SUPPORT DE COURS MATERIAUX METALLIQUES - … · la composition. 2. ... G20Mn5, G24Mn6 (Aciers non alliés). G10MnMoV6-3, G18NiMoCr3-6, GX4CrNiMo16-5-1, GX2CrNi23-13, X8CrNi25-21 (Aciers

SUPPORT DE COURS

MATERIAUX METALLIQUES

Elaboré par :

MESSAOUI Mosbah : Maitre Technologue à l’ISET de Gafsa

Année universitaire : 2014-2015

Institut Supérieur des Etudes Technologiques de Gafsa

املعهد العايل للدراسات التكنولوجية بقفصة

Département de Génie Mécanique

قسم اهلندسة امليكانيكية

République Tunisienne Ministère de l’enseignement supérieur, de la recherche scientifique et de la Technologie

Direction Générale des Etudes Technologiques

ISET- Gafsa DGM Mr: MESSAOUI.M

Support de Cours - 2 - Matériaux Métalliques LA-GM (L1-S2)

SOMMAIRE

CHAPITRE 1

DESIGNATION DES METAUX

1. Symboles chimiques et AFNOR des métaux purs……………………………………….. 7

2. Aciers non alliés (aciers au carbone)………………………………………………………. 7

3. Aciers faiblement alliés pour haute résistance…………………………….……………… 9

4. Aciers fortement alliés………………………………………………………………….... 10

5. Les fontes………… …………………………….……………………………...…………. 11

6. Aluminium et alliages……………………………………………………………………... 13

7. Cuivre et alliages...………………………………………………………………………… 15

CHAPITRE 2

DIAGRAMME D’EQUILIBRE DES ALLIAGES BINAIRES

1. Généralités……………………………………………………………………………..….. 17

2. Loi des phases (Loi de Gibbs)…………...……………………………………………….... 17

3. Alliage binaire constitué de deux phases en équilibre….…………………..…………….. 18

4. Alliage à une solution solide unique…..………………………...………………………... 19

5. Alliage à deux solutions solides avec un point eutectique………………………………. 20

6. Courbes de refroidissement L S d’un alliage…………………………………...………. 21

7. Courbes de refroidissement d’un alliage à l’état solide…………………………………… 22

CHAPITRE 3

DIAGRAMME D’EQUILUILIBRE FER CARBONE

1. Les aspects du fer et du carbone dans les alliages Fe-C………………………………….. 24

2. Les deux types de diagramme Fe-C……………………………………………………..... 25

3. Diagramme Fe-C métastable simplifié………………..………………..………………… 25

CHAPITRE 4

LES TRAITEMENTS THERMIQUES

1. Introduction……………..…………………………….…………………..……………… 30

2. Transformations des phases des aciers au refroidissement……………......……………. 33

3. La trempe des aciers………...……………………………………………..……………… 44

4. Le revenu des aciers………...……………………………………………..……………… 46

5. Recuit des aciers…………………...…………...…………………………..……………… 47

CHAPITRE 5

LES TRAITEMENTS DE SURFACES

1. Introduction…………………...………………………..…….…………………………… 50

2. Traitements mécaniques…………………………...……….…………..…………………. 50

3. Traitements superficiels de durcissement………..………………………………. 51

4. Traitements thermochimiques………………...……………………………………….. 53



Présentation

Ce support de cours est destiné aux étudiants du Semestre I des ISET,

Mention génie mécanique, faisant partie du programme de la licence

appliquée et conformément au programme des ISET dans cette discipline

et il est consacré à l’élément constitutiff 2 (ECUE 2) intitulé Matériaux

métalliques de l’unité d’enseignement (UE) intitulée matériaux.

Il est rédigé d'une manière pour introduire ces étudiants rapidement dans

une discipline technologique et ainsi pour leur donner un support

indispensable pour leurs études individuelles.

Dans ce support de cours, On se limite à une description globale et à

travers des exemples simples. Cependant, il y'a un espace suffisant pour le

traitement plus détaillé dans les travaux dirigés ainsi que dans les

travaux pratiques de cette unité d’enseignement.

Toutes fois, il est à noter que nous considérons que cette première mise à

jour comme des notes préliminaires qui restent toujours dans une

nécessité pour des améliorations ultérieures et toute remarque et toute

notification de toute personne intéressée.

MESSAOUI. M

Janvier 2010



Chapitre * 1

DESIGNATION DES METAUX

Désignation des Métaux et alliages selon le nouveau système CEN Progressivement à partir

du mois de novembre 1992:

NB: Il est à noter qu'à la période actuelle est caractérisée comme période transitoire, deux systèmes de

désignation sont pratiquement utilisés: Le nouveau système CEN et l'ancien système de l'AFNOR qu'il faut

le voir dans la documentation technique.

I. Symboles chimiques et AFNOR des métaux purs:

Symbole

AFNOR

Symbole

chimique

Elément Symbole

AFNOR

Symbole

Chimique

Elément

D

N

Nb

P

Pb

Se

S

F

Ta

T

W

V

Z

Zr

Mo

Ni

Nb

P

Pb

Se

Si

S

Ta

Ti

W

V

Zn

Zr

Molybdène

Nickel

Niobium

Phosphore

Plomb

Sélénium

Silicium

Soufre

Tantale

Titane

Tungstène

Vanadium

Zinc

Zirconium

A

R

Az

Be

Bi

B

Cd

C

K

U

E

Fe

G

M

Al

Sb

N

Be

Bi

B

Cd

Cr

Co

Cu

Sn

Fe

Mg

Mn

Aluminium

Antimoine

Azote

Béryllium

Bismuth

Bore

Cadmium

Chrome

Cobalt

Cuivre

Etain

Fer

Magnésium

Manganèse

II. Aciers non alliés (Aciers au carbone) :

1. Aciers non alliés d’usage général (S, E, etc.) :

Caractérisés par une faible teneur en carbone, ce sont les plus utilisés. Ils existent dans des qualités

diverses (JR, JO, J2, K2…) et des variantes réservées à des usages particuliers (moulage,

soudage…). La plupart sont disponibles sous forme de laminés marchands (Profilés, poutrelles,

barres, tôles…) aux dimensions normalisées. Certains sont proposés en semi – fini : pré laqués,

galvanisés, nervurés, ondulés etc…



Applications : (Construction soudée, formage à froid ou à chaud, emboutissage, étirage, laminage,

pliage…) : carrosseries, fers, et profilés pour le bâtiment, construction navale, plate-forme

pétrolière, trains chaudronnerie, ameublement, électroménager.

Désignation: la désignation comprend une lettre (S, E, etc.) suivie de la limite élastique à la

traction Re en MPa ou N/mm2. S’il s’agit d’un acier moulé la désignation est précédée de la lettre

G.

G S 355 NL

Exemple : GE 335, GS 235.

Remarques : les valeurs de Rr, Re, A% et Kv indiquées varient d’une qualité à l’autre, dépendent des

procédés de fabrication, des traitements, des épaisseurs d’un produit à l’autre.

2. Aciers spéciaux, non alliés, de type C :

Applications : Destinés aux traitements thermiques (trempe, cémentation) des pièces petites ou

moyennes, ils sont caractérisés par un ajustement précis de leur composition chimique, une plus

grande pureté et des éléments d’addition en très faible quantité (Mn < 1% ; Cr+Ni+Mo < 0,63%).

Désignation: La désignation comprend la lettre C suivi du pourcentage de carbone multiplié par

100 plus au besoin des indications complémentaires (E : teneur en soufre, C : formage à froid, S :

ressort,

D : tréfilage…)

Exemple : GC35 E : 0,35 % de carbone, G = acier moulé, E = teneur maxi en soufre.

Principales nuances normalisées : Les caractéristiques mécaniques varient selon les traitements

et les dimensions.

Aciers à faible teneur en carbone (<0,3%) : Ils sont réservés à la cémentation (voir traitement

thermique) et aux traitements de surface (catégorie des aciers doux).

Aciers à teneur moyenne en carbone (0,3 à 0,5%) : Ils sont utilisés pour les trempes et les revenus,

dans le cas d’applications exigeant une plus grande résistance et une certaine tenue à l’usure

(catégorie des aciers mi-durs). Ils sont utilisés pour les pièces moulées et forgées, les arbres les

axes, les engrenages, la visserie…

Acier moulé

(si nécessaire).

S : aciers de construction.

E : aciers de construction

mécanique.

P : aciers pour appareils à

pression.

B : aciers à béton.

H : produits plats pour

formage.

L : aciers pour tubes.

M : aciers électriques.

Etc.

Limite élastique Re en N/mm2.

Indication

complémentaire :

F : forgeage.

N : normalisé.

M : laminage.

Q : trempé et

revenu.

L : basse

température.

Etc…



Aciers à haute teneur en carbone (>0,5 %) : Ils sont employés pour des applications exigeant :

grandes duretés, haute résistance, tenue à l’usure. Ils ont tendance aux déformations après

trempe. Ils perdent leurs propriétés aux hautes températures. Ne durcissant pas en profondeur

ils sont surtout utilisés pour des pièces petites en volume ou minces : (Pièces forgées, ressorts,

lames, rasoirs, forets, matrices…).

