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12-12-2009 - - La Trempe (Théorie) |
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- La trempe est le procédé de base du durcissement de l'acier par traitement thermique . L'acier est , en effet , un alliage dont les divers structures cristallines sont particulièrement complexes . Néanmoins pour comprendre le phénomène de trempe nous devons visualiser les divers structures cristalines que peut prendre l'acier . Prenons par exemple le carbone "C" : cet élément peut prendre 3 structures cristalines différentes : Le graphite (système cristallin hexagonal) , le diamant (système cristallin cubique) et le lonsdaleite (allotrope hexagonal du diamant) . Pour l'acier il en va de même surtout par la multiplication des possibilités de cristalisation avec la gamme variée des aciers alliés . Pour simplification nous allons considéré le cas d'un acier non-allié c'est à dire un alliage fer-carbone . Il y a divers aciers :
* Aciers hypoeutectoïdes possédant de 0.008% à 0.8% de C , composé de Ferrite + Perlite , qui sont les plus mous .
* Aciers Eutectoïdes possédant 0.8% de C
* Aciers hypereutectoïdes possédant de 0.8% à 2.11% de C, composé de Perlite + Cementite, et qui sont les plus durs .
- Le fer , constituant majeur de l'acier , possède deux mailles cristalines différentes : la "Ferrite" Fer(a) et l'"Austénite" Fer(g) . Ce qui les différencie est l'arrangement spatial des atomes de fer . La variété allotropique Fe(a) est constituée selon un réseau cubique centré ; c'est à dire que les atomes de fer occupent les sommets d'un cube + 1 site au centre du cube : soit au total 9 atomes par cristal . En chauffant l'acier , le réseau FERRITE (Fer a) se transforme en AUSTENITE (Fer g) ; L'austénite possède une structure cristaline différente ; Le Fer (g) produit des cristaux cubiques à faces centrées , c'est à dire qu'il y a un atome de fer pour chaque sommet du cube + 1 atome au centre de chaque face du cube c'est à dire un total de 14 atomes par cristal . (Voir schéma) . L'austénite (g) ne posséde pas d'atome de fer au centre du cube contrairement à la ferrite (a) . Ceci est très important car ce vide dans cette structure permet aux atomes de carbone de migrer à l'intérieur du réseau cubique de l'austénite (Fer g) alors que ceci est impossible dans le cas de la ferrite (Fer a) . Une des propriété physico-chimique d'intérêt de l'austénite est sa facilité de dissoudre et d'absorber des atomes de carbone . La transformation de la ferrite en austénite se réalisera à une température dite "d'Austénitisation" supérieure à la ligne AC3-AC1 du diagramme . Il faut maintenir l'acier au moins 30 min à température d'Austénitisation pour obtenir une transformation austénite complête . Lorsque la ferrite se transforme en austénite , les atomes de carbone vont se placer en solution solide dans la structure cristaline austénitique . Lorsque l'acier se refroidit lentement , l'austénite se transforme de nouveau en ferrite ; par contre si ce refroidissement est rapide les atomes de carbone dissouts à l'intérieur du réseau cubique de l'austénite n'auront pas le temps de migrer à l'extérieur de cette structure cubique . C'est la "Martensite" .
- En conclusion , la trempe est destinée à donner à l'acier une micro-structure très dure appelée la "MARTENSITE" . Au moment de la trempe , les atomes de carbone ne seront plus en mesure de rester dans la structure cubique centrée . Par conséquent , n'ayant pas le temps de diffuser dans la structure pour reformer de la ferrite , ils vont former de la "Martensite" . La "Martensite" est en fait de la "Ferrite" dont la maille cristaline est déformée pour laisser de la place aux atomes de carbone qui sont en solution .
- En résumé : On se procure de l'acier dans une aciérie : Cet acier sera de structure "Ferrite" . On chauffe cet acier à 950-1100°C (selon l'acier) pendant 30 minutes minimum et en conséquence on transforme la structure "Ferrite" en structure "Austénite" . On refroidie rapidement cette structure "Austénite" et on obtient de la "Martensite" de structure très dure . C'est la trempe martensitique .
