Les mécanismes de la trempe des aciers

Traitement thermique de l'acier moulé.

Traitement thermique de l'acier moulé.

La trempe et plus généralement les traitements thermiques (austénitisation, trempe, revenu, …) effectués sur les pièces de fonderie en acier permettent de leur conférer leurs propriétés d’usage : caractéristiques mécaniques, résistance à la corrosion, résistance à l’usure, …. De nombreux paramètres pilotent une gamme de trempe, que ce soit le milieu de trempe, les températures, la durée mais également la position de la pièce. Cet article, sans vouloir être exhaustif, se propose de rappeler les principes et équations qui pilotent cette opération de trempe.

Les trois étapes de refroidissement lors de la trempe

Les 3 étapes de refroidissement de la pièce lors de la trempe.
Les 3 étapes de refroidissement de la pièce lors de la trempe.

Pour l’étape de trempe d’un traitement thermique, les courbes de refroidissement montrent trois phases. On constate tout d’abord un début lent, où le fluide se vaporise sous l’action de la chaleur émise par la pièce (cas des fluides vaporisables). Un film de vapeur isole ainsi la pièce. On parle alors de caléfaction. Puis intervient une phase rapide où le fluide est en mouvement de convection rapide autour de la pièce. Durant cette phase, le film de vapeur n’est plus suffisant pour protéger la pièce et il y a contact entre cette dernière et le fluide. Il a alors ébullition nucléée qui conduit à la vitesse de refroidissement maximale. Le choc thermique alors créé entraîne des modifications métallurgiques. Enfin, les échanges thermiques se terminent par une phase de refroidissement plus lente qui suit la loi de convection de Newton.

Influence de l’agitation du fluide de trempe

Les échanges de chaleur sont également pilotés par l’agitation du fluide de refroidissement. L’agitation du fluide de trempe augmente le refroidissement durant les trois phases. Le film de vapeur est en effet détruit par l’agitation, ce qui réduit son domaine. La pièce rentre alors plus facilement en contact avec le fluide, ce qui augmente les transferts thermiques et de fait la vitesse de refroidissement. En revanche, le domaine d’ébullition est quant à lui plus important. Remarquons que l’agitation permet de réaliser un refroidissement uniforme et énergique de la pièce durant cette phase, ce qui favorise la formation de martensite aussi bien à cœur qu’en surface.

Métallurgie et transformation de phase

Le but du traitement thermique des aciers est d’obtenir de la martensite, phase dure. Le passage de la phase austénitique à la phase ferritique s’accompagne d’une augmentation de volume, d’autant plus importante dans le cas de la transformation martensitique. En effet, le carbone en solution provoque une dilatation de la maille. Revenons plus en détail sur les phénomènes aux étapes du chauffage (austénitisation) d’une part et de la trempe d’autre part.

L’austénitisation

Structure de la ferrite et de l'austénite.
Structure de la ferrite et de l’austénite.

Avant d’effectuer une trempe, une mise en solution des composés chimiques est nécessaire. Cette mise en solution est obtenue par un chauffage à haute température puis un maintien pendant le temps nécessaire à la diffusion de ces éléments. Il faut en effet porter l’acier à une température telle que le fer ait acquis sa structure cubique face centrée (fer γ) qui peut dissoudre (en solution interstitielle) le carbone présent (contrairement au fer cubique centré – fer α – dans lequel le carbone est pratiquement insoluble). On transforme ainsi l’acier en solution solide de carbone dans le fer γ, l’austénite. L’opération s’appelle l’austénitisation. Le chauffage permet donc de passer de la structure cubique centrée (ferrite α) à une structure cubique à face centrée (austénite γ). Cette modification de la structure cristallographique s’accompagne également d’une variation de volume et d’un effet thermique. En effet, le chauffage provoque un transfert de chaleur par conduction entre la peau et le cœur de la pièce, avec apparition d’un gradient thermique entre ces deux zones, inversement proportionnel à la conductivité thermique. Il est important de limiter la température maximale de chauffage, qui doit permettre d’obtenir la transformation souhaitée, sans engendrer un grossissement des grains de l’alliage.

La trempe

Lors de l’opération de trempe proprement dite, on cherche à refroidir rapidement la pièce pour empêcher la précipitation du carbone au cours du refroidissement depuis la température d’austénitisation jusqu’à la température ambiante. Le refroidissement à différents objectifs : conserver en solution hors équilibres les éléments précipitables, en vue d’une précipitation contrôlée lors d’un chauffage ultérieur et provoquer une précipitation pour obtenir le durcissement. Afin de réaliser ce refroidissement, le matériau est généralement mis en contact avec un fluide (eau, polymère, …), afin que ce dernier absorbe la chaleur de la pièce. Les facteurs impactant la trempe sont la conductivité thermique, la quantité de chaleur à extraire, le fluide de refroidissement et enfin l’échange de chaleur à l’interface métal-fluide.