Exemple : C55 (XC55) ; C60 ; C65 ; C70 ; C80 (XC 80).

III. Aciers faiblement alliés pour haute résistance :

Pour ces aciers, aucun élément d’addition ne dépasse 5 % en masse (Mn ≥ 1 %). Ils sont choisis

chaque fois qu’une haute résistance est exigée. Ils sont utilisés en l’état ou avec traitement.

Désignation : La désignation comprend le pourcentage en carbone multiplié par 100, suivi des

symboles chimiques des principaux éléments d’addition classés en ordre décroissant. Puis, dans le

même ordre, les pourcentages de ces mêmes éléments multipliés par 4, 10 ,100 ou 1000 plus au

besoin des indications complémentaires.

G 35 NiCrMo 16 …

Exemple : G 35 NiCrMo 16 (0,35 % de carbone, 4 % de nickel et des traces < 1 % de chrome et de

molybdène, G = acier moulé).

1. Aciers de cémentation (% en carbone < 0,2 %):

En plus de la cémentation, ils peuvent recevoir une trempe dans la masse : trempabilité fonction de

la composition.

2. Aciers pour trempe dans la masse :

Ils permettent la trempe en profondeur des pièces massives, et sont beaucoup plus performant que

les aciers de type C.

Classement par résistances croissantes possibles : 28Mn6, (20MnCr5 – 38Cr2 – 46Cr2 – 20NiCr6

– 20CrMo4), (41Cr4 – 30NiCr11 – 34CrMo4 – 41CrAlMo7), (55Si7 – 45SiCrMO6), (42CrMo4 –

51CrV4 – 50CrMo4), (34CrNiMo6 – 31CrMo12 – 30CrNiMo8 – 36NiCrMo16).

Remarque : L’acier 100Cr6 existe dans les variantes 100CrMn6, 100CrMo7.2, 100CrMnMo8 etc.…

et il est utilisé pour les roulements.

IV. Aciers fortement alliés :

Acier moulé

(Si nécessaire).

% de carbone

multiplié par 100

Principaux éléments

d’addition Classés dans

l’ordre décroissant.

Teneur en % des

éléments d’addition

classés dans l’ordre

décroissant

x 4 pour Cr, Co, Mn, Ni, Si, W.

x 10 pour : Al, Be, Cu, Mo, Nb,

Pb, Ta, Ti, V, Zr.

x 100 pour : Ce, N, P, S.

x 1000pour B.



Ils sont destinés à des usages particuliers (inoxydables…). Pour ces aciers au moins un élément

d’addition dépasse la teneur de 5 % en masse.

Désignation : La désignation comprend la lettre X, symbolisant la famille, suivie des mêmes

indications que pour les aciers faiblement alliés. Avec la seule différence c’est que pas de coefficient

multiplicateur pour les pourcentages des éléments d’addition.

G X 6 CrNiTi 18-11

Exemple : G X 6CrNiTi18-10 : (0,06 % de carbone, 18 % de chrome, 11 % de nickel et des traces de

titane (< 1%), G pour acier moulé.

1. Aciers inoxydables :

Famille très importantes, caractérisée par une grande résistance à la corrosion, à l’oxydation à

chaud, au fluage (déformation sous des contraintes pour des longues durée) et subdivisée suivant la

teneur en nickel (2,5 %).

1.1. Aciers inoxydables austénitiques (Cr + Ni) :

Ces aciers, les plus utilisés sont les plus résistants à la corrosion (Ni > 7 %). Leurs caractéristiques

sont :

Bonne tenue aux températures élevées.

Ductilité (A % élevé).

Bonne résilience.

Facile à forger et à souder.

Usinabilité médiocre.

Ils peuvent être durcis par corroyage (écrouissage) mais pas par trempe.

Leur degré de dilatation est élevé et leur conductibilité thermique est assez basse.

Ces aciers existent sous de nombreuses nuances.

Applications : (Chimie alimentaire, transports, nucléaire…) : pièces emboutis, chaudronnées, cuves

réservoirs, armatures, vannes visserie…

1.2. Aciers inoxydables ferritique (au chrome) :

Ils sont toujours ductiles ne durcissent ni par trempe (C < 0,08 %) ni par écrouissage, ils sont

faciles à étirer, former, plier, forger, rouler (Ni < 1 %), les moins résistant à la corrosion. Leurs

caractéristiques sont :

G pour acier moulé

(Si nécessaire)

Lettre symbolisant

La catégorie

% de carbone x100 Principaux éléments d’addition

Classés dans l’ordre décroissant

Teneur en % des éléments

d’addition (même ordre)



Les plus économiques.

Usinabilité médiocre.

Soudabilité moyenne.

Peu résilient.

Faible résistance à la rupture (Rr) sous les températures élevées.

Applications : Equipements ménagers, décoration intérieure, automobiles, mobiliers…

1.3 Aciers inoxydables martensitiques (0,08 ≤ C ≤ 1 %) :

Résistent aux chocs.

Durcissent par trempe.

Soudables à chaud.

Faciles à forger.

Bonne usinabilité et bonnes caractéristiques mécaniques à température élevée (Ni < 7 %).

Résistent moins à la corrosion que les précédents

Exemple : X 30Cr13 existe en X 12Cr13, X 20Cr13, X 39Cr13, X 46Cr13 et X 12CrS13.

Applications : Composants divers (toutes industries), couteaux ressorts…

1.4 Aciers inoxydables à durcissement par précipitation :

Comme les aciers martensitiques en plus ils sont plus résistants à la corrosion et mécaniquement

(après trempe).

1.5 Autres familles d’acier :

Aciers moulés : GS200, GS240, G15Mn5, G20Mn5, G24Mn6 (Aciers non alliés).

G10MnMoV6-3, G18NiMoCr3-6, GX4CrNiMo16-5-1, GX2CrNi23-13, X8CrNi25-21

(Aciers alliés).

Aciers réfractaires : Pour température 650 < T° C < 1150° C : X12CrNi23-13, X8CrNi25-21.

Aciers à outils : Alliés pour travail à froid ou à chaud (usure, choc, température) ; aciers

rapides (au Cr + W + Mo + V) : HS6-5-3, HS18-0-2-9

Aciers pour roulements :

V. Les fontes :

Leur grande coulabilité permet d’obtenir des pièces de fonderie aux formes complexes. A cause du

pourcentage élevé de carbone qu’elles contiennent (entre 2 et 4 %), elles sont en général assez

fragiles, peu ductiles (inadaptées aux déformations à froid : forgeage, laminage…) et difficilement

soudables.



EN - GJS - 400 - 18

1. Fonte à graphite lamellaire EN-GJL (ex FGL) :

Les plus économiques, les plus utilisées, ce sont les fontes de moulage par excellence. Le carbone se

présente sous forme de fines lamelles de graphite qui lui donne une couleur « grise ».

Propriétés : bonne coulabilité, bonne usinabilité, grande résistance en compression et grande

capacités d’amortissement des vibrations

Applications : Bâtis de machines, supports carters, blocs moteurs…

2. Fontes à graphite sphéroïdale EN-GJS (ex FGS) :

Ce sont les plus utilisées après les fontes à graphite lamellaire, obtenues par addition de petites

quantités de magnésium juste avant moulage, le graphite s’agglomère pendant le traitement sous

forme de nodules ou sphères d’où le nom sphéroïdale.

Propriétés : Ductilité, résilience et bonne usinabilité.

Applications : Vilebrequins, arbres de transmission, pièces de voitures, tuyauteries…

3. Fontes malléables : EN-GJMW et GJMB (ex FMB et FMN) :

Elles sont obtenues par malléabilisation de la fonte blanche et ont des propriétés mécaniques

voisines de celles de l’acier. Elles peuvent êtres moulées en faibles épaisseurs et sont facilement

usinables.

Applications : Carters, boitiers…

Microstructures des fontes usuelles.

Préfixe

Fonte :

S : Sphéroïdale.

L : Lamellaire.

MW : Malléable à

cœur blanc.

MB : Malléable à

cœur noir.

V : Vermiculaire.

N : sans graphite.

Y : Structure

spéciale.

Rr : Résistance à la

rupture par traction en

N/mm2 ou MPa

Allongement % A %



4. Autres familles :

Fontes blanches : à base de perlite et de cémentite (carbure Fe3C), elles sont très durs, fragiles,

résistantes aux frottements, à l’abrasion et aux températures élevées. Difficiles à usiner les

applications sont limitées.

Fontes alliées : Elles peuvent être à graphite lamellaire, sphéroïdal ou blanches (En-GJN) et sont

destinées à des usages particuliers. Les principaux éléments d’addition sont : le Nickel, le cuivre, le

chrome, le molybdène et le vanadium. Ces éléments contrôlent plus ou moins la formation du

graphite et développent des propriétés particulières.

VI. Aluminium et alliages :

1. Extraction de l’alumine à partir de la bauxite : procédé Bayer

L’industrie utilise un procédé inventé en 1887 par Bayer. La bauxite est le minerai le plus utilisé

pour obtenir de l’alumine ; son nom vient du village des « Baux-de-Provence » où le français Pierre

Berthier découvrit ce minerai en 1821. La bauxite contient l’élément aluminium sous forme

d’oxyde hydraté Al2O3, n H2O (n étant égal à 1, ou 3), également de la silice (SiO2), de l‘oxyde de

titane (TiO2) et de l’oxyde de fer(III), Fe2O3.

