Trempe de l'acier
La trempe est un processus de traitement thermique dans lequel une pièce trempée est réchauffée à une température inférieure à A1, maintenue pendant une durée spécifique, puis refroidie à température ambiante. L'acier trempé ne doit pas être utilisé directement ; il doit subir un revenu qui détermine la microstructure et les propriétés de l'acier et constitue une étape cruciale du traitement thermique.
But de la trempe
Pour obtenir les propriétés mécaniques souhaitées
Après trempe, la pièce présente une dureté élevée mais une faible ductilité et ténacité. Pour répondre à différentes exigences de performances pour diverses pièces, la trempe est utilisée pour modifier la microstructure trempée, ajuster la dureté et réduire la fragilité, ce qui permet d'obtenir les propriétés mécaniques souhaitées de la pièce.
Pour stabiliser les dimensions d'une pièce
La martensite et l'austénite retenue formées lors de la trempe sont des structures instables qui peuvent se décomposer avec le temps, provoquant des changements dimensionnels et de forme. La trempe transforme la microstructure trempée en une microstructure stable, garantissant que la pièce conserve ses dimensions et sa forme pendant l'utilisation.
Pour réduire ou éliminer les contraintes internes dues à la trempe
La trempe induit des contraintes internes importantes. Si elles ne sont pas rapidement soulagées par le revenu, ces contraintes peuvent provoquer une déformation ou même une fissuration de la pièce.
Transformations lors du revenu de l'acier trempé
La martensite trempée et l'austénite retenue sont des phases métastables qui se décomposent en ferrite et en carbures lorsqu'elles sont trempées de la température ambiante jusqu'en dessous de A1. Les transformations spécifiques dépendent de la température de revenu :
Décomposition de la martensite (inférieure ou égale à 200 degrés)
Lorsqu'il est trempé en dessous de 80 degrés, aucun changement microstructural significatif ne se produit, à l'exception du regroupement d'atomes de carbone dans la martensite. Entre 80 degrés et 200 degrés, la martensite commence à se décomposer, les atomes de carbone se précipitant sous forme de carbures ε- (Fe2,4C), réduisant ainsi la sursaturation en carbone de la martensite et diminuant la tétragonalité. Comme la température de revenu est basse, seule une partie de l'excès de carbone précipite, laissant la martensite sous la forme d'une solution solide sursaturée de carbone dans -Fe. Les fins carbures ε-sont dispersés le long des interfaces de la solution solide sursaturée -, maintenant une relation cohérente (où les atomes aux limites de phase sont partagés par les deux réseaux cristallins). Cette microstructure, constituée d'une solution solide -moins sursaturée et de carbures ε-, est appelée martensite revenue. En raison de la nature fine et hautement dispersée des carbures ε-, la dureté de l'acier ne diminue pas de manière significative lorsqu'il est revenu en dessous de 200 degrés. Cependant, la précipitation des carbures ε- réduit la distorsion du réseau, réduisant ainsi la contrainte de trempe et augmentant légèrement la plasticité et la ténacité de l'acier.
Décomposition de l'austénite retenue (200 degrés – 300 degrés)
L'austénite retenue est similaire à l'austénite sous-refroidie, de sorte que ses produits de transformation de revenu sont les mêmes que ceux de l'austénite sous-refroidie dans des conditions de température similaires, formant de la martensite, de la bainite ou de la perlite en fonction de la température.
Lorsque l'acier est revenu entre 200 degrés et 300 degrés, la martensite continue de se décomposer et l'austénite retenue commence à se transformer en bainite inférieure (200 degrés – 300 degrés est la plage de transformation inférieure de la bainite). Dans cette plage de températures, la contrainte de trempe diminue encore, mais la dureté ne diminue pas de manière significative.
Transformation des carbures (250 degrés –450 degrés)
Lorsqu'ils sont trempés au-dessus de 250 degrés, la capacité de diffusion accrue des atomes de carbone provoque la transformation progressive des carbures ε- en cémentite stable. À 450 degrés, tous les carbures ε- se transforment en cémentite hautement dispersée. La précipitation continue du carbone abaisse la teneur en carbone de la -solution solide jusqu'à son niveau d'équilibre, la transformant en ferrite, bien qu'elle reste en forme d'aiguille-en forme d'aiguille. Cette structure, composée de ferrite en forme d'aiguilles et de cémentite hautement dispersée, est appelée troostite tempérée. La structure en troostite trempée en acier 45 est illustrée dans la figure ci-dessous. À ce stade, la dureté de l’acier diminue et sa ténacité et sa plasticité augmentent encore, la contrainte de trempe étant presque éliminée.
