Le traitement thermique est une combinaison d'opérations de chauffage et de refroidissement qui modifient les caractéristiques mécaniques de l'acier telles que la résistance, la dureté, la ductilité, la ténacité et la résilience.
Les traitements thermiques qui seront abordés sont :
• Récupération
• Cémentation/Carbonitruration
Les traitements thermiques mentionnés ci-dessus sont effectués sur des aciers qui, dans leur forme la plus simple, peuvent être définis comme des alliages de fer (Fe) et de carbone (C).
Traitements thermiques des aciers
1. STRUCTURE DES MÉTAUX : GRAINS CRISTALLINS ET LIMITES DES GRAINS
Les métaux ont une structure dite « poly-cristalline » constituée de nombreux grains cristallins de structure régulière, séparés des autres grains cristallins par des joints de grains.
Les grains cristallins peuvent avoir différentes tailles. D'une manière générale, le principe est valable selon lequel de grandes dimensions de grains correspondent à des caractéristiques mécaniques moins performantes.
Pour comprendre comment se forment ces grains cristallins, il est nécessaire d'introduire la notion de solidification d'un acier qui se développe toujours par un mécanisme de nucléation et de croissance. Au début, les atomes du métal liquide se rassemblent pour former des noyaux solides. Ceux-ci se développent grâce à l’agrégation progressive des atomes dans la phase liquide. Ce processus se poursuit jusqu'à épuisement du liquide, lorsque les grains cristallins se rencontrent et interfèrent, donnant naissance à des joints de grains.
Pour comprendre comment se forment ces grains cristallins, il est nécessaire d'introduire la notion de solidification d'un acier qui se développe toujours par un mécanisme de nucléation et de croissance. Au début, les atomes du métal liquide se rassemblent pour former des noyaux solides. Ceux-ci se développent grâce à l’agrégation progressive des atomes dans la phase liquide. Ce processus se poursuit jusqu'à épuisement du liquide, lorsque les grains cristallins se rencontrent et interfèrent, donnant naissance à des joints de grains.
2. TYPES DE GRAINS CRISTALLINS
Les grains cristallins sont donc organisés en 7 systèmes cristallins qui forment 4 types de cellules unitaires :
• Simple
• Centré sur le corps
• Visages centrés
• Base centrée
Qui constituent les 14 cellules élémentaires standards représentées dans l'image ci-dessous
Les plus courants sont :
• Structure cubique centrée sur le corps (CCC) ou cubique centrée sur le corps (BCC)
• Structure cubique à faces centrées (CFC) ou structure cubique à faces centrées (FCC)
CORPS CENTRÉ CUBIQUE (CCC) ou CORPS CENTRÉ CUBIQUE (BCC) ou STRUCTURE FERRITE
CUBIQUE VISAGE CENTRÉ (CFC) ou CUBIQUE VISAGE CENTRÉ (FCC) ou STRUCTURE AUSTÉNITE
La structure CFC est plus dense et possède un plus grand nombre de plans de glissement (voir flèches blanches) et par conséquent sera plus déformable que la structure CCC.
L'acier, compris comme un alliage de fer et de carbone, s'il n'est pas traité thermiquement, a une structure CCC à température ambiante.
L'acier inoxydable austénitique, cependant, a une structure CFC à température ambiante car c'est la structure typique de l'un des éléments d'alliage les plus importants de cet acier, le nickel, qui est capable de conditionner le fer dans la structure CFC, ce qui explique sa haute déformabilité à froid.
L'acier, compris comme un alliage de fer et de carbone, s'il n'est pas traité thermiquement, a une structure CCC à température ambiante.
L'acier inoxydable austénitique, cependant, a une structure CFC à température ambiante car c'est la structure typique de l'un des éléments d'alliage les plus importants de cet acier, le nickel, qui est capable de conditionner le fer dans la structure CFC, ce qui explique sa haute déformabilité à froid.
3. AUGMENTATION DE LA RÉSISTANCE PAR ALLIGATION
Dans les aciers, l'effet le plus significatif en termes d'augmentation de la résistance est lié à la présence de carbone qui est un élément interstitiel, car il a des dimensions bien inférieures à celles du fer et s'insinue dans les interstices du réseau. Ce type de renforcement est appelé alliage de solution solide interstitielle.
Exemple d'un atome interstitiel dans le réseau cristallin du fer.
Lorsque l'acier est dans la structure CFC, comme on peut également le comprendre en regardant la figure, il présente un plus grand nombre de sites interstitiels où le carbone peut s'insinuer, augmentant ainsi sa résistance, car la présence d'atomes étrangers génère des perturbations dans le réseau cristallin. , créant localement un champ de tensions.
4. DIAGRAMME FER-CARBONE
Pour comprendre les transformations structurelles des aciers, il est essentiel de connaître - grâce à l'étude du diagramme d'état fer-carbone (voir graphique ci-dessous) - les structures d'équilibre des aciers, car la température et le pourcentage de carbone présent varient.
