Le Traitement Thermique Expliqué : Procédés, Méthodes et Avantages

Qu'est-ce que le Traitement Thermique ?

Le traitement thermique est le processus de chauffage et de refroidissement des métaux, en utilisant des méthodes prédéterminées spécifiques pour obtenir les propriétés désirées. Les métaux ferreux aussi bien que non ferreux subissent un traitement thermique avant d'être mis en service.

Au fil du temps, de nombreuses méthodes différentes ont été développées. Encore aujourd'hui, les métallurgistes travaillent constamment à améliorer les résultats et l'efficacité coûts de ces processus. Pour cela, ils développent de nouveaux programmes ou cycles pour produire une variété de nuances. Chaque programme fait référence à un taux différent de chauffage, de maintien et de refroidissement du métal.

Ces méthodes, quand elles sont suivies méticuleusement, peuvent produire des métaux de différents standards avec des propriétés physiques et chimiques remarquablement spécifiques.

Les Avantages du Traitement Thermique

Il y a diverses raisons pour effectuer un traitement thermique. Certaines procédures rendent le métal mou, tandis que d'autres augmentent la dureté. Elles peuvent aussi affecter la conductivité électrique et thermique de ces matériaux.

Certaines méthodes de traitement thermique soulagent les contraintes induites dans les processus de travail à froid antérieurs. D'autres développent des propriétés chimiques désirables aux métaux. Choisir la méthode parfaite dépend vraiment du type de métal et des propriétés requises.

Dans certains cas, une pièce en métal peut passer par plusieurs procédures de traitement thermique. Par exemple, certains superalliages utilisés dans l'industrie de fabrication aéronautique peuvent subir jusqu'à six étapes différentes de traitement thermique pour les optimiser pour l'application.

Étapes du Processus de Traitement Thermique

En termes simples, le traitement thermique est le processus de chauffer le métal, le maintenir à cette température, puis le refroidir. Pendant le processus, la pièce en métal subira des changements dans ses propriétés mécaniques. C'est parce que la haute température altère la microstructure du métal. Et la microstructure joue un rôle important dans les propriétés mécaniques d'un matériau.

Le résultat final dépend de nombreux facteurs différents. Ceux-ci incluent le temps de chauffage, le temps de maintien de la pièce métallique à une certaine température, le taux de refroidissement, les conditions environnantes, etc. Les paramètres dépendent de la méthode de traitement thermique, du type de métal et de la taille de la pièce.

Au cours de ce processus, les propriétés du métal changeront. Parmi ces propriétés sont la résistance électrique, le magnétisme, la dureté, la ténacité, la ductilité, la fragilité et la résistance à la corrosion.

1. Chauffage

Comme nous l'avons déjà discuté, la microstructure des alliages changera pendant le traitement thermique. Le chauffage est effectué conformément à un profil thermique prescrit.

Un alliage peut exister dans l'un de trois états différents quand il est chauffé. Il peut soit être un mélange mécanique, une solution solide, ou une combinaison des deux.

Un mélange mécanique est analogue à un mélange de béton où le ciment lie le sable et le gravier ensemble. Le sable et le gravier sont encore visibles comme des particules séparées. Avec les alliages métalliques, le mélange mécanique est maintenu ensemble par le métal de base.

D'un autre côté, dans une solution solide, tous les composants sont mélangés homogènement. Cela signifie qu'ils ne peuvent pas être identifiés individuellement même sous un microscope.

Chaque état apporte avec lui différentes qualités. Il est possible de changer l'état par le chauffage selon le diagramme de phases. Le refroidissement, cependant, détermine le résultat final. Il est possible pour l'alliage de se retrouver dans l'un des trois états, dépendant uniquement de la méthode.

2. Maintien

Pendant l'étape de maintien ou de trempe, le métal est maintenu à la température atteinte. La durée de cela dépend des exigences.

Par exemple, la cémentation ne requiert que des changements structuraux à la surface du métal pour augmenter la dureté de surface. En même temps, d'autres méthodes ont besoin de propriétés uniformes. Dans ce cas, la période de maintien est plus longue.