- FERRITE + T°élevée (950-1100°C) >>>>>>>>>>> AUSTENITE
- AUSTENITE + Trempe adaptée >>>>>>>>>>>>>> MARTENSITE
- AUTRES COMPOSANTS :
* La CEMENTITE : Molécule chimique stable (Fe3C) composant principal des fontes . La cementite est hyper dure mais très cassante .
* La PERLITE : Constituant biphasé de l'acier ; c'est un agrégat formé de 89% de ferrite et 11% de cementite . Sa structure est généralement formée de lamelles alternées de cémentite et de ferrite .
* NOTA : Dans le procesus de trempe on cherche , avant tout , obtenir de la martensite ; une trempe appropriée limite la formation de ferrite , perlite et cementite . Il faut se rendre bien compte que la dureté de la ferrite est de 10-15 HRC , celle de la perlite de 40-45 HRC alors que la dureté de la martensite est de 64-66 HRC .
- PROBLEMES LIES A LA TREMPE :
* 1) La vitesse critique de trempe : On peut définir pour une nuance d'acier donnée , la vitesse à partir de laquelle la trempe est "martensitique" . C'est une vitesse limite qu'on appelle la vitesse critique de trempe . Il faut que cette vitesse soit suffisante pour obtenir une transformation compléte de l'austénite en martensite mais le traitement de trempe ne doit pas être trop agressif pour "casser" la structure cristaline . On aura à notre disposition diverses techniques de trempe suivant le type d'acier , ainsi que la masse d'acier de l' objet à tremper . Les principales techniques de trempe sont : Trempe à l'air , trempe à l'air pulsé , trempe à l'huile , trempe à l'eau . Les trempes à l'air sont simples mais peu efficaces sur des aciers très carburés . Les trempes à l'huile sont les plus généralisées mais de sérieuses études doivent être réalisées en fonction des pièces à tremper ; en effet projetter une lame d'acier à 1050°C dans de l'huile peut provoquer l'inflammation de cette dernière . Il y a des huiles industrielles variées pour chaque cas spécifique (Voir Chapitre 2) . L'eau à l'avantage de n'être pas inflammable ; par contre la trempe à l'eau pose deux problèmes : L'eau possède un pouvoir calorifique élevé ce qui produit une trempe agressive pouvant produire dans la structure cristaline des failles appelées "Tapures" . Autre problème critique se trouve le phénomène de "Caléfaction" : Lorsqu'une piéce à la température de trempe est immergée dans de l'eau , l'eau est vaporisée au contact de la piéce en formant une gaine de vapeur "isolante" qui ralentit considérablement le refroidissement . L'ajout de sel , de silicates , de glycérine ou de polyglicols permet de moduler la sévérité de la trempe à l'eau en jouant sur le phénomène de caléfaction .
* 2) La profondeur de trempe : Dès qu'une piéce d'acier a un certain volume , les différents points d'une même pièce ne se refroidissent plus de façon identique . Ainsi au voisinage de la surface nous aurons une vitesse de refroidissement supérieure à la vitesse martensitique alors qu'au centre de la pièce nous aurons une vitesse inférieure à la vitesse critique de trempe ; ce phénomène conduit à une trempe martensitique de surface non homogène .
- TREMPE "CRYOGENIQUE" :
* Nous avons vu que la trempe transforme l'AUSTENITE en MARTENSITE qui est la structure très dure recherchée ; c'est le but à atteindre ! Néanmoins cette transformation est rarement atteinte à 100% . L'austénite restant dans l'acier est appelée : "AUSTENITE RESIDUELLE" ; la transformation de l'austénite en martensite s'effectue lors du refroidissement à partir de la température d'austénisation . Le début de transformation s'effectue dès que la température passe en dessous d'un seuil "Ms" (Martensite Start) . Au fur et à mesure que la température baisse , le pourcentage de martensite créé augmente pour atteindre 100% à une température appelée Mf (Martensite Finish) . Si l'on passe le point Mf lors du refroidissement , la transformation en martensite est totale . Les températures Ms et Mf dépendent de la composition de l'acier . Si Mf est inférieure à la température ambiante , toute l'austénite ne sera pas transformée en martensite. C'est souvent le cas des aciers alliés fortement carburés .
