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Méthodes fondamentales de traitement thermique de l’acier au carbone : objectifs, procédure et efficacité
Recuit : restauration de la ductilité et modification de la microstructure de l’acier au carbone écroui
Le travail à froid sévère de l'acier peut entraîner un durcissement excessif de ce dernier, ce qui peut être atténué par l'utilisation d'un procédé appelé recuit. Dans ce procédé, le métal est chauffé à une température généralement comprise entre environ 600 et 700 degrés Celsius pendant une durée d'environ 1 à 2 heures, puis il est laissé refroidir lentement à l'intérieur du four. Le résultat de ce procédé est la relaxation des contraintes internes accumulées dans la structure du matériau et la formation de nouvelles structures cristallines exemptes de déformation. Après recuit, le matériau retrouve typiquement environ 30 % de la ductilité perdue et peut alors subir des modifications de forme nettement plus sévères avant de se rompre. Pour les ingénieurs industriels automobiles, l'obtention d'une structure uniforme de ferrite et de perlite est essentielle, notamment pour la fabrication de panneaux de carrosserie et d'éléments de structure portante devant conserver leur configuration sous charge et, le cas échéant, pouvoir se déformer et se plier.
La normalisation fournit une structure de grains uniforme et améliore l'usinabilité des aciers au carbone forgés ou laminés.
La normalisation commence par le chauffage de l'acier à des températures comprises entre 800 et 900 degrés Celsius, suivi d'un refroidissement lent à l'air ambiant. Cette technique élimine les structures de grains grossiers et non uniformes subsistant après un travail à chaud antérieur, et développe une matrice microconstituante de ferrite/perlite moins grossière et plus homogène. Par rapport à un acier non normalisé, la normalisation augmente la facilité d'usinage de 15 à 20 %. La réduction de l'usure des outils et l'amélioration de la finition de surface augmentent significativement la durée de vie des outils et la qualité des pièces. Cela explique pourquoi la normalisation de l'acier est couramment pratiquée dans les opérations de fabrication et d'usinage de composants de précision, tels que les engrenages et les arbres.
Durcissement et revenu : la séquence critique pour optimiser le compromis résistance-ténacité des aciers mi-carbonés
Pour commencer le processus de trempe de l'acier, ce dernier doit d'abord être chauffé à une température comprise entre 800 et 900 degrés Celsius, étape appelée austénitisation. Immédiatement après ce chauffage, l'acier subit un refroidissement rapide ou instantané, soit dans un bain d'eau, soit dans un bain d'huile, ce qui transforme la structure austénitique en martensite, très dure mais également extrêmement fragile. Ce procédé peut conduire à une structure martensitique atteignant une dureté Rockwell C de 65 et une résistance à la traction de 1 000 mégapascals. Le problème est que, juste après la trempe, la structure martensitique est trop fragile pour supporter des charges réelles. La solution à ce problème consiste à revenir l'acier, c'est-à-dire le chauffer à une température comprise entre 400 et 700 degrés Celsius pendant environ une heure ou plus. Ce chauffage permet de réduire les contraintes internes — ce qui est essentiel — et d'accroître la ténacité de la structure grâce à la formation de petits carbures, améliorant ainsi la ténacité et la résistance. Ce traitement thermique en deux étapes reste indispensable dans la fabrication moderne des composants devant supporter de fortes charges, tels que les essieux de véhicules, les vilebrequins de moteurs et divers systèmes d'engrenages industriels.
Teneur en carbone comme facteur déterminant dans le choix des traitements thermiques pour les aciers au carbone
acier à teneur en C < 0,3 % : problèmes de trempabilité — pourquoi la recuisson et la normalisation constituent les options préférables
Les aciers faiblement alliés en carbone ne contiennent pas suffisamment de carbone pour former une quantité notable de martensite lors d’un refroidissement brutal (trempage), et par conséquent, les techniques classiques de durcissement ne peuvent pas être appliquées à ces aciers. À la place, l’option la plus courante est le recuit, qui permet la reconstruction complète de la microstructure déformée à froid et la restauration de la ductilité. La normalisation contribue également à l’homogénéisation de la distribution des tailles de grains dans un métal ayant subi un forgeage ou un laminage. Ces deux méthodes facilitent les opérations de formage ultérieures ainsi que l’usinage de l’acier, et atténuent les problèmes de déformation ou de fissuration liés au trempage. De telles traitements thermiques sont appliqués dans la fabrication de composants simples tels que les panneaux de carrosserie automobile, les supports et les éléments structurels dans le secteur automobile. Pour ces applications, les ingénieurs privilégient des propriétés telles qu’une bonne soudabilité, une excellente aptitude au formage profond et une stabilité dimensionnelle, plutôt que la résistance maximale pouvant être obtenue.