2. Production d’aluminium par électrolyse de l’alumine : principe

Il n’est pas possible de réduire l’alumine par des réducteurs industriels tels que le carbone, le

monoxyde de carbone ou le dihydrogène car l’aluminium est très réducteur. L’industrie fait appel à

la réduction à la cathode d’un électrolyseur, moyen très puissant de réduction. Mais l’oxyde

d’aluminium(III) ne peut pas être réduit en solution aqueuse car l’aluminium est plus réducteur que

l’eau et c’est cette dernière qui serait réduite au lieu de l’ion aluminium(III). Par ailleurs, l’oxyde

d’aluminium(III) est difficilement fusible comme toutes les espèces à structure ionique (ions Al3+ et

O2-). On s’en sert même comme revêtement réfractaire (température de fusion de 2045°C). Dans

l’industrie, un mélange fondu de plus de 90 % de cryolithe (Na3AIF6) et de 7 % d’alumine est

électrolysé. Ce mélange est beaucoup plus fusible que l’alumine pure. (Température de fusion de

l’ordre de 1000 °C). L’électrolyse de ce mélange ne consomme pratiquement que l’alumine et le

carbone de l’anode qui réagit avec le dioxygène formé. On note néanmoins une consommation

d’environ 30 kg de cryolithe par tonne d’aluminium. En simplifiant, l’équation de la réaction

correspondant à l’électrolyse peut s’écrire : 4Al3++ 6 O2

- 4Al(s) + 3O2(g)

3. Désignation numérique des alliages d’aluminium :

Préfixe EN suivi d’un espace ; Suivi de la lettre A (qui représente

l’aluminium ;Suivie de la lettre C(Cast= moulé) suivi d’un tiret ;Suivi d’un

nombre à 2 chiffres qui représente le groupe et sous-groupe d’alliages (le

premier de ces deux chiffres a sa signification indiquée dans le tableau

suivant ) ;Suivi d’un nombre à 3 chiffres qui est un numéro d’ordre

arbitraire attribué à la nuance par la norme.

EN AC-42200



Groupe Aluminium ou alliage d’aluminium

1

2

3

4

Aluminium non allié (teneur>=99.00%)

Aluminium-Cuivre

Aluminium-manganèse

Aluminium-silicium

Désignation symbolique :

Préfixe EN suivi d’un espace ; Suivi de la lettre A (qui représente

l’aluminium ; Suivie de la lettre C (cast= moulé) suivi d’un tiret ; Suivi

de symbole chimique des éléments d’addition suivis chacun de leur

teneur en pourcentage massique, dans l’ordre décroissant.

ENAC-ALSi7Mg0.6

Les pourcentages des éléments minoritaires ne figurant pas forcément dans la désignation, mais ils

sont néanmoins précisés dans la norme de définition de la nuance concernée.

Exemples de désignations symboliques et numériques des alliages d’aluminium de fonderie.

Correspondance avec la norme NF A 02-00 :

Désignation numérique Désignation symbolique Selon NF A 02-004

EN AC-21000 EN AC-AICu4MgTI A-U4GT

EN AC-41000 EN AC-AISi2MgTi A-52GT

EN AC-42000 EN AC-AISi7Mg A-57G

EN AC-42100 EN AC-AISi7Mg0.3 A-57G0.3

Exemples de désignations symboliques et numériques des alliages d’aluminium de fonderie. Correspondance

avec la norme NF A 02-00 :

4. Alliages d’aluminium- produits Corroyés

Désignation numérique :

Préfixe EN suivi d’un espace ; Suivi de la lettre A (qui représente l’aluminium)

Suivie de la lettre W (wrought = corroyé) suivi d’un tiret suivi d’un nombre à 4

chiffres;

ENAW-1070

Désignation symbolique :

Elle est destinée à compléter et expliciter la désignation numérique, placée entre crochets à la suite

de celle-ci.

Symbole chimique de l’élément de base AL , pour le groupe 1, suivi du

pourcentage de pureté exprimé avec une ou deux décimales, et éventuellement

du symbole chimique de l’impureté principale ;

AL99.0Cu

Pour les autres groupes, suivi des symboles chimiques des éléments d’addition

suivis chacun de leur teneur en pourcentage massique, dans l’ordre décroissant.

ALSi2Mn



Désignation numérique [symbolique] Ancienne norme

EN AW-1100 [AL 99.0Cu] A0

EN AW-1050 [AL 99.0] A5

EN AW-1070 [AL 99.7] A7

EN AW-1199[AL 99.99] A99

Exemples de désignations symboliques et numériques d’alliages d’aluminium de corroyage.

VII. Cuivres et alliages :

Il existe plus de 200 alliages de cuivre. Les principales familles sont : Les laitons (Cu+Zn), les

bronzes (Cu+Sn), les cupronickels (Cu+Ni), les cupro-aluminiums (Cu+Al) et les maillechorts

(Cu+Ni+Zn).

Désignation : Elle comprend le symbole chimique du cuivre (Cu) suivi des symboles chimiques et

teneurs des principaux éléments d’addition lassés par ordre décroissant.

Cuivre + Etain Bronze

Cuivre + Zinc Laiton

Cuivre + Aluminium Cupro-aluminium

Cuivre + Nickel Cupronickel

Cuivre + Nickel + Zinc Maillechort

Exemple :

CuZn27Ni18 : (Maillechort) avec 27 % de Zinc et 18 % de Nickel.

Principales caractéristiques :

Plus lourd que l’acier, de densité 8,9.

Température de fusion vers 1083° C.

Grande résistance à la corrosion.

Plasticité ou ductilité élevée (A % jusqu’à 50 %).

Grande conductivité électrique qui le rend indispensable dans les industries électriques et

électroniques.

Grande conductivité thermique.

De couleur rouge plus ou moins foncée devenant « jaune » en addition avec le Zinc.

Les cuivres et les alliages ne peuvent pas être traités thermiquement, sauf ceux au béryllium.

La résistance Rr peut être augmentée par écrouissage à froid et la ductilité restaurée par

revenu.

La trempe augmente la plasticité ce qui est le cas inverse des aciers

Les laitons :

C’est la famille la plus utilisée. L’addition de Zinc (jusqu’à 42 %) diminue le prix de base, augmente

Rr et a % ce qui favorise l’emboutissage (A % = 60 % avec 31 % de Zn), et diminue la température

de fusion, ce qui facilite le moulage.



Une addition supplémentaire de plomb de à 3 % augmente considérablement l’usinabilité. Les

laitons ainsi obtenus (appelés laitons de décolletage) servent de référence pour évaluer l’usinabilité

des autres matériaux.



Chapitre * 2

DIAGRAMMES D’EQUILIBRE DES ALLIAGES

BINAIRES

1. Généralités:

Un métal pur se solidifie à température constante mais un alliage ne se solidifie pas généralement à

température constante. En effet la solidification débute à 1 température T1 et termine à une

température T2<T1, la solidification a lieu dans un intervalle de T°. Les lieux géométriques des

températures T1 et T2 sont appelés respectivement "Liquidus" (T1) et "Solidus" (T2).

Au dessus du liquidus, l'alliage est liquide, au dessous du solidus l'alliage est solide. Entre le

liquidus est le solidus, l'alliage est biphasé (Solide + Liquide).

A l'état solide, l'alliage peut présenter des transformations, les lieux géométriques de ces points de

transformation + le liquidus et le solidus forment le diagramme d'équilibre de l'alliage qui est

présenté dans un plan (T°, c%).

2. Loi des phases (Loi de Gibbs):

La variance d'un système en équilibre est donnée par:

V=n+2-φ

n correspond au nombre de corps purs constituant l'alliage

φ correspond au nombre de phases présentes dans l'alliage

2 correspond aux deux paramètres Pression P et température T



La variance d'un système est égale au nombre de paramètres que l'on peut faire changer

arbitrairement sans faire changer la nature ou le nombre des phases en présence. Ces paramètres

sont la pression P la température T ou la concentration c.

Remarque: pour une transformation isobare (à pression constante), on tiendra compte uniquement

donc de la température la loi des phases sera donc:

V=n+1-φ

Exemple: Soit un système composé par deux phases solides (Fe et FeO) et une phase gazeuse

composée par un mélange de CO et CO2 la variance dans ce cas sera:

Φ =3: 2 phases solides et une phase gazeuse

n= 3: Le Fer, le carbone et l'oxygène

à pression constante V=3-3+1=1

Remarque:

V=0 le système est dit non variant

V=1 le système est dit monovariant

V=2 le système est dit bivariant

3. Alliage binaire constitué de deux phases en équilibre:

3.1 Règle de l'horizontale:

Soit deux métaux M et N de concentration M% et placés à T°=T, la règle de l'horizontale permet

de déterminer (compte tenu de c et T) la composition de la phase liquide et la composition de la

phase solide

Composition de la phase liquide: a% en M et (100%-a% en

N)

Composition de la phase solide b% en M et (100%-b% en N).