* Dans certains cas , l'austénite résiduelle se décompose lors des revenus , mais dans le cas des aciers fortement alliés , ou lorsque la température de revenu (conditionnée par les duretés recherchées) est insuffisante , l'austénite ne sera pas entièrement transformée . Si l'on veut obtenir des duretés élevées et des aciers parfaitement homogènes , le traitement cryogénique devient incontournable .
* La pratique du traitement cryogénique : Le traitement sous zéro est généralement pratiqué dans une enceinte régulée , dont les températures négatives sont obtenues par injection d'azote liquide , les températures généralement pratiquées sont voisines de -90°C . Ce traitement , pour être efficace , doit être pratiqué IMMEDIATEMENT APRES LA TREMPE ; en effet au cours d'un traitement par le froid on bénéficie de la transformation martensitique "ANISOTHERME" . Dans tous les cas un revenu de détente doit au moins être réalisé après le traitement cryogénique .
- TREMPE DES ACIERS ALLIES :
Comme l'acier est une solution solide de carbone dans le fer , il est compréhensible qu' introduire divers éléments dans cette solution va modifier le "Diagramme d'équilibre Fer-Carbone" .
- Le Chrome (Cr) agit d'une part sur les points de transformation AC3-AC1 , et d'autre part sur la vitesse à laquelle se transforme l'austénite au cours du refroidissement . Les éléments qui limitent ou empêchent la formation de l'austénite Fer (g) sont appelés "Alphagènes" . Par exemple un acier peu carburé auquel on ajoute une quantité de Cr supérieure à 13% ne passe plus par l'état austénitique et par conséquent l'acier ne peut plus subir un durcissement par trempe . Pour cette raison les aciers ayant une quantité de Cr > 14% sont fortement carburés ; une deuxième action du Cr se manifeste par le ralentissement de la vitesse critique de transformation de l'austénite en martensite facilitant la trempe . Les aciers au chrome pourront être trempés à l'huile ou même à l'air pulsé .
A partir de 12% de Cr , le Cr provoque une couche oxydée à la surface de l'acier , celle-ci le protégeant des attaques chimiques et limitant la corrosion .
- Le Nickel (Ni) : il se dissout dans la ferrite et ne forme pas de carbures ; il rabaisse le point de transformation AC3-AC1 de sorte que le domaine d'existence de l'austénite est élargie . Ainsi le Ni est le type des éléments dit "Gammagène" qui favorise la formation d'austénite Fer (g) , et par conséquent favorise la trempe .
- Le manganèse (Mn) est gammagène et désoxydant favorisant la trempabilité .
- Le molybdène (Mo) augmente la trempabilité des aciers alliés fortement carburés .
- Le tungstène (W) et le Vanadium (V) sont utilisés afin d'obtenir des aciers durs et résistants .
-NOTES sur le diagramme d'équilibre Fer-Carbone :
Si vous trouvez un manuel de métallurgie un peu ancien , vous trouverez comme définition : Alliage fer-carbone ou le carbone varie de 0.2% à 1.7% . au delà il s'agit de fonte . Si vous regardez le diagramme vous verrez que l'austénite existe jusqu'à 1.7% de C et donc au delà n'ayant plus d'austénite on ne peut pas réaliser la trempe martensitique . Avec la multiplication des aciers alliés on a déplacé ces limites jusqu'à 2.11% de Carbone . C'est la limite supérieure actuelle pour obtenir de l'acier par le procesus de "Trempe martensitique" . Vous trouverez dans la table des aciers , certains aciers avec des concentrations de carbone supérieures à ces valeurs . Ces alliages ne sont pas obtenus par trempe mais par "Frittage" . (Voir "Aciers Frittés") .
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