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Applications
5-1. Traitements thermiques dans la masse
5-1.1. Trempe étagée
5-1.2. Recuit
5-1.3. Par le froid
5-1.4. Durcissement par précipitation
5-2. Traitements thermomécaniques
5-3. Traitements superficiels
Traitements thermiques
5-1.1. Trempe étagée
Choix du milieu de trempe dépend de la masse de la pièce à traiter et de la position de la courbe TTTAttention aux vitesses trop rapides qui conduisent à de forts gradients thermiques (tapures)
Bain de sel (T un peu supérieure à MS) afin d’homogénéiser les températures.Refroidissement air
Traitement particulier
Martenpering Austempering
Sans passer par ledomaine bainitique
Transformation partielledans le domaine
bainitique
Trempe étagée martensitique Trempe étagée mixte
Trempe étagée bainitique Trempe étagée perlitiqueBainite inférieure. Propriétés comparables à lamartensite revenue (une opération de moins)
Transformationbainitique achevée
Traitements thermiques dans la masse
Trempe étagée
5-1.2. Recuit
Ensemble de traitements variés dont le but est de conduire à des états proches de l’équilibretant au point de vue métallurgique que mécanique
Microstructure homogène Amélioration de la ductilité et de l’usinabilité Réduction des contraintes résiduelles
Maintiens en température relativement longs et vitesses de refroidissement faibles, conduisant àdes microstructures à base de ferrite et cémentite (ou carbures)
Traitements thermiques dans la masse
Recuit
Cycle thermique Chauffage jusqu’à la température de traitement Maintien isotherme ou oscillations autour Refroidissement à l’air calme ou au four coupé
Température au dessus de Ac1 Recuit d’homogénéisation
Elimination des hétérogénéités chimiques dues à laségrégation mineure (après la coulée, avant laminageà chaud ou forgeage)
Maintien de métal dans le domaine austénitiqueDiffusion d’autant plus grande que la température estélevée
Risque de surchauffe provoquant le grossissementdes grainsRisque de fusion partielle conduisant à l’altérationdes joints de grain
Traitement de normalisation
Structures ferrito-perlitiques avec des grains ferritiquesfins (germination de nouveaux grains γ dans l’intervalleAc1-Ac3 ou Ac1-Acm) et de faibles espacementsinterlamellaire (perlite - refroidissement lent)
Vitesse de refroidissement plus rapide (air calme) que lerecuit complet
Microstructure très homogène à bonne résistancemécaniqueBon état initial pour le une austénitisation avant trempe
HOMOGENEISATION
NORMALISATION
Recuit de régénération
Recuit complet (ou recuit)
Permet d’éviter la fragilité liée à la présencede carbures en réseau intergranulaire
Austénitisation complète pour les aciershypo (température de maintien vers Ac3+50°C)Austénitisation partielle pour les aciers hyper(Ac1+ 50°C) : globulisation partielle de lacémentite proeutectoïde
Ferrite et perlite grossières : résistance etdureté faibles mais ductilité élevée
Permet l’affinement du grain des pièces forgées à hautetempérature, des pièces moulées, des zones voisines des jointssoudés, des pièces ayant subi un traitement d’homogénéisationou une austénitisation trop élevée
Chauffage sans maintien prolongé à une température légèrementsupérieure à Ac3 (hypo) ou Ac1 (hyper)Refroidissement pas trop lent aux alentours de 750-600°C car legrain de ferrite peut regrossir (acier avec faible %C)
Traitements thermiques dans la masse
Recuit
RECUITCOMPLET
Recuit de globulisation Température en dessous de Ac1
Permet l’augmentation de la capacité dedéformation (tréfilage des aciers perlitiques)
