traitement thermique (suite)

Lorsqu’on recherche un durcissement localisé en surface des pièces, il est possible de ne tremper que des couches superficielles par un chauffage strictement limité, sans échauffement notable du cœur des pièces. Le chauffage à la flamme d’un chalumeau ou par induction électromagnétique à haute fréquence (effet Kelvin) permet d’échauffer rapidement et localement certaines pièces, et de les tremper par aspersion d’un jet d’eau. On traite ainsi les portées de vilebrequins, les dents de grands engrenages, l’intérieur de chemises de moteurs, les axes de pistons, les surfaces frottantes de bancs de machines-outils ou de glissières. Pour certaines applications, cette technique de trempe superficielle permet de notables économies en remplaçant un acier allié par un acier ordinaire et en évitant le durcissement de surface par traitement de cémentation.

Le revenu

Le revenu est un traitement thermique qui suit obligatoirement la trempe, par chauffage à une température inférieure au point de transformation. Son objet est d’atténuer les effets de la trempe en modifiant et en homogénéisant la structure ainsi que les caractéristiques mécaniques, mais aussi de diminuer les tensions internes pouvant résulter du refroidissement rapide continu. Après trempe, un acier est généralement dur, mais fragile. Le revenu permet de mieux harmoniser les caractéristiques mécaniques en obtenant les valeurs optimales appropriées à l’utilisation des pièces : diminution de la dureté, de la charge de rupture à la traction, de la limite d’élasticité, mais, en contrepartie, augmentation de la résilience et de l’allongement à la traction. Il se pratique par un réchauffage progressif des pièces trempées, soit à une température relativement basse, vers 250 °C pour la disparition des tensions internes, soit à une température plus élevée, généralement comprise entre 400 et 600 °C pour la modification des caractéristiques des aciers. Le temps de maintien en température doit être suffisant, parfois de plusieurs heures, pour permettre une homogénéisation structurale des pièces : un temps de revenu plus long peut compenser partiellement une température de traitement moins élevée.

Au cours du revenu de la martensite des aciers, lors du réchauffage, des modifications structurales se produisent progressivement :
1. Vers 200 °C, durant la relaxation des contraintes internes à l’échelle de la pièce, la martensite quadratique se transforme en martensite cubique en rejetant un excès partiel d’atomes de carbone, qui forment un carbure de fer instable (percarbure Fe₂C) ;
2. De 350 à 500 °C, la martensite cubique se décompose en agrégat stable de fines particules de ferrite et de cémentite, sous forme du constituant typique de revenu, la sorbite. Cette décomposition entraîne une baisse notable de la dureté.
3. Au-dessus de 500 °C, les particules de cémentite s’agglomèrent en donnant une structure grossière de sorbite ; pour les aciers riches en chrome, il se forme des carbures de chrome durs ; d’où un « durcissement secondaire » partiel.

Certains aciers au nickel et au chrome peuvent présenter un défaut de fragilité par revenu vers 400 à 550 °C, consécutif à la précipitation de carbures aux joints de grains (maladie de Krupp). Ce défaut est évité soit par un refroidissement rapide dans la zone des températures dangereuses, soit, avec plus de sécurité pour les traitements, par l’addition de 0,3 p. 100 de molybdène.

Le durcissement structural

C’est un traitement particulier de revenu après trempe que subissent certains alliages qui possèdent un composé défini dur dont la solubilité diminue avec l’élévation de température. Les alliages typiques présentant ce phénomène sont les alliages d’aluminium contenant de 2 à 5 p. 100 de cuivre : à l’état recuit, à froid, ces alliages sont constitués d’une solution solide α de cuivre dans l’aluminium et du composé dur Al₂Cu (phase θ) ; à chaud, ce composé disparaît, suivant une courbe de solubilité, et seule subsiste la solution solide α. Le traitement consiste à chauffer l’alliage par exemple à 4 p. 100 de cuivre à une température t₁ supérieure à la température limite de solubilité t₂ et à le tremper à la température ambiante t₃. À cette température, l’alliage est constitué par la solution solide α, maintenue par trempe dans un état instable et, de ce fait, sursaturée en cuivre par rapport à l’équilibre physico-chimique normal. Le durcissement structural proprement dit se produit à partir de cet état trempé et évolue avec le temps de différentes façons suivant la température de traitement. Par maintien à température ambiante t₃ ou à une température modérée t₄ jusqu’à 100 °C, l’alliage durcit progressivement, d’autant plus rapidement que la température est élevée : ce traitement est celui de maturation ou de vieillissement. Lorsque le traitement de revenu est poursuivi à une température plus élevée, t₅ ou t₆ (toujours inférieure à t₂), l’augmentation de la dureté ou de la charge de rupture se produit encore plus rapidement, en atteignant des valeurs maximales qui décroissent ensuite.

Les phénomènes physico-chimiques que l’on observe durant les stades successifs du durcissement structural sont complexes et n’ont pu être mis en évidence que par des examens au microscope électronique ou par radiocristallographie.

Au début de la maturation, les atomes de cuivre de la solution solide trempée sursaturée migrent dans le réseau cristallin et se rassemblent sous la forme d’amas plans de quelques centaines d’angströms de longueur et quelques dizaines d’angströms d’épaisseur (zones Guinier-Preston). À partir de ces amas se développent des plaquettes, non visibles au microscope optique, de phase θ″, puis de phase θ′, dont la finesse de précipitation, de l’ordre de quelques dixièmes de microns, est responsable du maximum de dureté. Ce phénomène se poursuit ensuite par la précipitation et le grossissement de la phase stable θ (composé Al₂Cu), visible au microscope optique, mais correspondant à un léger adoucissement. Un traitement particulier, dit de réversion, permet de ralentir la progression du durcissement structural en réchauffant l’alliage vers 200 °C après les premières heures de maturation. L’alliage léger industriel Duralumin (formé d’aluminium, avec 4 p. 100 de cuivre, 0,7 p. 100 de magnésium, 0,5 p. 100 de manganèse et 0,5 p. 100 de silicium) est l’alliage type sur lequel les phénomènes de durcissement structural ont été mis en évidence. Après trempe, il peut être déformé à température ambiante, sa maturation ne commençant effectivement qu’au bout de plusieurs heures. Il est également possible de différer sa maturation de plusieurs jours en le maintenant après trempe à une température de – 30 °C.