Trempabilité de l'acier

De nombreux types d'acier ont une réponse bénéfique à une méthode de traitement thermique connue sous le nom de trempe. L'un des critères les plus importants dans le processus de sélection d'un matériau de pièce est la trempabilité. La trempabilité décrit la profondeur de durcissement d'un métal lors de la trempe à haute température, et peut également être appelée profondeur de durcissement.

Acier à l'échelle microscopique :

Le premier niveau de classification des aciers au niveau microscopique est leur structure cristalline, la manière dont les atomes sont disposés dans l'espace. Les configurations cubique centrée sur le corps (BCC) et cubique centrée sur la face (FCC) sont des exemples de structures cristallines métalliques. Des exemples de structures cristallines BCC et FCC peuvent être vus ci-dessous dans la figure 1. Gardez à l'esprit que les images de la figure 1 sont destinées à afficher la position atomique et que la distance entre les atomes est exagérée.

Le niveau suivant de classification est une phase. Une phase est une partie uniforme d'un matériau qui a les mêmes propriétés physiques et chimiques. L'acier a 3 phases différentes :

1. Austénite :fer cubique à faces centrées ; également les alliages de fer et d'acier qui ont la structure cristalline FCC.
2. Ferrite :alliages de fer et d'acier cubiques centrés sur le corps qui ont une structure cristalline BCC.
3. Cémentite :carbure de fer (Fe₃ C)

Le dernier niveau de classification abordé dans cet article est la microstructure. Les trois phases vues ci-dessus peuvent être combinées pour former différentes microstructures d'acier. Des exemples de ces microstructures et de leurs propriétés mécaniques générales sont présentés ci-dessous :

• Martensite :la microstructure la plus dure et la plus résistante, mais la plus fragile
• Pearlite :dur, solide et ductile mais pas particulièrement résistant
• Bainite :a une combinaison résistance-ductilité souhaitable, plus dure que la perlite mais pas aussi dure que la martensite

Durcissement à l'échelle microscopique :

La trempabilité de l'acier est fonction de la teneur en carbone du matériau, des autres éléments d'alliage et de la granulométrie de l'austénite. L'austénite est un fer en phase gamma et à haute température sa structure atomique subit une transition d'une configuration BCC à une configuration FCC.

La trempabilité élevée fait référence à la capacité de l'alliage à produire un pourcentage élevé de martensite dans tout le corps du matériau lors de la trempe. Les aciers trempés sont créés en trempant rapidement le matériau à haute température. Cela implique une transition rapide d'un état 100% austénite à un pourcentage élevé de martensite. Si l'acier contient plus de 0,15% de carbone, la martensite devient une forme cubique centrée sur le corps fortement sollicitée et est sursaturée en carbone. Le carbone ferme efficacement la plupart des plans de glissement dans la microstructure, créant un matériau très dur et cassant. Si la vitesse de trempe n'est pas assez rapide, le carbone diffusera hors de la phase austénitique. L'acier devient alors de la perlite, de la bainite ou, s'il est maintenu suffisamment chaud, de la ferrite. Aucune des microstructures que nous venons d'énoncer n'a la même résistance que la martensite après revenu et sont généralement considérées comme défavorables pour la plupart des applications.

La réussite du traitement thermique d'un acier dépend de trois facteurs :

1. La taille et la forme du spécimen
2. La composition de l'acier
3. La méthode de trempe

1. La taille et la forme du spécimen

Pendant le processus de trempe, la chaleur doit être transférée à la surface de l'échantillon avant de pouvoir être dissipée dans le milieu de trempe. Par conséquent, la vitesse à laquelle l'intérieur de l'échantillon se refroidit dépend de son rapport surface/volume. Plus le rapport est grand, plus l'échantillon se refroidira rapidement et donc plus l'effet de durcissement sera profond. Par exemple, une barre cylindrique de 3 pouces avec un diamètre de 1 pouce aura une trempabilité plus élevée qu'une barre de 3 pouces avec un diamètre de 1,5 pouce. En raison de cet effet, les pièces avec plus de coins et d'arêtes sont plus susceptibles d'être durcies par trempe que les formes régulières et arrondies. La figure 2 est un exemple de diagramme de transformation temps-température (TTT) des courbes de refroidissement d'une barre de 95 mm trempée à l'huile. La surface se transformera en 100% de martensite tandis que le noyau contiendra de la bainite et aura donc une dureté moindre.