DIAGRAMME FER-CARBONE
Pour faire simple, à température ambiante nous avons de la ferrite, qui a une structure CCC qui ne peut absorber que peu de carbone (elle peut alors dissoudre au maximum 0,028% en poids de carbone à 727°C). forme des carbures qui se rejoignent en petites poches formant une structure cristalline très dure appelée cémentite, qui peut être représentée par la formule Fe3C et possède une structure orthorhombique.
Lorsque la température augmente, la ferrite se transforme en austénite, qui possède une structure CFC qui lui permet d'absorber plus de carbone (elle peut dissoudre 2,11 % en poids de carbone à 1 148 °C), déclenchant la dissolution de la cémentite en austénite.
Si à ce stade on refroidit rapidement l'austénite, le carbone n'aura pas le temps de s'échapper de la structure cubique de la ferrite, restant "piégé" et conduisant à la formation de martensite : une structure tétragonale centrée sursaturée en carbone, dans laquelle la tétragonalité est provoquée par la légère distorsion de la cellule unitaire CCC due à la présence de carbone. Cette structure nous permet d'avoir les caractéristiques mécaniques les plus performantes.
5. NETTOYAGE
La trempe est un ensemble de traitements thermiques, visant à obtenir une dureté/résistance élevée de l'acier sur toute sa surface, qui sont effectués sur des types particuliers d'acier, consistant en une trempe suivie d'un revenu.
Le durcissement consiste à porter l'acier au-dessus de la température qui induit un changement de structure (de CCC à CFC) pendant un temps permettant une austénisation complète et un refroidissement brutal ultérieur. Ce faisant, le carbone n'a pas le temps de se diffuser, et se retrouve piégé dans la structure des CFC plutôt que de se transformer en CCC. Cette structure, qui apparaît tétragonale avec un corps centré, est définie comme martensite.
Avec le durcissement, on obtient une structure avec une dureté élevée et une résistance à la traction considérable, mais avec une résilience assez faible avec un risque relatif de rupture suite à des impacts. Pour éviter ces dangers, qui entraînent un effondrement quasi instantané de la structure, l'acier est soumis à un traitement thermique de revenu, pour transformer une partie de la martensite en martensite revenue.
La trempe consiste à chauffer l'acier à une température inférieure à celle de transformation en austénite (définie comme AC1, et peut être classée dans la plage 400-700°C) pendant des périodes suffisamment longues. La trempe réduit la dureté du matériau, augmentant ainsi sa ténacité. Grâce au revenu, il est possible d'adapter les propriétés du matériau (rapport dureté/ténacité) à une application spécifiée.
Les aciers trempés et revenus sont réglementés par la norme ISO 683-1 pour les aciers trempés et revenus non alliés et 683-2 pour les aciers alliés revenus et revenus et sont classés sur la base de leur composition chimique, évaluant la teneur en carbone pour les aciers non alliés et également évaluation des éléments d'alliage pour les alliages.
Les éléments d'alliage déterminent certains changements dans les propriétés chimiques/physiques du matériau et certains d'entre eux sont rapportés ci-dessous :
• Molybdène : pour augmenter la trempabilité et la résistance à l'usure
• Chrome : pour augmenter la trempabilité et la stabilité du revenu ainsi que la résistance à l'usure et à la corrosion
• Nickel : pour augmenter la résistance et la dureté après revenu
• Vanadium : pour augmenter la résistance mécanique et la résistance à l'usure.
• Tungstène : pour augmenter la résistance à l'usure et la dureté
6. CIMENTATION/CARBONITRIDATION
La cémentation est un traitement thermique qui permet d'obtenir une dureté/résistance superficielle élevée de l'acier et repose sur la diffusion du carbone sous forme atomique au sein du réseau cristallin de l'acier.
Ce phénomène (également appelé adsorption) est fonction de la température, du temps de rétention et de la concentration en carbone.
Quel que soit le procédé de cimentation utilisé, l’agent cimentant utilisé dans le processus est toujours du monoxyde de carbone. Cette substance, en interaction avec l'acier à une température d'environ 900°C, provoque un enrichissement en carbone dans le réseau cristallin, transférant des atomes de carbone à l'acier. De manière générale donc, plus la quantité de monoxyde de carbone présente dans le milieu réactionnel est grande, plus la capacité de cimentation du milieu lui-même envers l'acier à traiter est grande.
En général, après cémentation et traitements thermiques ultérieurs, on obtient un matériau avec une dureté de surface élevée à des profondeurs typiques de 0,3 à 2 mm et un noyau résistant.
Après la cémentation, les aciers doivent toujours être soumis à un traitement thermique de trempe et de détente ultérieure, qui est généralement effectué à basse température (102-200°C) et sert à éliminer les tensions sans réduire excessivement la dureté superficielle. Cela réduit également la fragilité excessive de la couche durcie et le risque de fissures de meulage.
Les aciers de cémentation sont réglementés par la norme UNI EN ISO 683-3
La carbonitruration est une cémentation en présence d'azote, qui stabilise la phase austénitique et augmente la trempabilité finale de la surface, rendant plus efficace la diffusion du carbone, ce qui peut se faire à des températures plus basses.