| © 2010 |
  |
 |
| Trempe |
|
e principe de la trempe, est d’austénitiser c'est-à-dire de chauffer la pièce à une certaine température AC3 + 30 à 50°C. Pour cela il est impératif que l’acier possède un domaine austénitique sur le diagramme d’équilibre. Le temps de maintien à température est proportionnel à la masse de la pièce. Plus la pièce sera massive plus le temps sera long. L’acier une fois chauffé doit être refroidit le plus rapidement possible dans un milieu comme de l’huile, de l’eau, du gaz, du polymère etc.… Plus la vitesse de refroidissement sera rapide, plus la trempe sera efficace. On appelle trempe l’opération qui consiste à refroidir un produit ferreux plus rapidement qu’à l’air ambiant.
La structure métastable obtenue par la trempe et, par conséquent, les caractéristiques mécaniques de l'alliage sont nettement différentes de celles de l'état d'équilibre résultant d'un refroidissement lent.
La trempe martensitique consiste à amener rapidement le métal à une température inférieure à la valeur critique Ms, généralement inférieure ou égale à 20 °C. Le refroidissement rapide de l’austénite provoque un blocage des atomes de carbones insérés dans le réseau gamma. Ce réseau devient quadratique centré instantanément. Cette nouvelle structure (solution solide d’insertion) se nomme : Martensite Afin de pouvoir obtenir une structure martensitique, il faut que la vitesse de refroidissement soit supérieure à la vitesse critique de trempe martensitique. Il est évident que cette condition n’est pas réalisée en tous les points d’une pièce. En effet la loi de refroidissement en un point d’une pièce dépend de la conductivité thermique du métal, de la forme et des dimensions de la pièce, ainsi que du pouvoir de refroidissement du fluide de trempe qui, lui, dépend de l’agitation du bain.
Choix du temps de maintien (durée de chauffage)
Le maintien, à la température nécessaire de trempe doit assurer le chauffage de la pièce jusqu’au cœur et l'achèvement des transformations de phases, sans être trop long pour ne pas provoquer le grossissement du grain et la décarburation des couches superficielles. La durée totale de chauffage (Dt = tec + tsi) dépend donc de : - tec : durée d'échauffement à cœur jusqu'à la température demandée. Elle dépend de la forme des pièces et des dimensions, de la nuance de l'acier, du type de four etc. - tsi : durée de séjour isotherme qui dépend de la composition et de l'état initial de l'acier.
Dans la pratique pour déterminer Dt, on se réfère aux données expérimentales.
Durée en [s/mm] d’épaisseur de pièce :
Choix de la vitesse de refroidissement pour la trempe Pour estimer la vitesse de refroidissement, on utilise la relation entre la température et le temps : T = f(logt) représenté graphiquement. L'échelle logarithmique permet un étalement convenable des courbes de refroidissement rapide. La vitesse critique de trempe martensitique est soit : - mesurée à 700°C (Vr700) - exprimée dans un gradient de température généralement compris entre 700 et 300°C (V300700)
Choix du milieu de trempe
Le milieu de trempe doit assurer le refroidissement dans toute la section des pièces, et l'obtention d'une structure martensitique sans produire de défauts tels que : tapures, déformations, contraintes résiduelles etc. Le meilleur refroidissement est celui qui se fait à grande vitesse dans l'intervalle de température A1–Ms. Ceci permet d'étouffer la décomposition de l'austénite sur fusionnée dans le domaine des transformations : perlitique et intermédiaire. Ce refroidissement est ralenti vers les basses températures dans le domaine de la transformation martensitique Ms–Mf.. Une grande vitesse de refroidissement dans l'intervalle martensitique est indésirable car elle accroît les contraintes résiduelles et produit des tapures. Généralement, on utilise pour les bains de trempe, des liquides qui peuvent bouillir tels que l’eau, les solutions aqueuses de sels et d'alcalins, les huiles. La trempe par ces agents passe par une étape de refroidissement pelliculaire (ou caléfaction) où une gaine de vapeur protège les pièces et empêche le refroidissement. Une fois que l'agent refroidissant se met an ébullition, la gaine se rompt et l'évacuation de la chaleur s'accélère. Pour les aciers au carbone, on utilise le plus souvent de l'eau comme milieu de trempe, alors que pour les aciers alliés, on utilise soit de l'huile, soit un bain de sel.
Le refroidissement doit se réaliser à une vitesse supérieure à la vitesse critique de trempe. Celle-ci étant la vitesse limite qui assure la transformation totale de l'austénite en martensite.
Trempabilité et pénétration :
La trempabilité d'un acier est son aptitude à accroître sa dureté sous l'effet de la trempe. Elle est liée directement à la pénétration de trempe. Celle-ci désigne l'aptitude de l'acier à recevoir une couche trempée plus ou moins profonde. Comme limite de la couche trempée, on prend la profondeur dont la structure comprend 50% de martensite et 50 % de bainite. La trempabilité est définie essentiellement par la teneur de l'acier en carbone. Plus cette teneur, dans la martensite est élevée, plus sa dureté sera grande. Les éléments d'alliages influent peu sur la trempabilité. Sous le terme de pénétration de trempe, on comprend l'aptitude de l'acier à recevoir une couche trempée à structure martensitique ou troostite-martensite et une dureté élevée d'une profondeur plus ou moins grande. La pénétration de trempe est déterminée par la vitesse critique de refroidissement.