Le temps de trempe dépend aussi du type de matériau et de la taille de la pièce. Les pièces plus grandes ont besoin de plus de temps quand les propriétés uniformes sont l'objectif. Il faut juste plus de temps pour que le cœur d'une grande pièce atteigne la température requise.

3. Refroidissement

Après que l'étape de trempe est complète, le métal doit être refroidi d'une manière prescrite. À cette étape aussi, des changements structuraux se produisent. Une solution solide au refroidissement peut rester la même, devenir un mélange mécanique complètement ou partiellement, selon divers facteurs.

Différents milieux comme la saumure, l'eau, l'huile ou l'air forcé contrôlent le taux de refroidissement. La séquence des milieux de refroidissement nommés ci-dessus est dans l'ordre décroissant du taux de refroidissement effectif. La saumure absorbe la chaleur le plus vite, tandis que l'air est le plus lent.

Il est aussi possible d'utiliser des fours dans le processus de refroidissement. L'environnement contrôlé permet une haute précision quand un refroidissement lent est nécessaire.

Méthodes de Traitement Thermique

Il y a pas mal de techniques de traitement thermique à choisir. Chacune apporte certaines qualités.

Les méthodes de traitement thermique les plus courantes incluent :

• Recuit
• Normalisation
• Durcissement
• Vieillissement
• Détente
• Revenu
• Cémentation

1. Recuit

Dans le recuit, le métal est chauffé au-delà de la température critique supérieure et puis refroidi à un taux lent.

Le recuit est effectué pour adoucir le métal. Il rend le métal plus approprié pour le travail à froid et le formage. Il améliore aussi l'usinabilité, la ductilité et la ténacité du métal.

Le recuit est aussi utile pour soulager les contraintes dans la pièce causées par des processus de travail à froid antérieurs. Les déformations plastiques présentes sont éliminées pendant la recristallisation quand la température du métal dépasse la température critique supérieure.

Les métaux peuvent subir une pléthore de techniques de recuit comme le recuit de recristallisation, le recuit complet, le recuit partiel et le recuit final.

2. Normalisation

La normalisation est un processus de traitement thermique utilisé pour soulager les contraintes internes causées par des processus comme le soudage, la coulée, ou la trempe.

Dans ce processus, le métal est chauffé à une température qui est de 40 °C au-dessus de sa température critique supérieure.

Cette température est plus élevée que celle utilisée pour le durcissement ou le recuit. Après l'avoir maintenue à cette température pendant une période de temps désignée, elle est refroidie à l'air. La normalisation crée une taille de grain et une composition uniformes à travers la pièce.

Les aciers normalisés sont plus durs et plus forts que l'acier recuit. En fait, sous sa forme normalisée, l'acier est plus tenace que dans n'importe quelle autre condition. C'est pourquoi les pièces qui requièrent une résistance à l'impact ou ont besoin de supporter des charges externes massives seront presque toujours normalisées.

3. Durcissement

Le processus de traitement thermique le plus courant de tous, le durcissement est utilisé pour augmenter la dureté d'un métal. Dans certains cas, seule la surface peut être durcie.

Une pièce est durcie en la chauffant à la température spécifiée, puis en la refroidissant rapidement en la submergeant dans un milieu de refroidissement. L'huile, la saumure ou l'eau peuvent être utilisés. La pièce résultante aura une dureté et une résistance accrues, mais la fragilité augmente aussi simultanément.

La trempe de surface est un type de processus de durcissement dans lequel seule la couche externe de la pièce est durcie. Le processus utilisé est le même mais comme une fine couche externe est soumise au processus, la pièce résultante a une couche externe dure mais un cœur plus mou.

C'est courant pour les arbres. Une couche externe dure la protège de l'usure du matériau. Quand on monte un roulement sur un arbre, cela peut autrement endommager la surface et déplacer certaines particules qui accélèrent ensuite le processus d'usure. Une surface durcie fournit une protection contre cela et le cœur a encore les propriétés nécessaires pour gérer les contraintes de fatigue.

