traitement thermique (suite)

La martensite se présente au microscope sous forme de plaquettes ou d’aiguilles fines (structure aciculaire) orientées suivant trois directions inclinées à 60°. Sa haute dureté est surtout d’origine physico-chimique, car c’est une solution solide de fer α sursaturé en carbone ; les atomes de carbone disposés en insertion dans le réseau cubique centré α créent une distorsion de ce réseau amenant la cristallisation suivant une maille quadratique. La transformation martensitique de l’austénite est régie par l’abaissement de température. Elle se produit pour chaque composition d’acier à partir d’une température bien définie M_s et se termine à une température M_f.

Le refroidissement de l’alliage au cours du traitement peut s’effectuer également suivant un cycle particulier avec un palier de maintien à une certaine température, ce qui permet la transformation isotherme de l’austénite instable en constituant ou en agrégat stable. Le traitement de trempe interrompue, ou trempe étagée ou encore trempe isotherme, se pratique à partir des indications données par le diagramme TTT (température-temps-transformation), appelé également « courbe en S ». Ce diagramme représente la cinétique de transformation de l’austénite instable, en fonction du temps et de la température, par deux courbes, l’une correspondant au début et l’autre à la fin de cette transformation. Ainsi, dans le cas d’un acier ordinaire à 0,9 p. 100 de carbone traité par refroidissement rapide de 770 à 400 °C et maintenu à cette température pendant une vingtaine de minutes, la transformation isotherme de l’austénite instable aboutit à la formation d’un constituant particulièrement fin, la bainite, difficile à résoudre au microscope, de dureté notable (H Brinell = 500) et formée par un agrégat très intime de ferrite et de cémentite. Ce traitement est appelé trempe bainitique. Lorsque le temps de maintien isotherme est plus court, par exemple de deux minutes à 250 °C pour ce même acier, suivi d’un refroidissement rapide à la température ambiante, on obtient une structure totalement constituée de martensite : c’est la trempe isotherme martensitique. L’intérêt des traitements isothermes pour certains aciers alliés, par rapport aux traitements classiques de trempe et de revenu, est d’obtenir des structures à haute dureté et souvent moins fragiles. De plus, ce cycle de refroidissement moins brutal que le refroidissement rapide continu permet la relaxation des contraintes internes dues au choc thermique, ce qui entraîne moins de déformations des pièces et évite les tapures, ou fissurations de trempe.

Plusieurs facteurs interviennent sur les résultats de la trempe, notamment la composition chimique, les conditions de chauffage avant trempe, les conditions de refroidissement, les formes et les dimensions des pièces à traiter.

• Les éléments d’alliage modifient les conditions de trempe, les structures obtenues après traitement et, de ce fait, les caractéristiques physiques et mécaniques. Dans les aciers, le nickel et le manganèse abaissent les points de transformation A₁ et A₃, augmentant ainsi le domaine austénitique à chaud, alors que le chrome et le molybdène agissent en sens inverse. Ces mêmes quatre éléments diminuent la température de transformation martensitique et déplacent vers des temps plus longs les courbes de décomposition isotherme de l’austénite instable, modifiant ainsi la vitesse critique de trempe et permettant l’obtention plus facile du constituant martensite. Pour une composition bien appropriée d’acier à 0,3 p. 100 de carbone, à 5 p. 100 de nickel et à 1,5 p. 100 de chrome, la vitesse critique de trempe est tellement abaissée que la structure martensitique est réalisée par un refroidissement relativement lent de la pièce à l’air calme, sans immersion brutale dans un fluide refroidisseur : un tel acier est appelé autotrempant.

Cette aptitude d’un alliage à subir une transformation par trempe est dénommée trempabilité et se caractérise par des essais particuliers de trempe d’échantillons de diamètres croissants ou par la trempe en extrémité d’un échantillon de dimension normalisée (essai Jominy). Elle permet de définir la vitesse critique de trempe et la profondeur de pénétration de trempe, particulièrement utile à connaître pour le traitement à cœur des pièces de grandes dimensions. C’est la faible pénétration de trempe des aciers ordinaires qui oblige à utiliser des aciers spéciaux au nickel et au chrome pour le traitement de pièces massives.

• Le chauffage avant trempe est primordial pour que toute la pièce en acier subisse une transformation homogène et soit constituée de la solution solide austénite. La température à atteindre dans toute la pièce doit être supérieure d’environ 50 °C à la température A₃, et le temps de maintien suffisant pour assurer l’homogénéité de la structure, particulièrement pour les aciers riches en carbures de chrome (aciers d’outillage).

• Le cycle et la vitesse de refroidissement sont déterminés par le milieu de trempe. Différents facteurs influent sur les conditions de refroidissement : la nature du milieu de trempe (eau, huile, saumure, bain de sels, air, azote, etc.), les caractéristiques physiques de ce milieu (conductibilité thermique, stabilité physico-chimique et chimique, pouvoir mouillant, vaporisation gênante), la température (ambiante, eau réfrigérée, eau ou huile tiède, bain de sels fondus) et l’agitation des pièces ou du milieu (air calme, air soufflé, bain agité, circulation du bain, etc.). Des essais permettent de caractériser le pouvoir trempant du milieu de trempe, et particulièrement des huiles, par la détermination de la vitesse de refroidissement d’une éprouvette (drasticimétrie).

• La forme, les dimensions et parfois l’état de surface des pièces ont une influence sur le résultat du traitement. Il faut veiller aux variations d’épaisseur, aux congés de raccordement, aux trous, aux dégagements dans les pièces, ainsi qu’à leur disposition sur les supports durant le chauffage et à leur orientation lors de l’immersion dans le bain de trempe. Ces précautions évitent certains défauts tels que déformations, criques, tapures, décarburation superficielle, etc.