3.2 Règle des segments inverses:

La règle des segments inverses, permet de déterminer la

proportion de la phase solide et la proportion de la phase

liquide

* proportion de la phase liquide: L%=(b-c) / (b-a) = BC / AB

* proportion de la phase solide: S%= (c-a) / (b-a) =AC / AB



4. Alliage à une solution solide unique:

Les métaux sont totalement miscibles à l'état solide: ils forment donc une seule phase dont la

composition en chaque métal varie de 0% à 100%. Exemple: Cu Ni, Ag Au, Au Ni…

Considérons le cas de l'alliage de Cu Ni à 40% de Ni au cours de sa solidification

Diagramme de solidification des alliages Cuivre – Nickel

Vers 1270°C, l'alliage commence à se solidifier, les premiers cristaux se forment, la

composition de se solide est donnée par la règle de l'horizontale soit: 56% de Ni et 44% de

Cu.

Vers 1210° C, l'alliage fini de se solidifier, les dernières gouttes de liquide ont la

composition suivante: 23% de Ni et 77% de Cu.

à 1250° C, l'alliage est biphasé (solide+Liquide):

- Liquide % = (50-40) / (50-35) = 10 / 15 = 67%.

- solide % = (40-35) / (50-35) = 5 / 15 = 33%

Remarques: On retrouve la composition nominale de l'alliage

Ni% = (0,67 x 0, 35) + (0,33 x 0,5) = 0,4 = 40%

Cu% = (0,67 x 0, 65) + (0,33 x 0,5) = 0,6 = 60%



5. Alliage à deux solutions solides avec point eutectique:

L

L + Sα L + Sβ

E1 E E2 Sα Sβ

Sα + Sβ

100% M % N e 100%N

Sα: solution solide riche M

Sβ solution solide riche en N

Le liquidus est constitué de deux branches

obliques, le solidus est constitué de deux

branches obliques et une branche horizontale

A l'intersection du liquidus et du solidus

(point E), il y'à 3 phases en équilibre: une

phase liquide + deux phases solides (Sα et Sβ)

ce point est appelé point EUTECTIQUE:

Liquide Sα + Sβ

Eutectique signifie qu'il "fond bien" en Grec

Exemple: Diagramme d'équilibre Pb Sn:

Diagramme de solidification des alliages Plomb – Etain



Phase α : phase riche en Plomb

Phase β : phase riche en étain

Etudions la solidification des alliages Pb Sn ayant diverses concentrations:

Sn% < 19%: cas identique à la solidification des alliages Cu Ni.

Sn% = 63%: formation du mélange eutectique constitué des deux phases α et β

Sn% > 94%: cas identique à Sn% < 19% mais avec la phase β à la place de la phase α

19% < Sn% < 63%: en dessous de la température T, il y' a formation des cristaux riches en Pb

(phase α) dont la composition est donnée par la règle de l'horizontale, lorsque la température

diminue la composition du solide augmente de a à e1. Parallèlement la composition de la phase

liquide varie de la composition nominale c jusqu'à la composition eutectique e

à 185° C + ε, l'alliage est constitué des deux phases liquides et α

- L% = AM / AE

- S% = ME / AE

à 185° C – ε, l'alliage est solide, il est constitué des deux phases solides α et β: α formé entre le

liquidus et le solidus (α pro eutectique) et α + β formé par solidification du liquide restant à

185° C.

63% < Sn% < 94%: cas identique au cas précédent en remplaçant α par β

5. Courbes de refroidissement L S d'un alliage:



a: Identique au cas d'un métal pur. Ce cas est observé au cours de la solidification d'un composé

défini ou d'un alliage hétérogène (eutectique).

b: Correspond au cas de la formation d'une solution solide à partir de l'état liquide.

c: Correspond à la formation d'une solution solide pro eutectique suivi de la solidification du reste

de l'alliage liquide avec formation du mélange solide eutectique

6. Courbes de refroidissement d'un alliage à l'état solide:

On distingue 4 types de courbes:

a – Refroidissement sans transformation.

b – Transformation d'une solution en une autre phase qui peut être une autre solution solide, un

composé défini ou un métal pur.

c – Transformation allotropique ou eutectoide.

e – de A à B une partie de la phase γ se transforme en une phase α pro eutectoide, de B à C, le reste

de la phase γ se transforme en eutectoide (α + β)



Chapitre * 3

DIAGRAMME D’EQUILIBRE FER CARBONE

1. Les aspects du fer et du carbone dans les alliages Fe C:

1.1 Rappels des formes allotropiques du fer:

Jusqu'à 906° C: fer α de structure CC

906° C 1401° C: Fer γ de structure CFC

1401° C 1536° C fer δ de structure CC

Jusqu'à 768° C (point de curie), le fer est ferromagnétique, au delà de 768° C il pert son

magnétisme il est paramagnétique d’où jusqu'à 768° C phase β

1.2 Les formes du carbone dans les alliages Fe C:

a - Graphite: carbone cristallisé sous la forme hexagonale.

b – Solution solides: il existe 3 sortes de solutions solides dans lesquelles le carbone est toujours

placé en insertion. En effet le diamètre d'un atome de carbone est inférieur à celui d'un atome de fer

(ø C =1,54 A° ø Fe = 2.5 A°)

Solution solide α: solution solide d'insertion du carbone dans le fer α appelée "Ferrite α" de

concentration maximale 0,02%. Dans la structure CC, les sites interstitiels possibles sont

situées aux centres des faces et aux milieux des arrêtes mais toutes les positions ne sont pas

occupée puisque la concentration maximale est de 0,02%.

Solution solide γ: solution solide d'insertion du carbone dans le fer γ appelée " Austénite γ" de

concentration maximale 1,7%. La aussi toutes les sites interstitiels (milieux des cubes et

milieux des arrêtes) ne sont pas toutes occupées puisque la concentration maximale est de 1,7%

Solution solide δ: solution solide d'insertion du carbone dans le fer δ appelée "Ferrite δ" de

concentration maximale 0,1%.

c – Carbure de fer : composé défini de formule chimique Fe3C appelée "Cémentite" d'une

concentration en carbone égale à 6,67%.



2. Les deux types de diagramme Fe C:

La formation du graphite ou de la cémentite dépend des conditions de refroidissement et de la

nature des éléments d'accompagnement. Par ailleurs, le graphite est un constituant stable alors que

la cémentite est un élément métastable (non stable) en effet au chauffage, la cémentite Fe3C peut se

décomposer:

Fe3C Sol Sol α ou γ + C à l'état libre (graphite).

Il existe donc deux diagrammes l'un correspond à un système métastable (diagramme Fe –

cémentite), l'autre correspond à un système stable (diagramme Fe – graphite).

Remarque: Le point péritectique (e) et la partie du diagramme située autour ne présente aucun

intérêt industriel ou métallurgique. Aussi les diagrammes Fe C sont-ils représentés sous une forme

dite simplifiée (voir ces diagrammes page 6/6)

3. Diagramme Fe C métastable simplifié:

la ligne de transformation à 768° C correspond au point de curie

La ligne de transformation à 210° C correspond au point de curie de la cémentite.

La ligne de transformation horizontale E1E2 : ligne de transformation eutectique.

T

Eutectique au point E (4,3% C à 1145° C): Liquide γ + Fe3C (Lédéburite)

La ligne de transformation à l'état solide S1S2: Ligne de transformation eutectoide.

T

Eutectoide au point S (0,85% C à 721° C): γ α + Fe3C (Perlite).

0% 0,85% 1,7% 4,3% 6,67% Teneur en

carbone

Fontes Aciers

Classification

Hyper

eutectique

Hypo

eutectique

Hyper

eutectoide

Hypo

eutectoide



3.1 Constituants d'un acier

A température ambiante, les constituants des aciers dépendent de leur teneur en carbone. Par

contre les phases de ces constituants sont identiques. Ces résultats sont résumés dans le tableau

suivant:

Hyper eutectoide Eutectoide Hypo eutectoide Nature de l'acier

PERLITE

+ CEMENTITE

PERLITE

FERRITE

+

PERLITE

Constituants

PERLITE + CEMENTITE

Phases

3.1.1 Composition de la perlite en ferrite et cémentite:

Ferrite % = SS2 / S1S2 = (6,67 – 0,85) / (6,67 – 0,02) = 0,875 = 87,5%

La perlite est constituée donc de:

87,5% de ferrite perlitique.

12,5% de cémentite perlitique.

3.1.2 Lignes et points de transformation des aciers:

a – Les lignes de transformation du diagramme métastable sont symbolisées par la lettre A affectée

d'un indice qui caractérise l'ordre d'apparition de la transformation au chauffage:

A1: ligne de transformation eutectoide (721° C).

A2: Ensembles des points de curie du fer pur et de ses solutions ferritiques.

A3: Courbe de dissolution de la ferrite dans l'austénite.

Acm: Ligne de dissolution de la cémentite dans l'austénite.

b – On appelle point de transformation, l'intersection d'une ligne de transformation avec la

verticale représentative d'un alliage.

Par exemple, le point d'intersection d'une verticale avec la ligne A3 est aussi appelé A3. Son

ordonnée est T (A3).