Acier à teneur moyenne en carbone (0,3–0,5 % C) : Trempe et revenu – Performances attendues adaptées
Les aciers à teneur moyenne en carbone sont des aciers contenant de 0,3 à 0,5 % de carbone. Ils conviennent particulièrement aux traitements de durcissement, car leur teneur en carbone permet la formation d’une certaine quantité de martensite lors de la trempe, sans toutefois rendre l’acier trop sensible aux fissurations pendant le traitement thermique. Un acier revenu conserve une bonne ténacité, et certains exemples d’acier de nuance AISI 1045 peuvent atteindre une résistance à la traction supérieure à 800 MPa. En outre, l’acier AISI 1045 présente une bonne résistance à la fatigue ainsi qu’une bonne résistance à l’usure. En raison de ces caractéristiques, cette nuance d’acier est privilégiée par les ingénieurs pour les pièces fortement sollicitées, telles que les essieux de véhicules, les bielles de moteur et les engrenages industriels de transmission.
Sélection du milieu de trempe et maîtrise du refroidissement pour un durcissement fiable des aciers au carbone
Trempe à l’eau ou à l’huile : équilibre entre formation de martensite et risque de fissuration pour les aciers au carbone
Le type de milieu de trempe choisi a un effet direct sur la vitesse à laquelle la chaleur est évacuée, sur la survenue ou non des transformations de phase et sur l’importance des contraintes résiduelles dans le métal. Des vitesses de refroidissement d’environ 130 °C/s engendrent des quantités importantes de martensite, conduisant à une structure très dure. Par exemple, le trempe à l’eau est très efficace pour les pièces de forme simple nécessitant une forte résistance à l’usure, telles que les outils agricoles ou les matrices d’outillage. En revanche, le trempe à l’huile présente une vitesse de refroidissement modérée d’environ 80 °C/s. Dans ce cas, la vitesse de refroidissement plus lente est avantageuse, car elle réduit le risque de choc thermique et de déformation géométrique, tout en assurant néanmoins la formation nécessaire de martensite dans les aciers à teneur moyenne en carbone. La plupart des ateliers privilégient le trempe à l’huile lorsqu’ils travaillent des structures à parois minces, des géométries complexes ou des aciers à haut carbone, où le risque de fissuration est important comparé à la légère augmentation de dureté obtenue.
Bien que le refroidissement à l'air n'endurcisse pas les métaux, il facilite toutefois le traitement de normalisation, permettant ainsi le développement sans contrainte des phases microstructurales de ferrite et de perlite.
Refroidissement à l'air lors de la normalisation : obtention d'une répartition uniforme de la ferrite et de la perlite sans contraintes résiduelles
Le procédé de normalisation se distingue du trempe en ce qu’il utilise un refroidissement à l’air, et non d’autres méthodes pouvant être plus rapides. Cette approche plus lente favorise la transition continue du matériau depuis la phase austénitique jusqu’aux phases ferritique et perlite. À un taux de refroidissement d’environ 5 degrés Celsius par seconde, ce taux est suffisamment lent pour éviter l’apparition de gradients thermiques qui, au minimum, déformeront le matériau et laisseront des contraintes résiduelles. En outre, un refroidissement plus lent favorise l’uniformité de la taille des grains sur toute la section, jusqu’à la surface externe. Cela permet d’obtenir l’effet souhaité sur l’ensemble de la section. Lorsqu’on travaille avec des pièces en acier faiblement allié, cette technique revêt une importance particulière pour garantir la stabilité dimensionnelle du composant, comme dans le cas des poutres structurelles soudées ou des carter usinés avec précision. Il s’agit là de cas où le matériau ne doit présenter aucun comportement imprévu en service.
Questions les plus fréquentes
Quel est l'objectif du recuit des aciers au carbone ?
L'objectif du recuit des aciers au carbone est de restaurer la ductilité et la microstructure afin que l'acier puisse être plus facilement mis en forme et travaillé après un écrouissage à froid.
Comment la normalisation améliore-t-elle les propriétés de l'acier au carbone ?
La normalisation améliore les propriétés de l'acier au carbone en lui conférant une structure de grains uniforme, ce qui facilite son usinage et réduit les contraintes internes, avantage particulièrement appréciable pour les petites pièces mécaniques précises.
Quel est l'avantage de la trempe et de la revenu des aciers moyennement alliés au carbone ?
L'avantage de la trempe et du revenu des aciers moyennement alliés au carbone réside dans l'amélioration simultanée de leur résistance et de leur ténacité, ce qui les rend adaptés à la réalisation de structures plus grandes et plus résilientes.
Quel est le problème lié à la trempe à l'eau des aciers au carbone ?
Le refroidissement rapide provoqué par la trempe à l'eau entraîne des déformations et des fissurations de l'acier au carbone, bien qu'il augmente effectivement sa dureté.
Pourquoi préfère-t-on parfois l'acier faiblement allié au carbone dans certaines applications ?
La raison de la préférence pour l'acier faiblement allié au carbone dans certaines applications est que cet acier se soude et se façonne plus facilement, notamment pour des éléments tels que les panneaux constituant la carrosserie des automobiles et les pièces assurant la structure du véhicule, qui présentent de faibles exigences en matière de résistance.