Des programmes de traitement thermique complexes, ou » cycles « , sont souvent conçus par les métallurgistes pour optimiser les propriétés mécaniques d’un alliage. Dans l’industrie aérospatiale, un superalliage peut subir cinq opérations de traitement thermique différentes ou plus pour développer les propriétés souhaitées. Cela peut entraîner des problèmes de qualité en fonction de la précision des contrôles de température et de la minuterie du four. Ces opérations peuvent généralement être divisées en plusieurs techniques de base.
RecuitModifier
Le recuit consiste à chauffer un métal à une température spécifique, puis à le refroidir à une vitesse qui produira une microstructure raffinée, en séparant totalement ou partiellement les constituants. La vitesse de refroidissement est généralement lente. Le recuit est le plus souvent utilisé pour adoucir un métal en vue d’un travail à froid, pour améliorer l’usinabilité ou pour améliorer des propriétés comme la conductivité électrique.
Dans les alliages ferreux, le recuit est généralement réalisé en chauffant le métal au-delà de la température critique supérieure, puis en le refroidissant très lentement, ce qui entraîne la formation de perlite. Dans les métaux purs et dans de nombreux alliages qui ne peuvent pas être traités thermiquement, le recuit est utilisé pour éliminer la dureté causée par le travail à froid. Le métal est chauffé à une température où la recristallisation peut se produire, réparant ainsi les défauts causés par la déformation plastique. Dans ces métaux, la vitesse de refroidissement a généralement peu d’effet. La plupart des alliages non ferreux qui peuvent être traités thermiquement sont également recuits pour atténuer la dureté de l’usinage à froid. Ils peuvent être refroidis lentement pour permettre la précipitation complète des constituants et produire une microstructure raffinée.
Les alliages ferreux sont généralement soit « recuits complets », soit « recuits par procédé ». Le recuit complet nécessite des vitesses de refroidissement très lentes, afin de former de la perlite grossière. Dans le recuit de traitement, la vitesse de refroidissement peut être plus rapide, jusqu’à, et y compris, la normalisation. L’objectif principal du recuit de traitement est de produire une microstructure uniforme. Les alliages non ferreux sont souvent soumis à diverses techniques de recuit, notamment le « recuit de recristallisation », le « recuit partiel », le « recuit complet » et le « recuit final ». Toutes les techniques de recuit n’impliquent pas une recristallisation, comme la relaxation des contraintes.
NormalisationEdit
La normalisation est une technique utilisée pour assurer l’uniformité de la taille et de la composition des grains (cristaux équiaxes) dans tout un alliage. Le terme est souvent utilisé pour les alliages ferreux qui ont été austénitisés puis refroidis à l’air libre. La normalisation produit non seulement de la perlite mais aussi de la martensite et parfois de la bainite, ce qui donne un acier plus dur et plus résistant mais avec moins de ductilité pour la même composition que le recuit complet.
Dans le processus de normalisation, le processus de chauffage de l’acier à environ 40 degrés Celsius au-dessus de sa limite supérieure de température critique maintenue à cette température pendant un certain temps et ensuite refroidie à l’air.
La détente est une technique pour éliminer ou réduire les contraintes internes créées dans le métal. Ces contraintes peuvent être provoquées de plusieurs façons, allant du travail à froid au refroidissement non uniforme. La relaxation des contraintes est généralement réalisée en chauffant un métal en dessous de la température critique inférieure, puis en le refroidissant uniformément. Le détensionnement est couramment utilisé sur des articles tels que les réservoirs d’air, les chaudières et autres récipients sous pression, pour éliminer toutes les contraintes créées pendant le processus de soudage.