Remarque: voir lignes de transformations à la figure ci-dessous



3.2 Constituants des fontes:

Les fontes sont des alliages fer carbone de teneur en carbone compris entre 1,7% et 6,67%, pouvant

se solidifier dans le système métastable (fontes blanche) ou dans le système stable (fontes grise).

Leur appellation provient de l'aspect de leur cassure: blanc, s'il y'a précipitation de cémentite, gris

si le graphite s'est formé en grande quantité.

A température ambiante, les constituants des fontes blanches dépendent de la teneur en carbone:

Hyper eutectique Eutectique Hypo eutectique Nature de la

fonte blanche

LEDEBURITE

+

CEMENTITE

LEDEBURITE

LEDEBURITE

+

CEMENTITE

+

PERLITE

Constituants

FERRITE + CEMENTITE Phases

Composition de la lédéburite: À la température 1145° C, la lédéburite est constituée de cémentite

et d'austénite le pourcentage d'austénite est:

Austénite% = EE2 / E1E2 = (6,67 – 4,3) / (6,67 – 1,7) = 0,48 = 48%.

La lédéburite est constituée donc de:

48% d'austénite lédéburitique (à 1,7% de carbone)

52% de cémentite.



Remarque: la lédéburite est un composant non stable qui ne peut exister qu'entre les températures

721° C et 1145° C. En effet au refroidissement et à la ligne de transformation A1 l'austénite

lédéburitique se transforme en ferrite et cémentite.

γ + Fe3C (lédéburite) (α + Fe3C) + Fe3C



Chapitre * 4

LES TRAITEMENTS THERMIQUES DES ACIERS

I. Introduction

Pour des exigences des propriétés d’emplois on fait appel à des aciers allies (Aciers faiblement

allies et aciers fortement allies), sauf les aciers de classe A et E tous le reste des aciers sont capables

de donner des performances mécaniques meilleurs par traitements thermiques, traitements

thermochimiques et traitements thermomécaniques.

A quoi consiste à subir une pièce un traitement thermique ?

Traitements thermiques des aciers

Traitement thermique

Trempe

Revenu

Recuit

Traitement superficiel

(thermochimique)

Traitement thermomécanique

Cémentation Nitruration

…

Laminage

Forgeage

…

Traiter une pièce

thermiquement

Propriétés

mécaniques

meilleures

Propriétés

mécaniques

initiales



I.1. Diagramme fer carbone :

I.2. Les microstructures des aciers à la température ambiante sont :

Acier

Hypoeutectoides

% C < 0,85

Acier Eutectoide

% C = 0,85

Acier

Hypereutectoides

0,85 < % C < 2,06

Les microstructures d’un acier à l’état recuit

Ferrite + Perlite Perlite Perlite + Cémentite



I.3. Les conditions de chauffage

Les conditions de chauffage (1) et de refroidissement (2) déterminent la nature des diverses

opérations de traitements thermiques.

(1) - Vitesse de chauffage Vc.

- Température de maintien Tc.

- Temps de maintien tc.

(2) - Vitesse de refroidissement Vr.

- Température de maintien isotherme T.

- Durée de maintien isotherme t.

I.4. Austénitisation des aciers

La possibilité d’austénitiser un acier est une condition absolument nécessaire pour pouvoir

traiter thermiquement le métal.

Les conditions d’austénitisation :

- Température d’austénitisation θa.

Pour les aciers Hypoeutectoides θa = Ac3 + 30 à 50°C, dans la plupart des cas. Et pour les aciers

Hypereutectoides ce sont des cas typique d’austénitisation partielle, θa = Ac1 + 50°C.

- Durée d’austénitisation ta.



Le temps de maintien est fonction de la massivité de la pièce. Ce temps compte à partir du moment

ou le cœur de la pièce est à la température de trempe, il doit être suffisant pour permettre la mise

en solution de l’austénite et de sa homogénéisation. On compter généralement de 2à 3 mn par mm

d’épaisseur à partir de la température ambiante.

- Grosseur du grain austénitique Ga.

Ces paramètres ont des influences importantes sur les comportements des aciers au cours du

traitement ainsi qu’après celui-ci.

Remarque :

La montée en température doit être lente pour éviter les déformations et les tapures. Un ou

plusieurs préchauffages sont recommandés sur les pièces massives ou devant être traitées à haute

température (cas des aciers rapides).

II. transformations des phases des aciers au refroidissement.

Transformation des phases des aciers au refroidissement

Vitesse lente Vitesse rapide

Transformation

an isotherme

Transformation

isotherme

Phase

d’équilibr

e

Recuit

Trempes étagées

Recuit isotherme

Austénitoformage

Trempe

martensitique

Trempe bainitique

Transformation

Température Temps

Transformation au Refroidissement Continu



II. 1. Transformation au cours de maintien isotherme

La transformation de l’austénite s’effectue par le refroidissement qui suit le maintien à une

température inférieur à Ar1 dans un bain du sel ou de plomb.

Cette transformation isotherme, de l’austénite concerne les diagrammes T.T.T (Transformation en

fonction de la Température et du Temps.).

On distingue trois domaines de températures : Ar’, Ar’’, et Ar’’’ (Fig.1) concernant les

transformations isothermes ainsi que an isothermes.

Fig.1 :

Domaine des températures

Ar’, Ar’’ et Ar’’’

II.1.1 Transformation perlitique Ar’ :

La décomposition de l’austénite s’effectue après un certain temps dit période d’incubation noté τ0,0

(Fig. 2).

On distingue les deux cas suivants :

Cas d’un acier hypoeutectoide :

Les premiers grains sont la ferrite α étant la phase directrice, puis il y’aura formation de la perlite

lamellaire (α + Fe3C).

Cas d’un acier hypereutectoide :

Les premiers dépôts de la cémentite Fe3C étant la phase directrice puis il y’aura formation de la

perlite.

La perlite fine est formée si la température de transformation est plus basse. La perlite lamellaire

très fine est appelée troustite. Si la température de transformation est très proche de Ar1, On

obtient la perlite globulaire.



Fig2 :

Temps d’incubation de la transformation Ar’

Fig3 :

Décomposition isotherme de l’austénite dans le domaine perlitique.

Schéma du mécanisme de la formation de la colonne perlitique.

Schéma du mécanisme de la formation de la colonne bainitique.



II.1.2. Transformation Ar’’ :

Au dessous de 600 – 550° C il y’a lieu de la décomposition de l’austénite à la bainite. Cette

transformation s’effectue par le phénomène appelé la germination et croissance. Les

caractéristiques de la bainite sont :

Structure ferrito – cémentitique.

L’élément directeur de la transformation est la ferrite.

Suivant la température de la transformation on distingue La bainite supérieure, la bainite moyenne

et la bainite inférieure.

II.1.3. Transformation martensitique Ar’’’:

La martensite est définie comme une solution solide d’insertion sursaturée de carbone dans le fer α.

Ainsi les atomes de carbone sont dans la maille atomique emprisonnés, la maille tétragonalement

déformée.

Comparaison de la maille atomique de l’austénite, de la ferrite et de la martensite.



II.1.3.1. Caractéristiques de la transformation martensitique :

C’est une transformation de l’austénite qui se fait à une vitesse extrêmement grande.

C’est une transformation sans diffusion.

Elle s’effectue dans les limites des températures Ms (Martensite Start) et Mf (Martensite

Finish).

Elle a une structure quadratique dont les paramètres de la maille sont fonction de la teneur

en carbone.

Elle est accompagnée par un changement du volume spécifique ce qui engendre des

déformations et des contraintes internes dans la pièce qui subit cette transformation.

Elle est uniquement fonction de la température et ne dépend pas du temps.

Les températures Ms et Mf dépendent de la teneur en carbone, des éléments d’alliage et de

la grosseur moyenne de l’austénite.

L’influence des éléments d’alliages sur la dureté de la martensite(Fig.4) est négligeable

Fig.4 :

Influence de la teneur en carbone sur la dureté de la martensite.

Microstructures types en fonction des vitesses de refroidissement

II.1.3.2. L’austénite résiduelle :

La transformation martensitique est complète à condition de refroidissement au – dessous de Mf,

pour la plupart des aciers cette température est au – dessous de la température ambiante.

De ce fait, une partie de l’austénite reste non transformée c’est l’austénite résiduelle étant une

structure douce.



La Proportion de l’austénite résiduelle est fonction de la composition chimique d’un acier et par

suite, de ms et Mf.

La décomposition supplémentaire de l’austénite résiduelle par chauffage est accompagnée par une

augmentation du volume spécifique ce qui engendre de nouvelles contraintes internes dans la

masse d’acier ce qui se manifeste entre autre par abaissement de la ténacité et par augmentation de

la dureté étant appelé ‘’ Durcissement secondaire’’.

Seulement les aciers à basse teneur en carbone ne sont pas sensibles à une présence de l’austénite

résiduelle du fait de sa quantité nulle ou très faible.

II. 2. Différents types de courbes en S :

Ces courbes représentent les diagrammes T.T.T.

Elles indiquent le début et la fin de la transformation.

On les appelle les courbes iso austénitiques.

La forme de ces courbes donne une imagination à l’aptitude à la transformation et son

déroulement.