4. Vieillissement

Le vieillissement ou durcissement par précipitation est une méthode de traitement thermique principalement utilisée pour augmenter la limite d'élasticité des métaux malléables. Le processus produit des particules uniformément dispersées dans la structure de grain d'un métal qui apportent des changements de propriétés.

Le durcissement par précipitation vient généralement après un autre processus de traitement thermique qui atteint des températures plus élevées. Le vieillissement, cependant, n'élève la température qu'à des niveaux moyens et la redescend rapidement à nouveau.

Certains matériaux peuvent vieillir naturellement (à température ambiante) tandis que d'autres ne vieillissent qu'artificiellement, c'est-à-dire à des températures élevées. Pour les matériaux vieillissant naturellement, il peut être commode de les stocker à des températures plus basses.

5. Détente

La détente est particulièrement courante pour les pièces de chaudière, bouteilles d'air, accumulateurs, etc. Cette méthode amène le métal à une température juste en dessous de sa limite critique inférieure. Le processus de refroidissement est lent et donc uniforme.

Cela est fait pour soulager les contraintes qui se sont accumulées dans les pièces dues à des processus antérieurs comme le formage, l'usinage, le laminage, ou le redressage.

6. Revenu

Le revenu est le processus de réduction de la dureté excessive, et donc de la fragilité, induite pendant le processus de durcissement. Les contraintes internes sont aussi soulagées. Subir ce processus peut rendre un métal approprié pour de nombreuses applications qui ont besoin de telles propriétés.

Les températures sont généralement bien plus basses que les températures de durcissement. Plus la température utilisée est haute, plus la pièce finale devient molle. Le taux de refroidissement n'affecte pas la structure du métal pendant le revenu et généralement le métal refroidit dans l'air calme.

7. Cémentation

Dans ce processus de traitement thermique, le métal est chauffé en présence d'un autre matériau qui libère du carbone lors de la décomposition.

Le carbone libéré est absorbé dans la surface du métal. La teneur en carbone de la surface augmente, la rendant plus dure que le cœur interne.

Quels Métaux Sont Adaptés au Traitement Thermique ?

Bien que les métaux ferreux représentent la majorité des matériaux traités thermiquement, les alliages de cuivre, magnésium, aluminium, nickel, laiton et titane peuvent aussi être traités thermiquement.

Environ 80 % des métaux traités thermiquement sont différentes nuances d'acier. Les métaux ferreux qui peuvent être traités thermiquement incluent la fonte, l'acier inoxydable, et diverses nuances d'acier à outils.

Des processus comme le durcissement, le recuit, la normalisation, la détente, la trempe de surface, la nitruration et le revenu sont généralement faits sur les métaux ferreux.

Le cuivre et les alliages de cuivre sont soumis à des méthodes de traitement thermique comme le recuit, le vieillissement et la trempe.

L'aluminium est approprié pour des méthodes de traitement thermique comme le recuit, le traitement thermique en solution, le vieillissement naturel et artificiel. Le traitement thermique pour l'aluminium est un processus de précision. La portée du processus doit être établie et il doit être soigneusement contrôlé à chaque étape pour les caractéristiques désirées.

Évidemment, tous les matériaux ne sont pas appropriés pour les formes de traitement thermique. De même, un seul matériau ne bénéficiera pas nécessairement de chaque méthode. Par conséquent, chaque matériau doit être étudié séparément pour atteindre le résultat désiré. L'utilisation des diagrammes de phases et des informations disponibles sur l'effet des méthodes susmentionnées est le point de départ.

FAQ

Qu'est-ce que le traitement thermique ?

Le traitement thermique est le processus de chauffage du métal sans le laisser atteindre son stade fondu, ou de fusion, et puis de refroidir le métal d'une manière contrôlée pour sélectionner les propriétés mécaniques désirées. Le traitement thermique est utilisé pour soit rendre le métal plus fort ou plus malléable, plus résistant à l'abrasion, ou plus ductile.