Agrégation et croissance de cémentite et recristallisation de ferrite (450 degrés – 700 degrés)
Au-dessus de 450 degrés, la cémentite hautement dispersée se sphéroïdise progressivement en fines particules et, à mesure que la température augmente, ces particules se développent. Simultanément, la ferrite commence à recristalliser entre 500 degrés et 600 degrés, se transformant de formes en forme de lattes ou d'aiguilles - en grains polygonaux.
Cette structure, constituée de cémentite granulaire répartie sur une matrice polygonale de ferrite, est appelée sorbite tempérée. La structure de sorbite trempée en acier 45 est illustrée dans la figure ci-dessous. Si la température augmente encore jusqu'à 650 degrés –A1, la cémentite granulaire grossit, formant une microstructure de ferrite polygonale et de cémentite granulaire plus grosse, connue sous le nom de perlite tempérée.
La transformation de l’acier trempé lors du revenu se produit sur différentes plages de températures. Même à la même température de revenu, plusieurs types de transformations peuvent se produire. Les propriétés de l’acier trempé dépendent de ces changements microstructuraux qui, à leur tour, influencent ses performances mécaniques. Généralement, à mesure que la température de revenu augmente, la résistance et la dureté diminuent tandis que la ductilité et la ténacité s'améliorent, ces changements devenant plus prononcés à des températures plus élevées.
Types et applications de trempe
Le principal facteur déterminant la microstructure et les propriétés de l’acier est la température de revenu. La trempe est classée en trois types en fonction de la température et de la microstructure résultante :
Trempe à basse-température (150 degrés à 250 degrés)
Le revenu à basse-température produit de la martensite trempée. L'objectif est de conserver la dureté et la résistance à l'usure élevées de l'acier trempé tout en réduisant les contraintes internes et la fragilité, et en améliorant la ductilité et la ténacité. Cette méthode est principalement utilisée pour les aciers à haute teneur en carbone et alliés dans les outils de coupe, les outils de mesure, les matrices d'estampage à froid, les roulements, les pièces carburées et les pièces trempées en surface. La dureté après revenu se situe généralement entre 58 et 64 HRC.
Trempe à température moyenne- (350 degrés à 500 degrés)
Cette méthode donne de la troostite tempérée. Son objectif est d’obtenir une limite d’élasticité élevée, une limite élastique et une ténacité significative. Le revenu à moyenne-température est principalement utilisé pour divers composants élastiques et matrices de travail-à chaud. La dureté après revenu varie généralement de 35 à 50 HRC.
Trempe à haute-température (500 degrés à 650 degrés)
Cette méthode produit un sorbit tempéré. L’objectif est d’atteindre un équilibre entre résistance, dureté, ductilité et ténacité. Lorsque la trempe et le revenu à haute température-sont combinés, le processus est communément appelé « trempe et revenu ». Il est largement utilisé pour les composants structurels critiques dans la production d’automobiles, de tracteurs et de machines-outils (tels que les bielles, les goujons, les engrenages et les arbres de transmission). La dureté après revenu varie généralement de 200 à 330 HBW.
Bien que les valeurs de dureté de l'acier après normalisation et trempe-sont assez similaires, les composants structurels critiques en production subissent généralement une trempe-revenu plutôt que de normalisation. En effet, la microstructure du sorbite tempéré contient de la cémentite granulaire, tandis que le sorbite obtenu par normalisation contient de la cémentite lamellaire. Par conséquent, l’acier trempé et revenu présente non seulement une résistance plus élevée, mais également une meilleure ductilité et ténacité par rapport à l’état normalisé.
La trempe et le revenu peuvent servir de processus de traitement thermique final ou de traitement préliminaire avant le durcissement de surface et le traitement thermique chimique. La dureté de l’acier trempé n’étant pas élevée, elle permet un usinage facile et de faibles valeurs de rugosité de surface.
En plus de ces trois méthodes de revenu courantes, certains aciers fortement alliés subissent un revenu de ramollissement à haute température de 20 à 40 degrés en dessous de A1 pour obtenir de la perlite trempée comme alternative au recuit sphéroïdisant.
Pour garantir une transformation microstructurale complète pendant la trempe, la pièce doit être maintenue à la température de trempe pendant une durée suffisante, généralement entre 1 et 3 heures, selon le matériau, la température, l'épaisseur, la charge et la méthode de chauffage. La méthode de refroidissement après revenu a peu d'effet sur les performances de l'acier au carbone, mais pour éviter d'induire de nouvelles contraintes, les pièces sont généralement refroidies lentement à l'air après revenu.
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