On les trouve dans la documentation (Catalogues) pour les différentes nuances d’aciers.

La forme d’une courbe iso austénitique peut varier suivant les éléments d’alliage. On distingue

deux types de variation :

Des éléments d’alliage qui repoussent la courbe vers la droite (Ni est le plus actif).

Des éléments d’alliage qui repoussent la courbe vers la droite et qui font apparaître deux

domaines distincts (Cr, Mo, V,…sont les plus actifs).

Les actions des éléments d’alliage se superposent si l’acier contient simultanément un élément de

ces deux types d’éléments d’alliage qui en général retardent le début de la transformation

austénitique.



Influence des éléments d’alliage sur la forme de la courbe iso austénitique.



V1 V3 V2

II. 3. Transformations au Refroidissement Continu (TRC)

Des échantillons de faibles dimensions. Après austénitisation sont soumis à des lois de

refroidissement différentes selon l’échantillon, allant de quelques degrés par heurs à plusieurs

centaines de degrés par seconde. Selon le fluide de trempe utilisé lors d’un refroidissement continu

ou an isotherme, on peut ainsi simuler approximativement les lois de refroidissement.

II. 3.1. Méthode de traçage des diagrammes (TRC) :

Pour chaque loi de refroidissement, on repère les températures auxquelles se sont amorcées les

transformations, ainsi que le temps. Après refroidissement, on identifie les constituants obtenus et

on contrôle leur dureté ROCKWELL et VICKERS pour les plus faibles.

Il est ainsi possible en joignant les différents points repérés de délimiter les zones de formation

d’un même constituant et de tracer leur enveloppe.

Dans le diagramme ainsi obtenu la température est portée en ordonnée et le temps en abscisse, du

fait que l’on désire utiliser le diagramme pour des refroidissements très lents ou très rapides. On

trace une échelle logarithmique des temps.

Duretés H4 < H3 < H2 < H1

Ms

Austénite

Ferrite

Perlite

Bainite

Température

Temps

700°

C

300°

C Martensite

Bainite + Martensite

Ferrite + Perlite + Bainite

Ferrite + Perlite

H1 H2 H3 H4 t2

t1

Martensite



L'acier est caractérisé par trois vitesses critiques de base.

- V1 : vitesse critique de trempe martensitique.

- V2 : vitesse critique de trempe bainitique.

- V3 : vitesse critique de recuit.

- Avec V1 = (700 - 300) / (t2 – t1) °C/s

II. 3.2. Utilisation des diagrammes TRC :

Soit le diagramme TRC de l’acier 45 Mn Si 6 donner ci-dessous.

45 Mn Si 6

C% Mn% Si% S% P% Ni% Cr% Mo% Cu% V%

0,45 1,5 1,34 <0,01 0,017 0,03 0,03 <0,01 0,09 0,04

Austénitisé à 925°C 30mn Grosseur du grain : 8-10

Les transformations an isothermes de l’austénite conduisent aux même types de réaction qu’on

conditions isothermes. On retrouve sur les diagrammes TRC : les domaines ferritique, perlitique,

bainitique et martensitique, précédés par le domaine de l’austénite hors d’équilibre en dessous de

Ac1.



L’évolution de l’austénite se lit le long des lois de refroidissement reportées sur le diagramme.

Les nombres indiqués le long d’une courbe particulière correspondent aux pourcentages massiques

du constituant formé dans le domaine qu’on vient de quitter.

Loi 1 : après un temps d’incubation de 17s la transformation de l’austénite débute à 300°C par

formation de la martensite qui s’achève à la température ambiante. La microstructure finale est

100% martensitique ; C’est la trempe martensitique. On néglige pour cette nuance la présence

éventuelle de l’austénite résiduelle.

Après ce traitement la dureté est 62 HRc.

Loi 4 : après un temps d’incubation de 35s la transformation de l’austénite débute à 560°C par

formation de la bainite qui s’achève à 375°C après formation de 20% de bainite. Après un nouveau

domaine de stabilité (375-270°C) l’austénite non transformée va donner entre 270°C et l’ambiante

80% de martensite. On néglige pour cette nuance la présence éventuelle de l’austénite résiduelle.

Après refroidissement. L’acier est constitué de bainite et de martensite ; c’est la trempe bainitique.

Après ce traitement la dureté est 53,5 HRc.

Loi 10 : après un temps d’incubation de 22min la transformation de l’austénite débute à 705°C par

formation de la Ferrite. A 31min et à une température de 670°C débute la transformation en perlite

qui s’achève à 650°C.

Après refroidissement. L’acier est constitué de Ferrite et perlite.

Après ce traitement la dureté est 25 HRc.



II. 3.3. Différents types de courbes TRC:



III. La trempe des aciers

Le traitement de trempe comprend :

- Un chauffage lent à une température dépendant du type d’acier à traiter.

- Un temps de maintien à la température pour que les transformations soient complètes.

- Un refroidissement effectué à partir de la température dite température de trempe jusqu'à une

température plus basse pouvant différer de la température ambiante.

Le traitement de trempe fait en général augmenter Rm, Re, et H et diminuer A%, Z% et K

(résilience).

Il est suivi d’un second Traitement appelé revenu qui à pour but de réduire les effets de la trempe.

Il améliore la résilience, diminue la dureté et supprime les tensions internes issues de la trempe.

III.1. Les dés faux engendrés par la trempe :

Décarburation superficielle due à l’atmosphère (généralement oxydation des fours).

Corrosion en cas de maintien prolongé à haute température.

Contraintes interne σi qui résultent des vitesses de refroidissement différentes (ou de chauffage)

entre les diverses parties de la pièce et de la transformation martensitique dans le cas de la

trempe des aciers.

Vitesses de refroidissement différentes : 1 (T1)

(T1) < (T2). La partie (1) tend se contracter

alors que la partie (2) ne veut pas donc ce

phénomène engendre une compression sur (2) et

une tension sur (1).

2(T2)

Transformation martensitique :

La transformation martensitique est toujours accompagnée d’une dilatation de la pièce, le cœur se

transforme en martensite donc il se dilate alors que la couronne (1) est plus froide donc moins

plastique par suite elle va subir une tension par dilatation du cœur.

Si σi dépasse la limite élastique, la pièce va se déformer.

Si σi dépasse la résistance à la rupture, alors il y’aura formation des fissures à la surface de la pièce

appelées Tapures.

III.2. Trempabilité des aciers :

La trempabilité se propose d’évaluer l’aptitude d’un acier à subir la trempe. L’essai JOMINY

définit les conditions de réalisation de cette évaluation. Cette technique consiste à :

Austénitiser dans les conditions convenables une ‘’éprouvette JOMINY’’ normalisée

Tremper la base inférieure de cette éprouvette, tenue à l’aide d’un support approprié par un jet

d’eau courante de température comprise entre 15 et 25 °C jusqu’à son refroidissement total par

conduction (Fig.5).



Fig.5

Schéma du dispositif de l’essai Jominy.

Mesurer la variation de la dureté sur un méplat de la génératrice de l’éprouvette à partir de son

extrémité trempé selon les distances : 1.5, 3, 5, 7, 9, 10, 13, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50, 70… Ces

distances seront désignées par J1.5, J3, J5, J7, J9…

La courbe de la dureté H (HRC, HV) en fonction de la distance d (mm) entre la base refroidie et le

point de relèvement de la mesure de dureté qui portera le nom de courbe Jominy permet de

déterminer la trempabilité de l’acier (Fi.6).

Fig.6 :

Courbe Jominy d’aciers.



IV. Le revenu des aciers :

D’une manière générale, le revenu permet de diminuer les effets néfastes de la trempe : fragilité de

la pièce et les contraintes internes.

Le revenu est donc un traitement thermique effectué après trempe, il consiste en (Fig.7):

Un réchauffage à une température TR < Ac1.

Un maintien de durée tR à TR.

Un refroidissement long jusqu’à la température ambiante.

Gig.7 :

Cycle complet Trempe, Revenu

IV.1. Différents types de revenu :

En fonction du résultat attendue, on distingue plusieurs types de revenu :

IV.1. Revenu de relaxation ou de détente :

Il s’effectue entre 180° C et 220 °-250° C. Il ne provoque aucune modification de structure mais

une relaxation des contraintes dues à la trempe. Il provoque une légère diminution de la dureté et

une légère remontée de la résilience. Il est fait sur des pièces soumises à des fortes sollicitations

sans choc ou devant conserver une forte dureté superficielle.

IV.2. Revenu de structure ou classique :

Dans ce cas, le revenu s’effectue entre 450° et Ac1. On observe une augmentation des

caractéristiques K, A% et Z et une diminution plus importante de H, Rm, et Re. Ce type de revenu

permet d’établir un compromis entre les caractéristiques mécaniques suivant l’emploi des aciers.

IV.3. Revenu de durcissement :

Des revenus effectués entre 450° et 600° C sur des aciers alliés peuvent provoquer des

durcissements appelés durcissements secondaires (cas des aciers à outils au chrome ou des aciers

rapides). Il y’a d’bord précipitation des carbures complexes maintenus en solution dans un reste

d’austénite résiduelle puis une déstabilisation de cette dernière qui se transforme en martensite au

moment du refroidissement. Ces deux transformations successives vont donc nécessiter un second



revenu pour éviter que la martensite secondaire ne provoque pas une fragilité excessive. (Dans

certains aciers rapides, trois revenus successifs peuvent être nécessaires).