Chauffage juste en dessous de Ac1Maintien prolongé à cette température (ouoscillation)Refroidissement lent de manière à obtenir unecoalesence poussée de la cémentite
Processus deglobulisation de lacémentite à partird’une perlitelamellaire
Peut être obtenu parun revenu prolongéen dessous de Ac1d’une structureinitialementmartensitique (plusfacile)
Traitements thermiques dans la masse
Recuit
GLOBULISATION
Etat initial (perlite)
Etat intermédiaire
(globulisation)
Fin du recuit(état globulisé)
RecristallisationStructure écrouie est remplacée par une nouvellestructure à grains reformés
Traitement à une température de recristallisation(fonction du taux d’écrouissage) conduisant à lagermination et croissance jusqu’à contact mutuel denouveaux grains
RestaurationRestaurer en partie les propriétés physiques etmécaniques, sans modification apparente de lastructure
Annihilation partielle des lacunes et dislocations
Réarrangement en parois de certaines dislocations(polygonisation)
Traitements thermiques dans la masse
Recuit
Recuit de restauration et recristallisation
Le travail à froid d’un métal par déformation (laminage, filage) conduit à une structure écrouie,caractérisée par une forte déformation orientée des grains, associée à de très fortes densités dedéfauts (lacunes et dislocations). De plus, un métal écroui devient fragile
Pour un acier à 0.3%C et un taux d’écrouissage de 70%, Rm peut passer de 600 à 1000 MPa alorsque A passe de 30 à 2%
Début de recristallisation
Structure finale recristallisée
Recuit de détente
Réduction ou élimination des contraintes résiduelles dues :
à des refroidissements rapides de grosses pièces,
à la trempe,
à des opérations de soudage,
à des opérations d’usinage,
à des opérations de travail à froid
Traitement à une température inférieure à celle de la recristallisationVitesses de chauffage et de refroidissement faibles pour ne pas introduire de nouvellescontraintes
Contrairement à la recristallisation, pas de modification des propriétés mécaniques (maintiende la dureté liée à un écrouissage initial)
Traitements thermiques dans la masse
Recuit
HOMOGENEISATION
REGENERATION
RECRISTALLISATION
DETENTE
RECUIT COMPLET
Le recuit : résumé
Recuit d’homogénéisation : réduit ouélimine l’hétérogénéité chimique
Recuit de normalisation : état initial idéalavant austénitisation et trempe
Recuit complet : en vue de faciliterl'usinage ou la déformation à froid
Recuit de régénération : affine le grain
Recuit de recristallisation : sur produitsécrouis
Recuit de détente : fait disparaître lescontraintes résiduelles
Ensemble de traitements variés dont le but est de conduire à des états proches de l’équilibre tant aupoint de vue métallurgique que mécanique.Maintiens en température relativement longs et vitesses de refroidissement faibles, conduisant àdes microstructures à base de ferrite et cémentite (ou carbures)
Traitements thermiques dans la masse
Recuit
Traitements thermiques dans la masse
Froid
5-1.3. Traitements par le froid
Austénite résiduelle
MF<Tambiante
Diagramme TRCVariation de fA avec la vitesse derefroidissementMaximum atteint pour la vitessecritique de trempe
Courbes dilatométriquesTransformation de l’austénite partrempe jusqu’à -196°C
Faitsexpérimentaux
60NiCrMo11
Complément au traitement des aciers à haute résistanceCompléments aux aciers cémentés ou carbonitrurés (transformation martensitique des couchesenrichies en carbone et azote)Compléments aux aciers à outilsAmélioration de la stabilité dimensionnelle des pièces de précision
Applications
Acier à outils0.8%C, 4%Cr, 8%Mo, 1.5%W, 1%V
Augmentation sensible de la dureté, de la résistance et surtout dela limite d’élasticité avec la proportion d’austénite transformée