2. La composition de l'acier

Il est important de se rappeler que différents alliages d'acier contiennent différentes compositions élémentaires. Le rapport de ces éléments par rapport à la quantité de fer dans l'acier donne une grande variété de propriétés mécaniques. L'augmentation de la teneur en carbone rend l'acier plus dur et plus résistant mais moins ductile. L'élément d'alliage prédominant des aciers inoxydables en chrome, qui confère au métal sa forte résistance à la corrosion. Depuis plus d'un millénaire que l'homme s'occupe de la composition de l'acier, le nombre de combinaisons est infini.

Parce qu'il y a tellement de combinaisons qui donnent tellement de propriétés mécaniques différentes, des tests standardisés sont utilisés pour aider à catégoriser les différents types d'acier. Un test courant de trempabilité est le test Jominy, illustré à la figure 3 ci-dessous. Au cours de cet essai, un bloc standard de matériau est chauffé jusqu'à ce qu'il soit 100 % austénitique. Le bloc est ensuite rapidement déplacé vers un appareil où il est trempé à l'eau. La surface, ou la zone en contact avec l'eau, est immédiatement refroidie et la vitesse de refroidissement diminue en fonction de la distance à la surface. Un méplat est ensuite meulé sur le bloc le long de la longueur de l'échantillon. La dureté en différents points est mesurée le long de ce plat. Ces données sont ensuite tracées dans un tableau de trempabilité avec la dureté comme axe y et la distance comme axe x.

Les courbes de trempabilité sont construites à partir des résultats des tests Jominy. Des exemples de quelques courbes d'alliages d'acier sont illustrés à la figure 4. Avec une vitesse de refroidissement décroissante (baisse plus forte de la dureté sur une courte distance), plus de temps est accordé à la diffusion du carbone et à la formation d'une plus grande proportion de perlite plus tendre. Cela signifie moins de martensite et une trempabilité moindre. Un matériau qui conserve des valeurs de dureté plus élevées sur des distances relativement longues est considéré comme hautement trempable. Aussi, plus la différence de dureté entre les deux extrémités est grande, plus la trempabilité est faible. Il est typique des courbes de trempabilité que lorsque la distance de l'extrémité trempée augmente, la vitesse de refroidissement diminue. L'acier 1040 a initialement la même dureté que le 4140 et le 4340 mais se refroidit extrêmement rapidement sur la longueur de l'échantillon. Les aciers 4140 et 4340 refroidissent à une vitesse plus progressive et ont donc une trempabilité plus élevée. Le 4340 a un taux de refroidissement moins extrême par rapport au 4140 et a donc la trempabilité la plus élevée du trio.

Les courbes de trempabilité dépendent de la teneur en carbone. Un plus grand pourcentage de carbone présent dans l'acier augmentera sa dureté. Il convient de noter que les trois alliages de la figure 4 contiennent la même quantité de carbone (0,40 % C). Le carbone n'est pas le seul élément d'alliage qui peut avoir un effet sur la trempabilité. La disparité de comportement de trempabilité entre ces trois aciers s'explique par leurs éléments d'alliage. Le tableau 1 ci-dessous présente une comparaison de la teneur en alliage de chacun des aciers. Le 1040 est un acier au carbone ordinaire et a donc la trempabilité la plus faible car il n'y a pas d'autres éléments que le fer pour empêcher les atomes de carbone de s'échapper de la matrice. Le nickel ajouté au 4340 permet la formation d'une quantité légèrement supérieure de martensite par rapport au 4140, ce qui lui confère la trempabilité la plus élevée de ces trois alliages. La plupart des éléments d'alliage métalliques ralentissent la formation de perlite, de ferrite et de bainite, ils augmentent donc la trempabilité d'un acier.