V. Recuit des aciers

Le recuit est un traitement thermique adapté à l'élimination ou à la réduction des effets néfastes de

la ségrégation, l'écrouissage et les contraintes de soudage etc.

D’une manière générale, le recuit a comme conséquence le retour à un équilibre physico-chimique

et/ou mécanique plus ou moins complet, lié éventuellement à une tendance vers l'équilibre

structural.

Equilibre physique : équilibre des phases.

Equilibre chimique : composition chimique.

Equilibre mécanique : contraintes internes.

Equilibre structural : taille des grains, défaut de structure.

Le recuit conduit aux caractéristiques de ductilité les plus grandes (A%, K) et aux caractéristiques

de dureté les plus faibles (H, E, R).

V.1. Cycle thermique de recuit

Le cycle thermique de recuit comprend :

Un chauffage jusqu'à une température dite de recuit qui dépend du type de correction à réaliser.

Un maintien isotherme à la température de recuit ou des oscillations autour de cette

température.

Un refroidissement à l'air calme ou selon une loi programmée, La vitesse de refroidissement doit

être inférieure à la vitesse critique de recuit V3.

Température

Temps

t1 t2 t3

T



V.2. Différents types de recuit

V.2.1. Recuit d’homogénéisation :

Diminue les hétérogénéités chimiques.

Se fait au dessus d’A3.

Refroidissement inférieur à la vitesse critique de trempe (pour éviter la transformation

martensitique).

V.2.2. Recuit de régénération :

Diminue la taille des grains due à une surchauffe au cours d’une soudure ou d’un forgeage (à

chaud).


Refroidissement inférieur à la vitesse critique de trempe.

V.2.3. Recuit d’adoucissement :

Destiné à faciliter l’usinage des pièces.


Refroidissement inférieur à la vitesse critique de trempe.

V.2.4. Recuit de détente :

Réalise l’équilibre mécanique.

Se pratique en dessous d’A1.

Refroidissement lent pour ne pas introduire des contraintes internes.

V.2.5. Recuit de recristallisation :

Régénère une structure nouvelle à partir d’une structure écrouie.

Se fait en dessous d’A1.

Refroidissement lent.



Chapitre * 5

LES TRAITEMENTS DE SURFACE

I. Introduction :

Dans la plupart des cas, en particulier dans les industries mécaniques, ce sont surtout les surfaces

des organes de machines qui sont soumises à des sollicitations mécaniques sévères, de nature

diverses : frottement, usure, sollicitations de fatigue. Il faut donc conférer des propriétés

particulières des couches extérieures de ces pièces en leur appliquant des traitements appropriés.

Ces traitements permettent d’obtenir des caractéristiques particulières à la surface sans altérer les

caractéristiques dans la masse. Selon leur principe, ils améliorent principalement une ou plusieurs

des caractéristiques suivantes : La dureté en surface, la résistance à l’usure, la résistance à la

corrosion et le comportement en frottement.

Par exemple, pour un pignon, on peut souhaiter une grande dureté en surface (pièce soumise à un

frottement considérable) et une bonne résilience à cœur (résistance à des contraintes de masse).

On distingue trois principaux types de traitements superficiels :

Les traitements mécaniques.

Les traitements de durcissement par trempe superficielle.

Les traitements thermochimiques.

II. Traitements mécaniques :

II.1. Galetage :

Dans ce procédé, le durcissement des couches superficielles est obtenu par déformation plastique

sous l’action d’un important effort de pression exercé par des galets très durs animés d’un

mouvement de rotation. Un exemple intéressant donnée par une étude qui a été faite sur un acier

38 MoV 07 destiné à la fabrication des vilebrequins par forgeage et refroidissement contrôlé. Dans

le tableau ci-dessous, on remarque très bien la variation de la résistance à la fatigue en fonction de

la force de galetage.

Nuance Etat Renforcement Résistance à la fatigue σD (MPa)

Sans Nitruration 435

Après Nitruration 988

38 MoV 07 Bainitique Galetage avec 5700N 810

Galetage avec 9000N 960

Galetage avec 12000N 1160



II.2. Grenaillage de précontrainte :

C’est un traitement mécanique des surfaces réalisé le plus souvent en projetant sur la pièce à traiter

et à une vitesse de quelques dizaines de mètres par seconde, des billes d’acier, de fonte, voir d’un

matériau de grande dureté comme le corindon par exemple, dont le diamètre peut se situer entre

0,1 et 2 mm. Des grenailles obtenues en partant de fil coupé peuvent également être utilisés. En

agissant sur les conditions dans lesquelles le grenaillage est effectué : Nature, dureté et dimension

de la grenaille, vitesse de projection, angle d’impact…, on peut ainsi réaliser un écrouissage

contrôlé des couches superficielles sur une profondeur de l’ordre de 0,1 à 1 mm de façon à obtenir

l’augmentation de dureté, ainsi que les précontraintes de compression désirées.

II.3. Traitement par choc-laser :

C’est un nouveau traitement mécanique de mise sous contrainte de compression des couches

superficielles à l’aide d’impulsion laser de très forte intensité sur la surface Les avantages de ce

traitement sont :

Une bonne conservation de l’état de surface après traitement.

Une profondeur importante de mise sous contrainte (de l’ordre de 800 μm).

Une automatisation facile à mettre en œuvre.

Il est à noter que le cout des sources laser et la durée du traitement constituent des freins sérieux

pour son développement.

Remarque :

Les traitements mécaniques de durcissement superficiel appliqués à des pièces ayant subi ou non

un traitement thermique préalable, que nous venons de présenter rapidement, permettent

d’améliorer notablement la résistance à l’usure, à la fatigue, à la corrosion de ces pièces. Nous

verrons que ces mêmes traitements, et plus particulièrement le grenaillage, appliqués à des pièces

ayant déjà subi un traitement chimique ou thermochimique superficiel, permettent de renforcer

l’effet de ce traitement et d’améliorer encore leur tenue en service.

III. Traitements superficiels de durcissement:

Il consiste à effectuer un chauffage éventuellement localisé des couches superficielles des pièces,

dans des conditions telles que le métal soit porté à l’état austénitique et à faire suivre ce chauffage

d’un refroidissement suffisamment rapide pour qu’il y ait transformation martensitique.

Les procédés de chauffage les plus utilisés sont le chauffage par induction et le chauffage au

chalumeau. Les moyens de chauffage à grande densité d’énergie comme le plasma, le faisceau

d’électrons ou le laser offrent des possibilités nouvelles et sont en cours de développement.

III.1. Chauffage par induction :

La pièce à traiter est placée à l’intérieur d’un inducteur parcouru par un courant alternatif : Les

variations du champ magnétique qui entoure la pièce induisent dans celle –ci, considérée comme le

secondaire d’un transformateur, des courants de sens contraire, de même fréquence (les courants de

FOUCAULT). Si ces courants sont suffisamment intenses, les pertes par effet JOULE qu’ils



subissent peuvent échauffer rapidement le métal jusqu’à des températures très élevées. Par ce

moyen, il est possible soit de chauffer uniformément la pièce (courant à basse fréquence), soit dans

le cas qui nous intéresse, d’en chauffer préférentiellement la surface (courant à haute fréquence).

A l’issue du chauffage, le refroidissement est assuré à la fois par la conduction thermique et par la

mise en œuvre d’un moyen de trempe tel qu’un système de douche. Le faible volume chauffé permet

d’atteindre des vitesses de refroidissement élevées. Un des avantages du procédé est qu’il permet,

en utilisant des dispositifs appropriés, de ne traiter éventuellement sur les pièces que les zones ou

les sollicitations mécaniques seront les plus fortes (Fig.1).

Fig.1 : Chauffage par induction.



III.2. Chauffage au chalumeau :

Dans ce procédé, la surface de la pièce est chauffée à l’aide de la flamme produite par un chalumeau

alimenté par un mélange de gaz de combustion et d’oxygène ou d’air, la flamme oxyacétylénique

possède la plus forte puissance de chauffe et donne la température maximale la plus élevée. Les

profondeurs traités varient d’environ un à plusieurs millimètres, selon la puissance de chauffe, le

temps de chauffage et la trempabilité de l’acier.

En pratique,, soit la pièce se déplace devant la flamme, puis est ensuite arrosée avec l’eau

convenablement répartie sur la surface à l’aide de dispositifs appropriés, soit c’est la flamme qui

balaie la pièce et des buses de refroidissement arrosent la pièce en arrière de la flamme (Fig.2).

Fig.2 : Chauffage au chalumeau.

IV. Traitements thermochimiques :

D’après la norme NF A 02-010, un traitement thermochimique est un traitement thermique

effectué dans un milieu convenablement choisi pour obtenir une modification de la composition

chimique du métal de base, par échange avec ce milieu. Dans le cas de ces traitements, les éléments

mis en jeu pour enrichir la couche superficielle du métal sont apportés par des milieux qui peuvent

êtres solides (céments), liquides (bains de sels), ou gazeux. L’opération de diffusion est suivie ou

non, selon la nature des éléments apportés, d’un traitement thermique de durcissement par trempe

provoquant la transformation austénite – martensite de la couche enrichie.

