ACIER Technologie

Traitements thermiques des aciers

Ces considérations sur la structure de l'acier, fonction des conditions de refroidissement, ont une grande importance pratique. Elles sont, en effet, à la base des divers traitements thermiques qui permettent d'attribuer à un acier un large éventail de propriétés.

Le plus simple de ces traitements est le recuit, qui comporte soit un chauffage au-dessus du point de transformation Ac₁ – avec un maintien à cette température pendant une durée fonction de la massivité de la pièce à traiter – suivi d'un refroidissement contrôlé, soit un chauffage un peu au-dessous de ce point de transformation, avec un maintien prolongé à cette température, suivi d'un refroidissement qui peut être à l'air, par exemple. La vitesse du refroidissement, et la durée du maintien du chauffage, sont fonction de la composition de l'acier et de la massivité des pièces. Le recuit fait disparaître toutes les contraintes qui pouvaient subsister dans l'acier à la suite des déformations et des traitements thermiques ou mécaniques qu'il avait antérieurement subis. Il le ramène dans un état voisin de l'état d'équilibre avec une structure de cémentite, souvent globulaire, dispersée dans la ferrite. C'est l'état d'adoucissement maximal, qui est parfois le plus favorable pour l'usinage.

Un autre traitement thermique souvent pratiqué est la normalisation : celle-ci comporte un chauffage au-dessus du point de transformation Ac₃, correspondant à la fin de la transformation de la ferrite en austénite, suivi d'un refroidissement à l'air. Il en résulte une homogénéisation de la structure et l'élimination d'une grande partie des contraintes, à condition que le refroidissement soit suffisamment lent pour ne pas développer des structures de trempe. La structure et les propriétés, à température ambiante, dépendent de la composition de l'acier, qui influe sur sa trempabilité, et des dimensions de la pièce, qui jouent sur sa vitesse de refroidissement. La normalisation permet cependant de mettre le métal dans un état bien reproductible, compte tenu de ces réserves.

Mais le durcissement par trempe est peut-être le traitement thermique le plus utilisé. Il consiste à chauffer l'acier au-dessus du point de transformation Ac₃ – c'est ce que nous avons appelé l'austénitisation – et à le refroidir brusquement par immersion dans un liquide, eau ou huile, ou même simplement à l'air pour certains aciers (dits parfois autotrempants). L'alliage acquiert alors une grande dureté, d'autant plus grande qu'il est plus riche en carbone et/ou que sa teneur en éléments d'alliage est plus élevée (fig. 3). Rappelons que, dans cet état, la structure de l'acier est dite martensitique ; elle comporte parfois des restes d'austénite non transformée, ce qui explique la dureté moindre des aciers alliés très riches en carbone. Cette structure est fondamentalement instable, le carbone se trouvant en sursaturation dans la ferrite.

La déformation du réseau cubique centré de la ferrite en un réseau quadratique est la cause de la dureté élevée de la martensite. Mais elle provoque également une fragilité, d'autant plus grande que la teneur en carbone est plus élevée. Le durcissement par trempe est donc accompagné d'une fragilisation. C'est pour cette raison que le traitement de trempe est habituellement suivi d'un revenu, qui est un chauffage avec maintien plus ou moins prolongé à une température supérieure au point de transformation Ac₁. Ce revenu a pour effet un adoucissement avec, simultanément, une diminution de la fragilité. Il permet d'ajuster les caractéristiques de résistance et de ductilité de l'acier à celles qui conviennent pour l'emploi envisagé.

Les phénomènes se produisant au cours[...]