Tableau 1 :affiche la teneur en alliage des aciers 4340, 4140 et 1040

Type d'acier :	Nickel (% en poids) :	Molybdène (% en poids) :	Chrome (% en poids) :
4340	1,85 %	0,25 %	0,80 %
4140	0,00 %	0,20 %	1,00 %
1040	0,00 %	0,00 %	0,00 %

Il peut y avoir une variation de la trempabilité au sein d'un groupe de matériaux. Lors de la fabrication industrielle de l'acier, il existe toujours de légères variations inévitables de la composition élémentaire et de la granulométrie moyenne d'un lot à l'autre. La plupart du temps, la trempabilité d'un matériau est représentée par des courbes maximales et minimales fixées comme limites.

La trempabilité augmente également avec l'augmentation de la taille des grains austénitiques. Un grain est un cristal individuel dans un métal polycristallin. Pensez à un vitrail (comme celui vu ci-dessous), le verre coloré serait les grains tandis que le matériau de soudure qui le retiendrait serait les joints de grains. L'austénite, la ferrite et la cémentite sont tous des types de grains différents qui composent les différentes microstructures de l'acier. C'est aux joints de grains que vont se former la perlite et la bainite. Ceci est préjudiciable au processus de durcissement car la martensite est la microstructure souhaitée, les autres types gênent sa croissance. La martensite se forme à partir du refroidissement rapide des grains d'austénite et son processus de transformation n'est pas encore bien compris. Avec l'augmentation de la taille des grains, il y a plus de grains d'austénite et moins de joints de grains. Par conséquent, il y a moins d'opportunités pour les microstructures comme la perlite et la bainite de se former et plus d'opportunités pour la martensite de se former.

3. La méthode de trempe

Comme indiqué précédemment, le type de trempe affecte la vitesse de refroidissement. L'utilisation d'huile, d'eau, de trempes polymères aqueuses ou d'air donnera une dureté différente à l'intérieur de la pièce. Ceci décale également les courbes de trempabilité. L'eau produit la trempe la plus sévère, suivie de l'huile et de l'air. Les agents de trempe polymères aqueux fournissent des taux de trempe entre ceux de l'eau et de l'huile et peuvent être adaptés à des applications spécifiques en modifiant la concentration et la température du polymère. Le degré d'agitation affecte également la vitesse d'évacuation de la chaleur. Plus le milieu de trempe se déplace rapidement à travers l'échantillon, plus l'efficacité de la trempe est grande. Les trempes à l'huile sont généralement utilisées lorsqu'une trempe à l'eau peut être trop sévère pour un type d'acier car elle peut se fissurer ou se déformer lors du traitement.

Usinage des aciers trempés

Le type de fraise à choisir pour le traitement des outils choisis pour l'usinage d'une pièce après trempe dépend de quelques variables différentes. Sans compter les exigences géométriques spécifiques à l'application, deux des variables les plus importantes sont la dureté du matériau et sa trempabilité. Certaines applications à contraintes relativement élevées nécessitent la production d'un minimum de 80 % de martensite à l'intérieur de la pièce. Habituellement, les pièces modérément sollicitées ne nécessitent qu'environ 50 % de martensite dans toute la pièce. Lors de l'usinage d'un métal trempé avec une très faible trempabilité, un outil standard en carbure monobloc revêtu peut fonctionner sans problème. En effet, la partie la plus dure de la pièce est limitée à sa surface. Lors de l'usinage d'un acier à haute trempabilité, il est recommandé d'utiliser une fraise avec une géométrie spécialisée qui est destinée à cette application spécifique. Une trempabilité élevée se traduira par une pièce dure dans tout son volume. Harvey Tool propose un certain nombre de fraises différentes pour l'acier trempé dans tout le catalogue, y compris des perceuses, des fraises en bout, des fraises à clavette et des graveurs.

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Acier trempé, résumé

La trempabilité est une mesure de la profondeur à laquelle un alliage ferreux peut être durci par la formation de martensite dans tout son volume, de la surface au noyau. Il s'agit d'une propriété matérielle importante dont vous devez tenir compte lors du choix d'un acier ainsi que d'outils de coupe pour une application particulière. Le durcissement de tout acier dépend de la taille et de la forme de la pièce, de la composition moléculaire de l'acier et du type de méthode de trempe utilisée.

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