IV.1. Cémentation :

D’après la norme NF A 02-010 c’est un traitement thermochimique auquel est soumis un produit

ferreux porté à l’état austénitique pour obtenir un enrichissement superficiel en carbone, élément

qui se trouve alors en solution solide dans l’austénite. Le produit ferreux cémenté subit un

durcissement par trempe immédiate ou ultérieure.



La surface des pièces est mise en contact avec un milieu susceptible de fournir du carbone libre par

une réaction chimique à haute température, la température de cémentation est choisie supérieure à

la température AC3 de l’acier, et généralement comprise entre 900 et 1000 °C, parce que la faible

solubilité du carbone dans la ferrite implique que le traitement s’effectue dans le domaine

austénitique. De plus, on peut ainsi dans la plupart des cas effectuer le traitement de durcissement

par trempe martensitique directement à partir de la température de cémentation. Le but est donc

d’obtenir à la surface de la pièce à traiter une couche de 0,2 à 2 mm d’épaisseur à haute teneur en

carbone (0,6 à 0,9%) ayant une structure essentiellement martensitique de grande dureté (700 à

900 HV en surface).

IV.1.1. Techniques de cémentation :

Les agents de cémentation peuvent être solides, liquides ou gazeux.

IV.1.1.a. Cémentation en caisse :

Les céments solides sont des mélanges à base de matières carbonées aptes à former les gaz ou les

espèces carburantes (CO). La cémentation se fait en vase clos pour éviter que les gaz ne

s’échappent, d’où le nom de cémentation en caisse donné à ce procédé qui est peu utilisé

actuellement et il est réservé au traitement de grosses pièces ou de séries limitées de petites pièces.

IV.1.1.b. Cémentation liquide :

Les céments liquides sont à base de cyanure ou de Ferro - cyanures fondus. Les pièces sont

immergées dans le bain de sel fondu à la température choisie pour la réaction chimique et la

diffusion.

IV.1.1.c. Cémentation gazeuse :

La cémentation gazeuse est la plus employée. Elle se fait industriellement à partir d’atmosphères

obtenues par instillation et décomposition à chaud de liquides organiques tels que le méthanol,

l’éthanol utilisés purs ou dilués, ou par combustion d’hydrocarbures.

Les gaz tels que l’oxyde de carbone et le méthane réagissent à chaud à la surface de l’acier, de telle

sorte que le carbone libre libéré s’insère dans le réseau cubique à faces centrées du fer, ils donnent

avec l’austénite des équilibres réversibles.

2 CO ↔ CO2 + C.

CH4 ↔ 2 H2 + C.

IV.1.2. Profondeur de cémentation:

D’après la norme NF A 04-202 qui s’applique aux couches cémentées dont la profondeur est

supérieure à 0,3 mm, la profondeur conventionnelle de cémentation est la distance entre la surface

et la couche dont la dureté VICKERS est HV = 550 lorsqu’on la mesure sous une charge de 9,807

N. La profondeur conventionnelle de cémentation dépend donc du profil de la teneur en carbone,

du degré de transformation martensitique des divers points de la couche enrichie et de la présence

éventuelle d’austénite résiduelle.



IV.1.3 Aciers pour cémentation :

Ce sont des aciers à grains fins et à basse teneur en carbone. Ils sont définis par la norme

NF A 35-551 : Aciers de construction non alliés et alliés spéciaux pour cémentation. Ils se classent

en six familles indiquées ci – dessous :

Types d’aciers Nuances

Aciers au carbone

Aciers au manganèse – chrome

Aciers au chrome molybdène

Aciers au Nickel-chrome

Aciers au Nickel-chrome-molybdène

Aciers au Bore

C10 - C12 – C18

16MnCr5 – 20MnCr5

18CrMo4

10NiCr6 – 16NiCr6 - 20NiCr6 – 14

NiCr11

20NiCrMo2 – 18NiCrMo6

21B3 – 20MoB5 – 19NiCrMoB2

IV.2. Nitruration :

D’après la norme NF A 02-010, La nitruration est un traitement thermochimique auquel est

soumis un produit ferreux pour obtenir un enrichissement superficiel en azote. Il consiste à fixer

l’azote à la surface du métal par réaction chimique et à le faire diffuser en phase ferritique, afin qu’il

forme avec le fer et les éléments d’alliage de l’acier des zones de nitrures très fins capables de

produire un durcissement de la couche enrichie.

Applications : Elle est pratiquée pour les axes de pistons, les soupapes, les vilebrequins, les arbres de

machines-outils, les arbres de pompes à eau…

IV.2.1. Techniques de nitruration :

La nitruration des aciers se fait sur un métal ayant subi au préalable un traitement thermique de

trempe et de revenu et présentant de ce fait une structure de martensite revenue offrant un

ensemble de caractéristiques mécaniques élevées. Elle s’effectue généralement à une température

comprise entre 450 et 580 °C, inférieure à la température de revenu de l’acier.

IV.2.2. La nitruration en bains de sels :

Elle s’effectue dans des mélanges de cyanures, cyanates et carbonates. L’apport d’azote est du à la

décomposition des cyanates formés par oxydation de cyanures :

4 NaCN + 2 O2 → 4 Na OCN

4 NaOCN → Na2CO3 + 2 NaCN + CO + 2 N



IV.2.3. La nitruration gazeuse :

L’agent de nitruration le plus couramment utilisé est un mélange de gaz ammoniac et d’azote ou

de gaz ammoniac et de gaz endothermique. Au contact des pièces, à la température de traitement,

l’ammoniac est craqué suivant la réaction : 2 NH3 ↔2 N + 3 H2.

IV.2.4. Aciers pour nitruration :

Les principaux types d’aciers qui peuvent être nitrurés sont :


Aciers au carbone C 18 à C55.

Aciers au manganèse

Aciers au chrome

20 Mn5, 35 Mn5, 40 Mn6.

38 Cr4, 42 Cr4

Aciers au chrome-molybdène 25 CrMo4 à 42 CrMo4, 30 CrMo12.

Aciers au Nickel-chrome-molybdène 30 CrNiMo8, 35 NiCrMo16.

Acier à outils X38CrMoV5, X100CrMoV5, X160CrMoV12

Acier inoxydables.

IV.3. Carbonitruration :

D’après la norme NF A 02-010, c’est un traitement thermochimique auquel est soumis un produit

ferreux porté à l’état austénitique pour obtenir un enrichissement superficiel en carbone et azote,

éléments qui se trouvent alors en solution solide dans l’austénite. Généralement cette opération est

suivie immédiatement d’un durcissement par trempe. La carbonitruration apporte à la pièce une

bonne tenue en service et une grande dureté superficielle.

Applications : Elle est pratiquée pour des pièces d’articulations, les engrenages, les arbres…

IV.3. Aciers pour carbonitruration :


Aciers au carbone jusqu’à C48.

Aciers au manganèse jusqu’à 35 MF6.

Aciers au chrome 45 Cr2, 38 Cr4.

Aciers au manganèse-chrome jusqu’au 35 CrMn4.

Aciers au chrome molybdène jusqu’au 35 CrMo4

Aciers au Nickel-chrome jusqu’au 30 NiCr11

Aciers au Nickel-chrome-molybdène

Aciers au chrome-molybdène-vanadium

20 NiCrMo2 ou 16 NiCrMo13.

X8 CrMoV5



IV.4. Sulfo-nitruration :

Ce traitement augmente la résistance à l’usure en améliorant considérablement le frottement par

autolubrification. La profondeur traitée est de 0,2 à 0,5 mm.

La surface de la pièce est enrichie en soufre par chauffage vers 570 °C dans un bain de sels fondu.

Applications : Glissières, paliers, guides, arbres…

Retenons que :

En raison de leur intérêt sur le plan technique comme sur le plan économique, les traitements superficiels sont

de plus en plus largement utilisés dans de nombreuses branches industrielles et notamment dans la

construction automobile et l’outillage. Ces traitements couvrent en fait un domaine extrêmement vaste.

Mis à part les traitement mécaniques, qui font appel au durcissement par écrouissage, dans tous les autres cas

qu’il s’agisse des traitements dans lesquels le durcissement superficiel est obtenu par trempe après une

austénitisation locale rapide avec chauffage par induction, au chalumeau, par bombardement électronique ou

par laser, ou après une modification de la composition chimique des couches superficielles.

Les traitements superficiels qu’ils soient mécaniques, thermiques ou thermochimiques ou qu’il s’agisse de

traitements de revêtement superficiel, permettent d’améliorer notablement la résistance à l’usure au

frottement, à la fatigue et dans certains cas à la corrosion des pièces.

Documents

SUPPORT DE COURS MATERIAUX METALLIQUES - … · la composition. 2. ... G20Mn5, G24Mn6 (Aciers non alliés). G10MnMoV6-3, G18NiMoCr3-6, GX4CrNiMo16-5-1, GX2CrNi23-13, X8CrNi25-21 (Aciers