La trempe joue un rôle crucial dans le traitement thermique, car elle permet d'accroître la résistance et la dureté de l'acier. Associée à un revenu à différentes températures, elle offre diverses combinaisons de résistance, de plasticité et de ténacité, adaptées à différentes applications.
Aperçu de la trempe
La trempe est une traitement thermique Ce procédé consiste à chauffer l'acier à une température supérieure au point critique Ac3 (pour les aciers hypoeutectoïdes) ou Ac1 (pour les aciers hypereutectoïdes) et à la maintenir pendant une durée déterminée afin d'obtenir une austénitisation totale ou partielle. Le matériau est ensuite refroidi à une vitesse supérieure à la vitesse critique de trempe pour transformer l'austénite surfondue en microstructures martensitiques ou bainitiques inférieures.
Le but de la trempe est de faciliter la transformation de l'austénite surfondue en martensite ou en bainite, permettant ainsi d'obtenir des microstructures spécifiques. Lorsqu'elle est combinée avec trempe Ce traitement thermique, appliqué à différentes températures, améliore la résistance, la dureté, la résistance à l'usure, la résistance à la fatigue et la ténacité de l'acier afin de répondre aux exigences opérationnelles des composants mécaniques. La trempe peut également être utilisée pour satisfaire à des exigences physiques ou chimiques spécifiques, telles que le ferromagnétisme ou la résistance à la corrosion pour certains aciers.
Principes de trempe
Le principe fondamental de la trempe consiste à chauffer rapidement une pièce métallique à une température précise, à la maintenir à cette température pour transformer sa structure interne en austénite, puis à l'immerger rapidement dans un milieu de trempe. Ce refroidissement rapide produit des phases durcies comme la martensite ou la bainite, améliorant ainsi la dureté, la résistance et la tenue à l'usure du métal.
1. Austénitisation
Condition de température
L'acier est chauffé à une température supérieure au point critique, qu'il s'agisse d'acier hypoeutectoïde ou hypereutectoïde. Dans cette plage de températures, sa structure cristalline se modifie : la ferrite et la cémentite présentes à température ambiante se transforment progressivement en austénite. L'austénite est une solution solide d'insertion de carbone dans le fer gamma, de structure cubique à faces centrées, caractérisée par une forte solubilité du carbone, une faible résistance et une grande plasticité.
Conservation de la chaleur
Le but du maintien de la température est d'homogénéiser la température interne de la pièce, garantissant ainsi que l'ensemble du composant soit entièrement austénitisé en vue d'un refroidissement rapide et d'une transformation structurelle ultérieurs.
2. Refroidissement et transformation microstructurale
Taux de refroidissement
Le refroidissement est effectué à une vitesse strictement supérieure à la vitesse critique de refroidissement. Cette dernière est définie comme la vitesse de refroidissement minimale requise pour que l'acier acquière une structure martensitique lors de la trempe. Si la vitesse de refroidissement est inférieure à cette valeur critique, l'acier risque de former de la perlite ou de la bainite pendant le refroidissement, ce qui l'empêchera d'atteindre la dureté et la résistance souhaitées.
Processus de transformation
Lors d'un refroidissement rapide, la structure austénitique devient instable et subit une transformation de phase. L'austénite surfondue se transforme en phases durcies comme la martensite ou la bainite. La martensite est une solution solide sursaturée de carbone dans le fer alpha, présentant une structure tétragonale centrée et caractérisée par une dureté et une résistance très élevées.
Amélioration de performance
Les structures martensitiques ou bainitiques obtenues par trempe augmentent considérablement la dureté, la résistance et la résistance à l'usure de la pièce métallique. Par exemple, pièces en acier trempé ont considérablement augmenté la dureté de surface, permettant une résistance supérieure à l'usure et à la déformation.
Milieux de trempe
Comme l'illustrent les courbes de transformation temps-température (TTT), différentes vitesses de trempe produisent des résultats différents. Différents métaux peuvent supporter différentes vitesses de trempe sans se fissurer. Bien que des approches spécifiques soient requises pour chaque métal, la trempe dépend principalement de la vitesse de refroidissement.
En général, le principal moyen de contrôler la vitesse de refroidissement est le choix du fluide de trempe. Bien que la température de ce fluide puisse théoriquement être modifiée, sa chaleur spécifique et son point d'ébullition sont les facteurs déterminants pour la vitesse de refroidissement. Les fluides de trempe les plus courants sont l'eau, la saumure (eau salée), l'huile, l'azote liquide et l'air, chacun présentant des avantages et des inconvénients spécifiques.
Eau
L'eau est l'un des milieux les plus couramment utilisés en raison de sa disponibilité et de sa capacité à induire un refroidissement rapide. Elle est ininflammable et possède une chaleur spécifique et une chaleur latente de vaporisation élevées. Cependant, l'ébullition crée des bulles qui réduisent la conductivité thermique (effet Leidenfrost), ce qui ralentit la vitesse de refroidissement.
Saumure
La saumure est simplement de l'eau salée. Le sel augmente le point d'ébullition de l'eau, réduisant ainsi la formation de bulles pendant l'ébullition et accélérant le refroidissement. Un inconvénient est que le sel peut corroder certains alliages ou réagir chimiquement avec eux.
Concernant les légendes sur la trempe des épées dans le sang : le sang contient des électrolytes dissous (sels) et agit donc comme une saumure diluée pour la trempe. Il contient également des composés organiques susceptibles de coaguler et d'adhérer à la lame, réduisant ainsi l'effet Leidenfrost. Les molécules de carbone présentes dans le sang peuvent aussi réagir et former de fines particules de carbure à sa surface.
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Huile
L'huile est un agent de trempe efficace à vitesse moyenne qui contribue à limiter la fissuration. Son principal inconvénient réside dans le risque d'incendie que présente sa surface, ce qui exige une extrême prudence durant l'opération.
L'azote liquide
La trempe à l'azote liquide est initialement plus lente que la trempe à l'eau car l'azote se gazéifie instantanément (créant une couche à faible conductivité thermique), et sa capacité thermique et son enthalpie de vaporisation sont inférieures. Cependant, elle permet d'atteindre une température finale beaucoup plus basse, essentielle à la précipitation de la martensite dans certains alliages (comme certains aciers inoxydables).
Air
La trempe à l'air est généralement obtenue en soufflant rapidement de l'air froid sur l'échantillon. Courante en milieu industriel en raison de son faible coût et de la possibilité de contrôler la vitesse de refroidissement sur différentes parties d'un produit en ajustant le débit de l'air, cette technique, bien qu'étant généralement la plus lente, permet à certains alliages d'atteindre une microstructure trempée même par refroidissement à l'air immobile.
Étapes de trempe
L'alliage est chauffé à une température de 30 à 50 °C supérieure à sa température critique. Une exposition prolongée à cette température doit être évitée afin de prévenir la croissance des grains.
Pour les alliages sensibles à l'oxydation, le chauffage doit être effectué sous vide. On peut également encapsuler l'alliage dans un tube de quartz préalablement mis sous vide ou rempli d'un gaz inerte comme l'argon.
Cet alliage nécessite un refroidissement rapide, principalement contrôlé par le milieu de trempe. La saumure est généralement le milieu le plus rapide, tandis que l'azote liquide est relativement lent.
Si l'alliage refroidit trop rapidement, il risque de se fissurer ; s'il refroidit trop lentement, les phases métastables risquent de ne pas se former. La vitesse de trempe optimale doit être déterminée à l'aide d'un diagramme temps-température-transformation (TTT).
