Demandez à un métallurgiste :qu'est-ce que l'acier trempé ?

En quoi la trempe est importante pour l'acier fonctionnel.

Les alliages métalliques sont constitués d'une combinaison précise d'éléments, comme les ingrédients d'une recette. La façon dont ces éléments sont assemblés sous l'effet de la chaleur modifie les propriétés de l'alliage, tout comme différentes techniques de cuisson modifient la saveur des aliments.

L'acier trempé modifie les propriétés mécaniques du métal pour le rendre plus solide et plus résistant. Cela en fait un bon matériau pour les outils, les ressorts, l'acier de construction et même les épées.

Jetons un coup d'œil aux bases de l'acier trempé... et comment l'acier avec trempe est plus flexible et plus souple que l'acier sans trempe.

Métallurgie 101

La métallurgie est à la fois la science (telle qu'appliquée à la production de métaux) et la technologie des métaux. Il se rapporte à la composition chimique des métaux et à ses attributs physiques et mécaniques.

Voici quelques termes courants que vous entendrez concernant la métallurgie et l'acier trempé :

• Force :dans quelle mesure l'acier résistera à la déformation permanente ou à la déchirure
• Résistance  :dans quelle mesure l'acier résistera à la rupture (souvent, à mesure que la résistance augmente, la ténacité le sera également)
• Dureté  :dans quelle mesure le métal résistera aux rayures ou aux indentations
• Résistance aux chocs  :dans quelle mesure l'acier résistera aux charges de choc avec une déformation minimale (souvent également connu comme ayant une ténacité à haute résistance)
• Résistance à l'usure  :dans quelle mesure l'acier résistera à l'érosion, à l'ablation, à l'écaillage et au grippage (souvent également appelé dureté)
• Intégrité structurelle :dans quelle mesure l'acier résistera à une charge sans se fracturer

L'acier est un matériau populaire pour la construction. Les deux éléments nécessaires à l'acier sont le fer et le carbone, et les alliages contiennent également souvent de petites quantités d'autres métaux. L'acier contient moins de 2,14 % de carbone :les alliages à plus forte teneur en carbone sont généralement une forme de fonte. Les alliages peuvent souvent contenir du manganèse et des traces de silicone, de phosphore, de soufre et d'oxygène. L'acier est si durable et solide qu'il peut être utilisé pendant des décennies ou plus, puis il peut être recyclé encore et encore sans perdre ses propriétés. Une grande partie de la nouvelle production d'acier comprend des quantités d'acier recyclé.

Microstructures d'acier

Avant de pouvoir apprendre à modifier les propriétés de l'acier, nous devons d'abord comprendre sa microstructure. Le chauffage et le refroidissement précis de l'acier modifieront sa microstructure :

Ferrite - structure cristalline cubique centrée (BCC)

C'est du fer pur à température ambiante. Il peut également décrire un acier à très faible teneur en carbone.

Imaginez un cube avec une molécule à chaque coin et une au centre du cube. Les molécules sont lâchement emballées et contiennent moins de molécules dans chaque cube. À température ambiante, vous ne pouvez ajouter que 0,006 % de carbone à la structure.

Austénite - Structure cristalline cubique à faces centrées (FCC)

Cette forme se produit lorsque les alliages à base de fer sont chauffés entre 1500F et 1800F.

Imaginez le cube avec une molécule à chaque coin et une molécule au centre de chaque côté du cube. Ces molécules sont plus compactes que la ferrite et peuvent contenir jusqu'à 2 % de carbone.

Cémentite

Lorsque l'acier au carbone est chauffé jusqu'à la plage d'austénite, puis refroidi sans aucun alliage présent, il se retransforme en ferrite. La cémentite se forme lorsque la teneur en carbone est supérieure à 0,006 % et que les atomes de carbone se combinent avec le fer pour former du carbure de fer (Fe3C). Vous n'obtiendrez jamais un morceau de métal qui est de la cémentite pure, car une partie du matériau restera sous forme de ferrite.