Les cinétiques de transformation de phase

Fraction transformée de martensite lors de la trempe selon Koistinen et Marburger.
Fraction transformée de martensite lors de la trempe selon Koistinen et Marburger.

L’acier subit un refroidissement de la température d’austénitisation, jusqu’à température ambiante. Ce refroidissement modifie la structure en décomposant l’austénite stable à chaud en ferrite ou perlite, suivant la composition de l’alliage. Lorsque ces transformations sont suffisamment éloignées de l’équilibre thermodynamique, ce qui est le cas en pratique, on peut utiliser les données relatives au diagramme d’équilibre (nature et proportion des phases en présence). La cinétique de transformation, permet de décrire hors équilibre, la vitesse ainsi que la proportion des transformations des nouvelles phases. Il est important de s’intéresser un peu plus en détail aux transformations sans diffusion, de type martensitique. On peut calculer la fraction transformée de martensite (yi) à partir de la formule de Koistinen et Marburger. L’ensemble des paramètres de la formule peuvent dépendre de la teneur en carbone et des contraintes.

Le facteur de trempe

Le facteur de trempe.
Le facteur de trempe.

Fondé sur les lois d’additivité d’Avrami, un facteur de trempe noté Q permet de mettre en relation la vitesse de refroidissement et le taux de transformation d’un alliage dont on connait les courbes TTT (Transformations-Température-Temps). Pour chaque étape de la courbe de refroidissement, on peut calculer en effet un facteur de trempe incrémental q.

Calcul de Martensite Start selon Andrews.
Calcul de Martensite Start selon Andrews.

Le facteur de trempe Q est obtenu par la somme de ces incréments entre les températures Ar3 et Ms. Ar3 correspond à la température à partir de laquelle l’austénite commence à se transformer en ferrite au cours d’un refroidissement et Ms (pour Martensite Start) correspond à la température d’apparition de la martensite. Le facteur de trempe permet d’indiquer la sévérité de l’extraction du milieu de trempe en considérant la cinétique de la transformation.

Hétérogénéités en éléments d’alliage

Des hétérogénéités de composition sont souvent le fait des ségrégations de coulée ou d’un traitement thermochimique comme la cémentation. Lors du refroidissement, au cours de la solidification ou d’un traitement thermique, une séparation partielle de parties homogènes de l’alliage et l’apparition d’hétérogénéités dans sa composition chimique peut survenir. La ségrégation est donc un enrichissement en certains atomes dans une région particulière. Lors du refroidissement, le gradient de carbone, ou d’un autre élément d’alliage, relatif aux ségrégations affecte les cinétiques de transformation de phase.

Diagramme TTT et TRC

Diagramme TRC acier 35CrMo4.
Diagramme TRC acier 35CrMo4.

Le métallurgiste dispose de deux modélisations des transformations diffusionnelles : une approche isotherme d’une part représentée par les diagrammes TTT (Transformations Temps Températures), et une approche anisotherme d’autre part représentée par les diagrammes TRC (Transformations à Refroidissement Continu). Les températures caractéristiques de ces diagrammes sont dépendantes de la teneur en élément d’alliage, comme  A3 et MS.

Des modifications de températures de A3 et MS dues à des gradients en éléments d’alliages peuvent avoir lieu. Ces modifications de température, en modifiant les cinétiques de transformations, modifient aussi les comportements de changement de volume dus aux changements de phases.

Modification de A3 et MS fonction de la teneur en carbone et éléments d'alliage.
Modification de A3 et MS fonction de la teneur en carbone et éléments d’alliage.

Modélisation de la diffusion d’éléments chimiques

Modélisation de la diffusion d'éléments chimique carbone.
Modélisation de la diffusion d’éléments chimique carbone.

Une modélisation de la diffusion d’éléments chimiques tels que le carbone ou l’azote, est disponible (équation ci-contre). De même la composition chimique de l’alliage et la taille de grain jouent un rôle quant à la dureté des pièces ; la température Ms étant directement liée à la composition, la dureté l’est également. Cette dureté est amenée à évoluer différemment en fonction de la composition et des traitements.

Conclusion

L’austénitisation et la trempe des aciers mettent en œuvre des phénomènes complexes qui sont de plusieurs ordre : thermique, métallurgique et enfin mécanique (changement de volume). La composition chimique de la pièce et les phases en présence et leur anisotropie dans l’épaisseur vont impacter sur la structure après traitement thermiques et les performances atteintes (dureté, caractéristiques mécaniques, …).

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