VieillissementModification
Article principal : Durcissement par précipitation
Certains métaux sont classés comme métaux à durcissement par précipitation. Lorsqu’un alliage à durcissement par précipitation est trempé, ses éléments d’alliage seront piégés en solution, ce qui donne un métal mou. Le vieillissement d’un métal « mis en solution » permet aux éléments d’alliage de diffuser dans la microstructure et de former des particules intermétalliques. Ces particules intermétalliques vont se nucléer et tomber de la solution et agir comme une phase de renforcement, augmentant ainsi la résistance de l’alliage. Les alliages peuvent vieillir « naturellement », c’est-à-dire que les précipités se forment à température ambiante, ou bien ils peuvent vieillir « artificiellement » lorsque les précipités ne se forment qu’à des températures élevées. Dans certaines applications, les alliages qui vieillissent naturellement peuvent être stockés dans un congélateur pour empêcher le durcissement jusqu’à ce que d’autres opérations soient effectuées – l’assemblage de rivets, par exemple, peut être plus facile avec une pièce plus souple.
Les exemples d’alliages qui durcissent par précipitation comprennent l’alliage d’aluminium des séries 2000, 6000 et 7000, ainsi que certains superalliages et certains aciers inoxydables. Les aciers qui durcissent par vieillissement sont généralement appelés aciers maraging, à partir d’une combinaison du terme « vieillissement de la martensite ». »
La trempeEdit
La trempe est un processus de refroidissement d’un métal à une vitesse rapide. Cela se fait le plus souvent pour produire une transformation en martensite. Dans les alliages ferreux, cela produira souvent un métal plus dur, tandis que les alliages non ferreux deviendront généralement plus mous que la normale.
Pour durcir par trempe, un métal (généralement de l’acier ou de la fonte) doit être chauffé au-dessus de la température critique supérieure, puis refroidi rapidement. Selon l’alliage et d’autres considérations (comme le souci de la dureté maximale par rapport à la fissuration et à la déformation), le refroidissement peut se faire avec de l’air forcé ou d’autres gaz, (comme l’azote). Des liquides peuvent être utilisés, en raison de leur meilleure conductivité thermique, comme l’huile, l’eau, un polymère dissous dans l’eau ou une saumure. Lors du refroidissement rapide, une partie de l’austénite (en fonction de la composition de l’alliage) se transforme en martensite, une structure cristalline dure et cassante. La dureté trempée d’un métal dépend de sa composition chimique et de la méthode de trempe. Les vitesses de refroidissement, de la plus rapide à la plus lente, vont de la saumure, du polymère (c’est-à-dire des mélanges d’eau + polymères de glycol), de l’eau douce, de l’huile et de l’air forcé. Cependant, la trempe trop rapide de certains aciers peut entraîner des fissures, c’est pourquoi les aciers à haute résistance tels que l’AISI 4140 doivent être trempés dans l’huile, les aciers à outils tels que l’ISO 1.2767 ou l’acier à outils pour travail à chaud H13 doivent être trempés à l’air forcé, et les aciers faiblement alliés ou à résistance moyenne tels que le XK1320 ou l’AISI 1040 doivent être trempés dans la saumure.
Certains alliages à base de titane Beta ont également montré des tendances similaires d’augmentation de la résistance par un refroidissement rapide. Cependant, la plupart des métaux non ferreux, comme les alliages de cuivre, d’aluminium ou de nickel, et certains aciers fortement alliés comme l’acier inoxydable austénitique (304, 316), produisent un effet inverse lorsqu’ils sont trempés : ils se ramollissent. Les aciers inoxydables austénitiques doivent être trempés pour devenir pleinement résistants à la corrosion, car ils s’écrouissent de manière significative.
RevenuEdit
L’acier martensitique non trempé, bien que très dur, est trop fragile pour être utile dans la plupart des applications. Une méthode permettant de pallier ce problème s’appelle le revenu. La plupart des applications exigent que les pièces trempées soient trempées. Le revenu consiste à chauffer l’acier en dessous de la température critique inférieure, (souvent de 400˚F à 1105˚F ou 205˚C à 595˚C, selon les résultats souhaités), pour lui conférer une certaine ténacité. Des températures de trempe plus élevées (peut-être jusqu’à 1 300˚F ou 700˚C, selon l’alliage et l’application) sont parfois utilisées pour conférer davantage de ductilité, bien qu’une certaine limite d’élasticité soit perdue.