Essai Jominy
Il a pour but d'obtenir, en une seule opération sur une éprouvette normalisée des indications globales sur la trempabilité d'un acier, sous forme d'une courbe appelée courbe Jominy. Cet essai est réalisé en trois étapes. - L'austénitisation d'une éprouvette normalisée prélevée dans l'acier à tester. - Le refroidissement en bout par un jet d'eau dans des conditions imposées (fig.1). - La mesure de dureté sur un méplat le long d'une génératrice et dont l'usinage ne doit pas provoquer un échauffement excessif. Les points de mesure de la dureté sont situés à : 1,5 - 3 - 5 - 7 - 9 -11 - 13 - 15 - 20 – 30 - 40 - 50 - 60 - 70 - 80 mm de l'extrémité arrosée et sont désignés par J1,5 - J3 - J5 - … Jx ... (fig.2).
Les résultats sont représentés graphiquement par la courbe Jominy : HRC = f (Jx). La connaissance de ces courbes pour différentes nuances permet de faire une comparaison rapide de leurs trempabilités relatives, voir figure 3.
Le diagramme ci-dessous (fig.1) est un exemple pour l’acier 90 MnCrV8. Il représente les différentes vitesses de refroidissement ainsi que les différentes structures probables obtenues après le refroidissement. Pour chaque courbe définissant une vitesse de refroidissement il donne la dureté maxi pouvant être obtenue.
Exemple :
Si on prend la première courbe de refroidissement donnant une dureté de 785 Hv, (courbe 1 de la figure 4) cela signifie que la vitesse de refroidissement est au maximum et que la structure après trempe sera de la martensite car on traverse le point Ms (martensite Start à 160°C), température à laquelle la transformation austénite en martensite est terminée. Par contre, si on se réfère à la courbe de droite (courbe 2 de la figure3) avec pour dureté finale 240Hv on s’aperçoit que l’on ne traverse pas la droite Ms et la transformation martensitique est donc impossible. La structure obtenue avec une telle vitesse sera de la perlite, tout simplement, parce que la vitesse de refroidissement est trop lente. Entre ces deux courbes les structures obtenues suivant les vitesses seront constituées de perlite, de bainite et de martensite.
Micrographies de différentes structures :
Austénite Perlite
Bainite Martensite
Fig. 4 90Mn CrV8 austénitisation à 820°C Action sur la transformation martensitique :
A l’exception du cobalt et de l’aluminium les éléments alliés en solution solide dans l’austénite abaissent le point Ms (en fait tout le domaine martensitique). Il existe une relation qui donne la position de Ms en fonction de la composition de l’austénite initiale.
Relation d’Andrews : aciers faiblement alliés, %C <0,6
Ms (°C)= 539-423 C – 30,4 Mn -17,7Ni -12,1Cr-11Si-7Mo
(Les symboles chimiques représentent ici les teneurs en % des éléments).
La transformation martensitique :
Ø Trempe d’un acier à une température inférieure à Ms. Ø L’austénite ne se transforme plus en ferrite et en cémentite mais plutôt en martensite. - structure différente mais composition identique. Ø Obtention d’une structure quadratique centrée. - pas de diffusion (déplacements faibles des atomes) Ø La transformation ne s’opère qu’en fonction que de la température. Ø La martensitique est dure et fragile.
La trempe bainitique :
Pour obtenir la bainite par trempe, l’acier austénitisé est refroidi à une température choisie, à vitesse suffisante pour éviter la transformation en ferrite ou perlite. On maintient à cette température (240-450°C) pour obtenir une transformation totale (voir courbe b figure 5) et l’on refroidit ensuite à la température ambiante. La température choisie pour la trempe bainitique dépend de la microstructure désirée (et la dureté recherchée) et de la vitesse de transformation de l’acier. Les propriétés de la bainite confèrent certaines qualités aux aciers, malgré les inconvénients signalés, en particulier, une meilleure ductilité (pour les fortes teneurs en carbones) que pour la trempe martensitique, et de meilleures propriétés de fluage, (aux températures de 400 à 500°C) que la martensite revenue. Dans les deux cas, les structures obtenues (martensite ou bainite) présentent une dureté élevée.
Fig.5 Trempe étagée bainitique totale (b) et mixte (a)
Ses avantages :
§ Obtention directe des caractéristiques mécaniques et métallurgiques en un seul traitement, pas de revenu (gain de temps et d’argent.) § L’aspect des pièces est de couleur uniforme (aspect bleuté). § Les variations dimensionnelles sont beaucoup plus faibles qu’une trempe à l’huile. § Très bonnes propriétés mécaniques et surtout élévation de la ténacité, de l’allongement à la rupture, de la striction et de la résilience. § La carbonitruration combinée à la trempe bainitique confère à la pièce traitée une bonne dureté de surface mais également une excellente ductilité à cœur par la même occasion. § Faibles déformations liées à la trempe. § Suppression du revenu ; intéressant pour les nuances présentant une haute fragilité de revenu et pour les pièces de faibles dimensions et de formes compliquées.
L’influence des éléments d’alliage sur les caractéristiques des aciers
|
~