Perlite

Des couches alternées de ferrite et de cémentite formeront une nouvelle structure appelée perlite. Cela se produit lorsque l'acier est refroidi lentement, formant un mélange eutectique (un dans lequel deux matériaux fondus cristallisent simultanément). Il forme de la ferrite et de la cémentite en même temps, en alternance.

Martensite - structure cristalline tétragonale centrée (BCT)

Cette microstructure d'acier se forme en refroidissant très rapidement l'acier, ce qui force les atomes de carbone à se piéger dans le réseau de fer. Le résultat est une structure très dure, en forme d'aiguille, de fer et d'acier.

Ces microstructures sont importantes pour comprendre les propriétés mécaniques de l'acier. La teneur en carbone, les concentrations d'alliage et les méthodes de finition contribuent toutes à la microstructure de l'acier. Une fois que vous savez cela, vous pouvez apprendre à manipuler ses propriétés grâce à des traitements thermiques précis comme la trempe de l'acier.

Aperçu des traitements thermiques

Le traitement thermique des métaux modifiera ses propriétés physiques. Il peut augmenter sa résistance, sa ductilité, sa ténacité, sa dureté et sa résistance à la corrosion.

Il existe 3 traitements thermiques courants :

• Recuit :Le métal est chauffé pour le ramollir, puis refroidi lentement. La congélation lente des microstructures donne de gros grains ronds de métal. Cela débarrasse le métal des contraintes internes et le rend plus susceptible de se bosseler ou de se plier uniquement lorsqu'il est touché.
• trempe :Dans ce processus, le métal est refroidi rapidement (souvent dans un bain d'eau ou d'huile). Cela gèle les molécules rapidement. De nombreux petits grains déchiquetés sont créés à la surface par la baisse soudaine de la température. Les bords dentelés des grains s'entrelacent, ce qui rend le métal moins susceptible de se plier lorsqu'il est frappé :la surface est plus dure.
• Tempérage :Pour réduire tout excès de dureté créé par la production ou la trempe, le métal peut être trempé en chauffant le métal à une température spécifique pendant une durée spécifique en fonction des propriétés que vous essayez de modifier.

Pourquoi tremper l'acier ?

L'acier est trempé pour lui donner les bonnes propriétés matérielles pour son application. Ceux-ci peuvent être :

• Réduire la dureté tout en augmentant la ténacité (un matériau dur résiste à l'écaillage lors de l'impact, alors qu'un matériau dur résiste à l'indentation et se fracturera avant de se plier)
• Ductilité accrue (lui permettant de changer de forme sans se casser)
• Résistance accrue à l'usure
• Amélioration de l'usinabilité si l'acier doit être travaillé davantage

Procédé d'acier trempé

Avant de tremper l'acier, vous tremperez souvent l'acier d'abord, pour le durcir. Ensuite, la température de revenu détermine la dureté que vous retirez du métal. Plus la température est élevée, plus la dureté est éliminée. Par exemple, les outils durs sont trempés à des températures plus basses, tandis que les ressorts flexibles sont trempés à des températures plus élevées.

L'acier est souvent chauffé dans un four à gaz, à résistance électrique ou à induction avec un vide ou un gaz inerte pour empêcher l'oxydation. Une fois que l'acier est chauffé à la température spécifiée, vous maintenez la température pendant une durée définie en fonction du type d'acier et des propriétés mécaniques que vous souhaitez obtenir.

Vous n'avez pas besoin d'un thermomètre ou d'un pistolet à température pour savoir quand il est chauffé à la bonne température. L'acier trempé prend une couleur transparente en fonction de la température de la trempe. Cette couleur est formée par une couche d'oxyde qui se forme en surface. Des températures plus élevées créent des couches plus épaisses d'oxyde de fer, tout comme des périodes de temps plus longues passées dans cette zone de température. Cette couche aide à empêcher l'acier de se corroder.