La trempe peut également être effectuée sur des aciers normalisés. D’autres méthodes de revenu consistent à tremper à une température spécifique, qui est supérieure à la température de début de martensite, puis à la maintenir jusqu’à ce que de la bainite pure puisse se former ou que les contraintes internes puissent être relâchées. Il s’agit notamment de l’austempering et du martempering.
Couleurs de trempeEdit
L’acier qui a été fraîchement meulé ou poli formera des couches d’oxyde lorsqu’il sera chauffé. À une température très spécifique, l’oxyde de fer formera une couche d’une épaisseur très spécifique, provoquant une interférence en couche mince. Cela fait apparaître des couleurs à la surface de l’acier. Lorsque la température augmente, l’épaisseur de la couche d’oxyde de fer augmente, ce qui modifie la couleur. Ces couleurs, appelées couleurs de trempe, sont utilisées depuis des siècles pour jauger la température du métal.
- 350˚F (176˚C), jaunâtre clair
- 400˚F (204˚C), paille clair
- 440˚F (226˚C), paille foncé
- 500˚F (260˚C), brun
- 540˚F (282˚C), violet
- 590˚F (310˚C), bleu profond
- 640˚F (337˚C), bleu clair
Les couleurs de revenu peuvent être utilisées pour juger des propriétés finales de l’acier trempé. Les outils très durs sont souvent trempés dans la gamme de la paille claire à la paille foncée, tandis que les ressorts sont souvent trempés dans le bleu. Cependant, la dureté finale de l’acier trempé varie en fonction de la composition de l’acier. Un acier à outils à forte teneur en carbone restera beaucoup plus dur après le revenu qu’un acier à ressorts (avec un peu moins de carbone) lorsqu’il est trempé à la même température. L’épaisseur de la pellicule d’oxyde augmente également avec le temps. Par conséquent, un acier qui a été maintenu à 400˚F pendant très longtemps peut devenir brun ou violet, même si la température n’a jamais dépassé celle nécessaire pour produire une légère couleur paille. D’autres facteurs affectant le résultat final sont les films d’huile sur la surface et le type de source de chaleur utilisé.
Traitement thermique sélectifEdit
De nombreuses méthodes de traitement thermique ont été développées pour modifier les propriétés d’une partie seulement d’un objet. Elles tendent à consister soit à refroidir différentes zones d’un alliage à des vitesses différentes, en chauffant rapidement dans une zone localisée puis en refroidissant brusquement, par diffusion thermochimique, ou en trempant différentes zones d’un objet à des températures différentes, comme dans le cas de la trempe différentielle.
Durcissement différentielModifié
Certaines techniques permettent à différentes zones d’un même objet de recevoir des traitements thermiques différents. C’est ce qu’on appelle le durcissement différentiel. Elle est courante dans les couteaux et les épées de haute qualité. Le jian chinois est l’un des plus anciens exemples connus de cette technique, et le katana japonais est peut-être le plus connu. Le Khukuri népalais en est un autre exemple. Cette technique utilise une couche isolante, comme des couches d’argile, pour recouvrir les zones qui doivent rester souples. Les zones à durcir sont laissées exposées, ce qui permet à seulement certaines parties de l’acier de durcir complètement lors de la trempe.
Durcissement à la flammeEdit
Le durcissement à la flamme est utilisé pour durcir seulement une partie du métal. Contrairement à la trempe différentielle, où la pièce entière est chauffée puis refroidie à des vitesses différentes, la trempe à la flamme, seule une partie du métal est chauffée avant la trempe. Cette méthode est généralement plus facile que la trempe différentielle, mais produit souvent une zone extrêmement fragile entre le métal chauffé et le métal non chauffé, car le refroidissement au bord de cette zone affectée par la chaleur est extrêmement rapide.
Durcissement par inductionModifier
La trempe par induction est une technique de trempe de surface dans laquelle la surface du métal est chauffée très rapidement, en utilisant une méthode de chauffage par induction sans contact. L’alliage est ensuite trempé, produisant une transformation en martensite à la surface tout en laissant le métal sous-jacent inchangé. Cela crée une surface très dure et résistante à l’usure tout en conservant la ténacité appropriée dans la majorité de l’objet. Les tourillons de vilebrequin sont un bon exemple de surface durcie par induction.