Quels sont des exemples de traitement thermique ?

Par exemple, les pièces moulées en alliage d'aluminium pour l'automobile sont traitées thermiquement pour améliorer la dureté et la résistance ; les articles en laiton et bronze sont traités thermiquement pour augmenter la résistance et prévenir la fissuration ; les structures en alliage de titane sont traitées thermiquement pour améliorer la résistance à haute température.

Quels sont les deux types de traitement thermique ?

Voici les différents types de processus de traitement thermique :

• Recuit.
• Normalisation.
• Durcissement.
• Revenu.
• Nitruration.
• Cyanuration.
• Durcissement par induction.
• Durcissement par flamme.

Pourquoi faisons-nous le traitement thermique ?

Il y a beaucoup d'avantages du traitement thermique, incluant : il peut changer les propriétés physiques (mécaniques) d'un matériau et il aide dans d'autres étapes de fabrication. Il soulage les contraintes, rendant la pièce plus facile à usiner ou souder. Augmente la résistance, rendant le matériau ductile ou plus flexible.

Combien y a-t-il de types de traitement thermique ?

Dans cet article, nous couvrirons les quatre types de base de traitement thermique que l'acier subit aujourd'hui : recuit, normalisation, durcissement et revenu.

Quelles sont les 3 étapes du processus de traitement thermique ?

Étapes du Traitement Thermique

• L'Étape de Chauffage.
• L'Étape de Trempe.
• L'Étape de Refroidissement.

Quels sont les cinq processus de base de traitement thermique ?

Les techniques de traitement thermique incluent le recuit, la trempe de surface, le renforcement par précipitation, le revenu, la cémentation, la normalisation et la trempe.

Comment fonctionne le traitement thermique ?

En termes simples, le traitement thermique est le processus de chauffer le métal, le maintenir à cette température, et puis le refroidir. Pendant le processus, la pièce en métal subira des changements dans ses propriétés mécaniques. C'est parce que la haute température altère la microstructure du métal.

Qu'est-ce que la trempe et le revenu ?

La trempe et le revenu sont des processus qui renforcent des matériaux comme l'acier et d'autres alliages à base de fer. Ces processus renforcent les alliages en chauffant le matériau tout en refroidissant simultanément dans l'eau, l'huile, l'air forcé, ou des gaz comme l'azote.

De quoi l'acier est-il un alliage ?

Fondamentalement, l'acier est un alliage de fer avec de faibles quantités de carbone. Il y a des milliers de différents types d'acier qui sont créés pour convenir à différents types d'applications. Ceux-ci se divisent largement en 4 types – acier au carbone, acier à outils, acier inoxydable, et acier allié.

Qu'est-ce que le recuit dans le traitement thermique ?

Le recuit, traitement d'un métal ou alliage par chauffage à une température prédéterminée, maintien pendant un certain temps, et puis refroidissement à température ambiante pour améliorer la ductilité et réduire la fragilité.

Quels sont les avantages du revenu ?

Le revenu aide à soulager les contraintes rendant le métal plus facile à souder ou usiner. Augmente la résistance tout en rendant le matériau plus flexible et ductile. Augmente la dureté et introduit des propriétés résistantes à l'usure à la surface ou à travers tout le métal.

Quels sont les types de recuit ?

Quelques-uns des Différents Types de Processus de Recuit :

• Recuit Complet. Avec cette méthode, les pièces en acier sont chauffées jusqu'à ce qu'elles soient environ 30 °C plus chaudes que leur température de transformation critique.
• Recuit Isotherme.
• Recuit Sphéroïdique.
• Recuit de Recristallisation.
• Recuit de Diffusion.

Normalisez-vous avant le traitement thermique ?

Aperçu du Processus de Normalisation. Le traitement thermique de normalisation aide à éliminer les impuretés et améliorer la ductilité et la ténacité. Pendant le processus de normalisation, le matériau est chauffé entre 750-980 °C (1320-1796 °F).

