Comprendre la trempabilité de l'acier : profondeur de durcissement et effets traitement thermique

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 à quelle profondeur un métal peut être durci par trempe depuis une haute température, et peut également être appelée la profondeur de durcissement.

L'acier à l'échelle microscopique :

Le premier niveau de classification des aciers à un niveau microscopique est leur structure cristalline, la façon dont les atomes sont arrangés dans l'espace. Les configurations cubiques centrées sur le corps (CCC) et cubiques à faces centrées (CFC) sont des exemples de structures cristallines métalliques. Des exemples de structures cristallines CCC et CFC 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 portion 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 ; aussi fer et alliages d'acier qui ont la structure cristalline CFC.
2. Ferrite : Fer cubique centré sur le corps et alliages d'acier qui ont une structure cristalline CCC.
3. Cémentite : Carbure de fer (Fe₃C)

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

• Martensite : la microstructure la plus dure et la plus forte, mais la plus fragile
• Perlite : Dure, forte et ductile mais pas particulièrement tenace
• 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 une fonction de la teneur en carbone du matériau, des autres éléments d'alliage, et de la taille de grain de l'austénite. L'austénite est un fer de phase gamma et à haute température sa structure atomique subit une transition d'une configuration CCC à une configuration CFC.

Une trempabilité élevée fait référence à la capacité de l'alliage à produire un pourcentage élevé de martensite à travers le corps du matériau lors de la trempe. Les aciers trempés sont créés par trempe rapide du matériau depuis une haute température. Cela implique une transition rapide d'un état de 100 % d'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 hautement contrainte et est supersaturée en carbone. Le carbone ferme efficacement la plupart des plans de glissement dans la microstructure, créant un matériau très dur et fragile. Si le taux 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 chaud assez longtemps, de la ferrite. Aucune des microstructures énoncées n'a la même résistance que la martensite après revenu et sont généralement considérées comme défavorables pour la plupart des applications.

Le traitement thermique réussi d'un acier dépend de trois facteurs :

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

1. La taille et la forme de l'éprouvette

Pendant le processus de trempe, la chaleur doit être transférée à la surface de l'éprouvette avant de pouvoir être dissipée dans le milieu de trempe. Par conséquent, le taux auquel l'intérieur de l'éprouvette refroidit dépend de son rapport surface/volume. Plus le rapport est grand, plus l'éprouvette 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 aptes au durcissement 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 % martensite tandis que le cœur contiendra de la bainite et aura donc une dureté plus faible.

2. La composition de l'acier

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

Parce qu'il y a tant de combinaisons qui produisent tant de propriétés mécaniques différentes, des tests standardisés sont utilisés pour aider à catégoriser différents types d'acier. Un test courant pour la trempabilité est le test Jominy, montré dans la Figure 3 ci-dessous. Pendant ce test, un bloc standard de matériau est chauffé jusqu'à ce qu'il soit 100 % austénite. 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 le taux de refroidissement diminue en fonction de la distance depuis la surface. Un plat est ensuite meulé sur le bloc le long de la longueur de l'échantillon. La dureté à divers points est mesurée le long de ce plat. Ces données sont ensuite tracées dans un graphique de trempabilité avec la dureté comme axe des ordonnées et la distance comme axe des abscisses.

