puissent présenter une dureté similaire et un aspect « général » similaire, la cémentite dans la perlite a une forme striée, tandis que dans les structures après revenu de la martensite, nous avons plus souvent une forme granulaire (globulaire). Il est important ici de souligner qu’à dureté égale, la résistance à la traction et l’allongement peuvent être similaires, mais que la limite d’élasticité et la réduction de section sont parfois plus favorables pour les structures après revenu. Cela explique pourquoi le traitement thermique (trempe + revenu) est si populaire ! Il offre un ensemble de propriétés difficiles à obtenir par simple refroidissement en perlite.
Les bases du traitement thermique de l’acier et de la fonte – Résumé
La base théorique du traitement thermique de l’acier repose sur la compréhension du fait que le processus est contrôlé par la transformation de l’austénite. Le système d’équilibre Fe-Fe₃C indique les zones critiques de phase et de température et la cinétique nous indique quelles transformations vont se produire à une vitesse de refroidissement donnée. Les diagrammes CTPi et CTPc montrent où l’austénite est stable, où elle se décompose en perlite ou bien en bainite et où elle se transforme en martensite sans diffusion.
Le revenu, quant à lui, organise l’état durci. Il élimine les contraintes et modifie la forme des carbures, ce qui permet d’avoir les propriétés fonctionnelles requises dans la pratique.
En ce sens, le traitement thermique n’est pas un ensemble de « recettes », mais une conséquence logique de la relation suivante… Température + temps + vitesse de refroidissement → microstructure → propriétés. Mieux nous comprenons cette relation, mieux nous pouvons sélectionner en toute confiance les paramètres technologiques, minimiser le risque de défauts et façonner consciemment le matériau pour répondre aux exigences de conception.