Quel est le but principal du recuit ?

Les principaux avantages du recuit sont dans la façon dont le processus améliore la travaillabilité du matériau, augmentant la ténacité, réduisant la dureté, et augmentant la ductilité et l'usinabilité d'un métal.

Qu'est-ce que le temps de trempe dans le traitement thermique ?

Le temps de trempe est la quantité de temps que l'acier est maintenu à la température désirée, qui est dans ce cas 1500 degrés Fahrenheit. Quand le temps de trempe est complet, très rapidement mais soigneusement sortez l'échantillon avec des pinces.

Quel est le but du durcissement ?

Le durcissement est un processus métallurgique de travail du métal utilisé pour augmenter la dureté d'un métal. La dureté d'un métal est directement proportionnelle à la contrainte d'écoulement uniaxiale à l'emplacement de la déformation imposée.

Le chauffage du métal l'affaiblit-il ?

Cet acte simple, si chauffé à une plage de température exacte, peut créer un métal plus pur, plus dur. Il est souvent utilisé pour créer de l'acier qui est plus fort que le recuit du métal, mais crée aussi un produit moins ductile. Donc, la chaleur peut en effet rendre le métal plus faible.

Quelle est la différence entre revenu et durcissement ?

Le durcissement ou la trempe est le processus d'augmentation de la dureté d'un métal. Le revenu est le processus de chauffage d'une substance à une température en dessous de sa plage critique, maintien, et puis refroidissement.

Que se passe-t-il si vous sur-revenez l'acier ?

Avec une température assez haute et un temps assez long, l'acier sera plus mou que si vous ne l'aviez pas trempé du tout et l'aviez juste laissé refroidir lentement. Donc selon quel est votre but, vous pouvez absolument sur-revenir une lame. Cela rendra la lame plus molle mais aussi moins cassante.

Pourquoi le processus de revenu est-il obligatoire après la trempe ?

Il est obligatoire de revenir l'acier après qu'il a été durci. C'est simplement parce qu'une nouvelle phase a été créée, qui est la martensite. Rappelez-vous qu'il est nécessaire de progresser dans la phase austénite avant que la martensite puisse être créée.

Pourquoi le revenu est-il requis après la trempe ?

Après avoir été trempé, le métal est dans un état très dur, mais il est cassant. L'acier est revenu pour réduire une partie de la dureté et augmenter la ductilité. Il est chauffé pour une période définie à une température qui se situe entre 200 °C et 600 °C (400 °F et 1 105 °F).

De quoi le laiton est-il un alliage ?

Le laiton, un alliage de cuivre et de zinc, d'importance historique et durable en raison de sa dureté et de sa travaillabilité.

Quel est le processus de durcissement ?

Le processus de durcissement consiste à chauffer les composants au-dessus de la température critique (de normalisation), maintenir à cette température pendant une heure par pouce d'épaisseur, refroidir à un taux assez rapide pour permettre au matériau de se transformer en une structure beaucoup plus dure, plus forte, et puis revenir.

Pourquoi le durcissement par induction est-il requis ?

Le durcissement par induction est un processus de traitement thermique effectué pour améliorer les propriétés mécaniques dans une zone localisée d'un composant ferreux. La zone durcie résultante améliore la résistance à l'usure et à la fatigue ainsi que les caractéristiques de résistance.

Quels matériaux peuvent être durcis par flamme ?

Le durcissement par flamme est effectué sur des pièces faites d'acier doux, aciers alliés, aciers au carbone moyen, et fonte. Comme son nom l'indique, le durcissement par flamme utilise la chaleur directe des flammes oxygaz.

Comment faites-vous le processus de revenu ?

Le revenu est généralement effectué après le durcissement, pour réduire une partie de la dureté excessive, et est fait en chauffant le métal à une certaine température en dessous du point critique pour une certaine période de temps, puis en le laissant refroidir dans l'air calme.