Essais isothermes Transformationmaximale pour un maintien entre -50 et -100°C
Essais anisothermesRefroidissement rapide limitel’amplitude de la transformationCompensation par un réchauffage lent
Traitements thermiques dans la masse
Froid
Traitements par le froid
5-1.4. Traitement de durcissement par précipitation
Aciers inoxydables ferritiques (et ferrito-martensitiques)
Précipitation de β’
‘Désursaturation’
Composé intermétallique (liaison partiellement métallique et covalente),moins conducteurs mais plus durs
Structure cristalline voisine de la ferriteGermination facile de ce composé dans laferriteDispersion initiale des précipitésPropriétés mécaniques dépendent de leurforme, répartition, taille et structure
Acier inoxydable ferritique2%Ni, 19%Cr, 2%Al
Perte de dureté : coalescencedes précipités
Précipitation dans la ferrite
MET
Traitements thermiques dans la masse
Précipitation
Principe1/ Remise en solution des éléments d’addition2/ Obtention de solutions solides sursaturées métastables, au cours du refroidissement3/ Traitement ultérieur de ‘désursaturation’
Aciers inoxydables austénitiques
Acier inoxydable austénitique0.02%C, 25.9%Ni, 14.5%Cr, 1.17%Mo, 2.09%Ti
ExempleAciers à bonne résistance à chaudMise en solution complète des différentes phases parmaintien de 4 heures à 1000°C puis trempe à l’eau
Dureté maximale augmente avec la durée du maintienDécomposition de la solution solide sursaturée en troisétapes :- pré-précipitation de petits domaines enrichis enatomes de soluté- précipitation de γ ’ et Ni3Ti- coalescence des précipités, ‘survieillissement’
Traitements thermiques dans la masse
Précipitation
(& Ni3Ti)
Principal représentant des aciers à hautes caractéristiques mécaniquesDurcissement par précipitation dans la matrice martensitique18%Ni, 8-10%Co, 3-5%Mo, 0,2-1,5%Ti, 0,1%Al et teneurs en C (0,03%) et S les plus faibles possibles
Traitement thermique en deux étapes :- mise en solution complète des différentes phases à 820°C puis trempe à l’eau; le refroidissementconduit à une martensite de structure cubique centrée (faible teneur en carbone) ayant une faibledureté et forte ductilité- traitement de durcissement entre 450 et 520°C
Deux types de précipitation- à basse température, petiteszones riches en Mo- à température plus élevée,composé intermétallique (Fe, Ni,Co) Mo
Durcissement accéléré avec latempératureDureté maximale diminue avec latempérature du revenu
2 heures à 500°C
Traitements thermiques dans la masse
Précipitation
Aciers Maraging (Martensite Aging)
Alliages d’aluminiumExemple avec l’alliage Aluminium-Cuivre (4%)
Traitement thermique en deux étapes :- mise en solution à 530°C. Cuivre totalement dissous- refroidissement rapide à température ambiante par trempe (eau ou huile). A températureambiante : solution solide fortement sursaturée- Revenu : maintien pendant 100 heures à 150°C (vieillissement). Transformation de la solutionsolide sursaturée en un mélange α + Al2Cu (θ) . Structure fine. Durcissement de l’alliage. (Sitraitement à l’ambiante : maturation)
θθ
α
α
α
L+α
Refroidissementlent (typique)
Refroidissementrapide (idéal)
= Al2Cu
Précipitation
Traitements thermiques dans la masse
Alliages d’aluminiumExemple avec l’alliage Aluminium-Cuivre (4%)
Revenu : solution solide se décompose en plusieurs étapes.a) Zone GP (Guinier-Preston) : rassemblements d’atomes
de cuivre // plans {100} de la matrice. Précipitationcohérente
b) Phase θ’’ : plaquettes très fines (2 à 50 nm), cohérentes.Atomes de Cu et Al ordonnés
c) Phase θ’ : composé tétragonal. Semi-cohérent avec lamatrice.