L'image ci-dessus montre les différentes couleurs que l'acier trempé fait sur le métal :

• En partant de la gauche se trouve l'acier normalisé . Il s'agit d'acier qui a été chauffé au-dessus de sa température critique supérieure et refroidi à l'air libre.
• Le 2e à partir de la gauche est l'acier trempé . C'est de l'acier qui a été refroidi rapidement.
• Les huit suivants montrent les couleurs de l'acier trempé en fonction de sa température - 130 F (176 C) à 730 F (388 C)

Exemples d'acier trempé (par température/couleur) :

Jaune pâle	176C / 349F	Graveurs, rasoirs, grattoirs
Jaune clair	205C / 401F	Perceuses à roche, alésoirs, scies à métaux
Paille foncée	226C / 439F	Pointes à tracer, lames de rabot
Marron	260C / 500F	Rubans, matrices, mèches, marteaux, ciseaux à froid
Violet	282C / 540F	Outils chirurgicaux, poinçons, outils de sculpture sur pierre
Bleu foncé	310C / 590F	Tournevis, clés
Bleu clair	337C / 639F	Ressorts, vis à bois
Gris Bleu	371C / 700F	Acier de construction

Quelle est la différence entre la trempe de l'acier et la trempe ?

L'acier de trempe et l'acier de trempe confèrent au même alliage des capacités différentes.

L'acier durci le rend plus rigide et moins susceptible de se rayer ou de s'enfoncer. Cependant, cette surface plus dure est plus cassante. Il ne s'enfoncera pas s'il est touché, mais si la force d'impact est trop forte, il se fracturera ou s'ébréchera. Avec le revenu, une certaine dureté est perdue pour une ténacité accrue. La ténacité est la capacité de résister à la fracture ou à l'écaillage, mais le commerce est qu'il est plus susceptible de se rayer ou de s'indenter.

Souvent, vous durcirez d'abord l'acier, puis le tremperez ensuite pour atteindre un rapport dureté / ténacité spécifique.

Traitements thermiques des épées et des couteaux

La trempe est une partie importante de la forge des lames. Certaines des meilleures épées sont créées par un processus appelé trempe différentielle. Avec une trempe différentielle, un forgeron peut créer une lame à tranchant très dur avec un noyau plus souple et plus élastique au centre de la lame. Cela augmente la ténacité de la lame et empêche la casse.

Au Japon, les katanas étaient souvent durcis ou trempés différemment en utilisant des applications d'argile pour aider à contrôler le taux de changement pendant la trempe et le revenu. Différentes épaisseurs d'argile pourraient aider à contrôler le taux de changement.

Dans d'autres procédés de trempe différentielle, la chaleur n'est appliquée qu'à une partie de la lame (souvent la colonne vertébrale). Les fabricants d'épées regardaient la couleur de la lame changer lorsqu'elle rayonnait vers le tranchant. Une fois qu'il atteint presque la couleur paille claire au bord, ils enlèvent la chaleur.

Traitements thermiques et acier trempé dans les applications "modernes"

L'acier trempé n'est pas réservé qu'aux couteaux et aux épées. Il a des applications réelles dans la production moderne. Les outils sont souvent trempés pour être très très durs :la trempe fait partie du processus d'acier à outils pour créer un bord de travail dur qui résiste à l'abrasion et à l'indentation. Les outils de précision doivent souvent conserver ce bord dur pour rester dans la tolérance de travail. Cependant, un revenu peut être nécessaire par la suite pour l'intégrité de l'ensemble de l'outil, afin de le rendre moins cassant. Les ressorts, l'acier de construction et d'autres pièces métalliques qui nécessitent des propriétés matérielles spécifiques peuvent également subir un traitement thermique, créant une trempe constante ou différentielle en fonction des besoins matériels de l'application.

Le métal, en tant que cristal doté d'une microstructure malléable, offre au scientifique des matériaux de nombreuses façons d'aborder la résolution d'un problème avec une combinaison judicieuse de sélection d'alliage et de traitement thermique.