Durcissement de la caisseModification
La cémentation est un processus de diffusion thermochimique dans lequel un élément d’alliage, le plus souvent du carbone ou de l’azote, diffuse dans la surface d’un métal monolithique. La solution solide interstitielle qui en résulte est plus dure que le matériau de base, ce qui améliore la résistance à l’usure sans sacrifier la ténacité.
L’ingénierie de surface par laser est un traitement de surface doté d’une grande polyvalence, d’une grande sélectivité et de propriétés inédites. Comme la vitesse de refroidissement est très élevée dans le traitement laser, un verre métastable même métallique peut être obtenu par cette méthode.
Traitement à froid et cryogéniqueEdit
Bien que la trempe de l’acier provoque la transformation de l’austénite en martensite, toute l’austénite ne se transforme généralement pas. Certains cristaux d’austénite resteront inchangés même après une trempe en dessous de la température de finition de la martensite (Mf). Une transformation supplémentaire de l’austénite en martensite peut être induite en refroidissant lentement le métal à des températures extrêmement basses. Le traitement à froid consiste généralement à refroidir l’acier à environ -115˚F (-81˚C), mais n’élimine pas toute l’austénite. Le traitement cryogénique consiste généralement à refroidir l’acier à des températures beaucoup plus basses, souvent de l’ordre de -315˚F (-192˚C), pour transformer la majeure partie de l’austénite en martensite.
Les traitements à froid et cryogénique sont généralement effectués immédiatement après la trempe, avant tout revenu, et augmenteront la dureté, la résistance à l’usure et réduiront les contraintes internes du métal mais, comme il s’agit réellement d’une extension du processus de trempe, cela peut augmenter les risques de fissuration pendant la procédure. Ce procédé est souvent utilisé pour les outils, les roulements ou d’autres articles qui nécessitent une bonne résistance à l’usure. Cependant, il n’est généralement efficace que pour les aciers à haute teneur en carbone ou fortement alliés dans lesquels plus de 10 % d’austénite sont conservés après la trempe.
DécarburationModifié
Le chauffage de l’acier est parfois utilisé comme méthode pour modifier la teneur en carbone. Lorsque l’acier est chauffé dans un environnement oxydant, l’oxygène se combine avec le fer pour former une couche d’oxyde de fer, qui protège l’acier de la décarburation. En revanche, lorsque l’acier se transforme en austénite, l’oxygène se combine au fer pour former un laitier, qui n’offre aucune protection contre la décarburation. La formation de scories et de calamine augmente en fait la décarburation, car l’oxyde de fer maintient l’oxygène en contact avec la zone de décarburation même après que l’acier a été déplacé dans un environnement sans oxygène, comme les charbons d’une forge. Ainsi, les atomes de carbone commencent à se combiner avec la calamine et les scories environnantes pour former du monoxyde et du dioxyde de carbone, qui sont libérés dans l’air.
L’acier contient un pourcentage relativement faible de carbone, qui peut migrer librement dans le fer gamma. Lorsque l’acier austénitisé est exposé à l’air pendant de longues périodes, la teneur en carbone de l’acier peut être abaissée. C’est le contraire de ce qui se passe lorsque l’acier est chauffé dans un environnement réducteur, où le carbone se diffuse lentement dans le métal. Dans un environnement oxydant, le carbone peut facilement se diffuser vers l’extérieur, de sorte que l’acier austénitisé est très sensible à la décarburation. Ce procédé est souvent utilisé pour l’acier moulé, lorsqu’une teneur en carbone élevée est nécessaire pour la coulée, mais qu’une teneur en carbone plus faible est souhaitée dans le produit fini. Il est souvent utilisé sur les fers à repasser pour produire de la fonte malléable, dans un processus appelé « trempe blanche ». Cette tendance à la décarburation est souvent un problème dans d’autres opérations, comme la forge, où il devient plus souhaitable d’austéniser l’acier pendant la durée la plus courte possible pour éviter une décarburation trop importante.