Les courbes de trempabilité sont construites à partir des résultats des tests Jominy. Des exemples de quelques courbes d'alliages d'acier sont montrés dans la Figure 4. Avec un taux de refroidissement décroissant (chute plus raide de la dureté sur une courte distance), plus de temps est permis pour la diffusion du carbone et la formation d'une plus grande proportion de perlite plus molle. Cela signifie moins de martensite et une trempabilité plus faible. 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, à mesure que la distance depuis l'extrémité trempée augmente, le taux de refroidissement diminue. L'acier 1040 a initialement la même dureté que les 4140 et 4340 mais refroidit extrêmement rapidement sur la longueur de l'échantillon. Les aciers 4140 et 4340 refroidissent à un taux plus graduel 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 pourcentage plus élevé 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 peut être expliquée en termes de leurs éléments d'alliage. Le Tableau 1 ci-dessous montre une comparaison de la teneur en alliage dans chacun des aciers. Le 1040 est un acier au carbone pur et a donc la trempabilité la plus faible car il n'y a pas d'autres éléments que le fer pour bloquer les atomes de carbone de s'échapper de la matrice. Le nickel ajouté au 4340 permet une quantité légèrement plus grande de martensite à se former comparé au 4140, lui donnant la trempabilité la plus élevée de ces trois alliages. La plupart des éléments d'alliage métalliques ralentissent la formation de perlite, ferrite et bainite, augmentant donc la trempabilité de l'acier.

Tableau 1 : Teneurs en alliage des aciers 4340, 4140 et 1040

Type d'acier :	Nickel (% massique) :	Molybdène (% massique) :	Chrome (% massique) :
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 trempabilité au sein d'un groupe de matériaux. Pendant la production industrielle de l'acier, il y a toujours de légères variations inévitables dans la composition élémentaire et la taille de grain 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 de grain austénitique. Un grain est un cristal individuel dans un métal polycristallin. Pensez à une fenêtre en vitrail (comme celle vue ci-dessous), le verre coloré serait les grains tandis que le matériau de soudure le maintenant ensemble serait les joints de grain. L'austénite, la ferrite et la cémentite sont tous différents types de grains qui composent les différentes microstructures de l'acier. C'est aux joints de grain que la perlite et la bainite se forment. Cela est préjudiciable au processus de durcissement car la martensite est la microstructure désirée, les autres types entravent sa croissance. La martensite se forme à partir du refroidissement rapide des grains d'austénite et son processus de transformation n'est toujours pas bien compris. Avec l'augmentation de la taille de grain, il y a plus de grains d'austénite et moins de joints de grain. Par conséquent, il y a moins d'opportunités pour des 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 le taux de refroidissement. L'utilisation d'huile, d'eau, de polymères aqueux pour trempe, ou d'air produira une dureté différente à travers l'intérieur de la pièce. Cela décale également les courbes de trempabilité. L'eau produit la trempe la plus sévère suivie par l'huile puis l'air. Les polymères aqueux pour trempe fournissent des taux de trempe entre ceux de l'eau et de l'huile et peuvent être adaptés à des applications spécifiques en changeant la concentration et la température du polymère. Le degré d'agitation affecte également le taux d'élimination de la chaleur. Plus le milieu de trempe se déplace rapidement sur l'éprouvette, plus l'efficacité de la trempe est grande. Les trempes à l'huile sont généralement utilisées lorsque une trempe à l'eau peut être trop sévère pour un type d'acier car il peut se fissurer ou se déformer lors du traitement.

Usinage des aciers trempés

Le type de fraise qui devrait être choisi pour traiter les outils choisis pour l'usinage d'une pièce après durcissement 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 exigent un minimum de 80 % de martensite à produire à travers l'intérieur de la pièce. Habituellement, les pièces modérément contraintes ne nécessitent qu'environ 50 % de martensite à travers la pièce. Lors de l'usinage d'un métal trempé avec une trempabilité très faible, un outil carbure massif standard revêtu peut fonctionner sans problème. C'est parce que la partie la plus dure de la pièce est limitée à sa surface. Lors de l'usinage d'un acier avec une trempabilité élevée, il est recommandé d'utiliser une fraise avec une géométrie spécialisée pour cette application spécifique. Une trempabilité élevée résultera en une pièce dure à travers tout son volume. Harvey Tool propose un certain nombre de fraises différentes pour acier trempé dans le catalogue, y compris forets, fraises en bout, fraises à rainurer et 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 à travers tout son volume, de la surface au cœur. C'est une propriété matérielle importante que vous devez considérer lors du choix d'un acier ainsi que des 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.