d) Phase θ : composé d’équilibre Al2Cu. Incohérent
Revenu < 200°C : décomposition qui s’arrête à θ’’ ou θ’Revenu > 200°C : obtention directe de θ’Revenu = T° ambiante (maturation) : zones GP
a) b) c) d)
Précipitation
Durcissement passe par un maximum : taille etrépartition optimale des précipités (au delà,
coalescence ou formation de θ)
Traitements thermiques dans la masse
5-2. Traitements thermomécaniques à haute température
Déformation plastique de l’austénite chauffée à950°C, dans la zone de stabilitéTrempe de cette austénite déforméeCaractéristiques de traction et ténacitéaméliorées
Domaine des aciers de construction soudables(ferrite et perlite)
TTMHT permet d’obtenir un bon compromis entre lespropriétés mécaniques et la soudabilité
déformationinfluence fortementles transformations
favorise laformation de ferriteà grains fins
Comparaison desconditions detransformation aprèsécrouissage (30% encompression - orange)ou non
Acier 18Mn5
Ausforming
Traitements thermomécaniques
Domaine des aciers à hautes caractéristiqueset aciers à outils pour travail à chaud
TTMHT
Laminage à chaud
Chauffage entre 1100 et 1250°C (état austénitique à grosgrains) Courbes contrainte-déformation à unetempérature donnéeEvolutions métallurgiques pendant l’essai (trempessuccessives)Mise au point de schémas de laminage contrôlé
Mécanismes
Grainsausténitiquespolygonaux
EcrouissageAplatissement etallongement
Stabilisation àgrains équiaxes
Recristallisationaux joints degrains
Traiements thermomécaniques
TTMHT
ApplicationsLaminage des tôles fortesAciers au carbone Poutrelles, ronds à béton (revenu à lasurface et structure ferrite perlite à grain fin à cœur)Aciers alliés Produits plats (inox austénitique : σe de 300 à700 MPa), longs (barres pour forage pétrolier), barresprétraitées
5-3. Traitements superficiels
Contraintes appliquées enflexion
Gradient de contraintesrésiduelles
Pourquoi
Dureté superficielleTout en maintenant ductilité et résilience suffisante en volumeAugmentation de la résistance à l’usureContraintes résiduelles de compressionAugmentation de la résistance à la fatigue et à la corrosionintergranulaire
+
Transformation et diffusion(modification ou pas de lacomposition chimique)
Comment
But
Industrie mécanique : surface des organes desmachines qui subit les sollicitations les plus sévèresIntérêt économique à ne traiter qu’une partie de la pièce
Traitements superficiels
XC42
Transformation structuraleObtention d’une structure martensitique dans une couchesuperficielle de quelques mmAusténitisation rapide localisée (transfert thermique)d’une zone superficielleRefroidissement énergique (convection ou trempe)
• Austénite
• Martensite
Durcissement par trempe
Fe C
γ
α+γ
αα +
Fe3C
γ +Fe3C
0.42%
T•
MartensiteDureté élevéeΔV>0Contraintes decompression
Traitements superficiels
t
T
Ms
AC3
AC1
M+A
A
A+F+C
A+F
Mf •
Chauffage
par induction
au chalumeau
Laser
torche plasma
Diffusion dans γ• Enrichissement encarbone dans une couchesuperficielle (900-950°C)avec maintien de plusieursheures• Mise en contact avec unmilieu carburant• Diffusion suivie par unetrempe
XC10
Carbone
Cémentation
Fe C
γ
α+γ
αα + Fe3C
γ +Fe3C
0.10%
T•
T
t
Ms
AC3
AC1
M+A
A
A+F+C
A+F
•
• Austénite
• Martensite + γ résiduelle
Réaction chimique2CO ⇔ CO2 + C(γ) CH4 ⇔ 2H2 + C(γ)
Traitements superficiels
Teneur en carbone < 0.2%C10, C12 : aciers doux de cémentation facile résistant à l’usure (axes, engrenages, pignons)16NiCrMo13, 20MoCr5 : aciers alliés de trempabilité moyenne et élevée ayant une bonne résistance auchoc et limite d’endurance (pignonnerie aéronautique, gros roulements)
Aciers de cémentation
Diffusion dans αDiffusion d’azote sans traitementthermiqueNitruration gazeuse : NH3 ⇔ 3H + N(α)
Nitruration
z
σR-600 MPa
ε et γ ’ Couche decombinaison
5 à 50 µm
Nitroferrite et précipités CrN, AlNΔV>0
Couche dediffusion
0.2 à 1 mm
Métal de base
Profondeurconventionnelle
de nitruration
Exemple30CrMoV12 trempé et revenuDureté obtenue 1000HV
AvantagesAucun traitement thermiqueStabilité thermique de la coucheStabilité du champ de compressionInconvénientsDurée du traitement (10 à 100 heures)
Fe2-3N ( HC)Fe4N ( CFC)
Traitements superficiels
z
HVHV0
HV0+100