Traitements thermiques dans la masse des aciers. Partie 1

Dans cet article, il est question de traitements thermiques de durcissement dans la masse des aciers de construction mécanique. Les autres traitements thermiques font l’objet d’une deuxième partie.

Pour conférer à l’acier de hautes caractéristiques de résistance, on peut mettre en jeu différents mécanismes de durcissement [M 245] mais on doit constater que le plus efficace est celui qui fait intervenir la formation de précipités (le plus souvent des carbures de fer ou des carbures d’éléments d’alliage carburigènes mais aussi, dans quelques cas, des composés intermétalliques) au sein des grains de fer. Ce mode de durcissement, commun à de nombreux métaux, est réalisé selon le schéma général, à travers trois opérations succes-sives.

• La mise en solution des précipités, est rendue nécessaire par le fait que ces derniers, après solidification, sont généralement beaucoup trop gros par rapport aux dimensions optimales qui permettraient de parvenir au durcissement maximal. Ici, pour pouvoir mettre les carbures en solution, il faut porter l’acier à une température telle que le fer ait acquis sa structure cubique face centrée (fer γ) qui peut dissoudre (en solution interstitielle) le carbone présent (contrairement au fer cubique centré – fer α – dans lequel le carbone est pratiquement insoluble). On transforme ainsi l’acier en solution solide de carbone dans le fer γ, l’austénite. L’opération s’appelle « austénitisation ».

• Un refroidissement assez rapide ramène l’acier à la température ambiante en empêchant toute précipitation du carbone sous quelque forme que ce soit. Cette étape est imposée par deux faits ; d’une part, la réalisation de la précipitation optimale au cours d’un refroidissement est très difficile et, d’autre part, il est impossible de refroidir un volume de métal d’une manière identique en peau et à cœur ; le cœur est toujours en retard sur la peau et se refroidit plus lentement (il n’est donc pas possible de réaliser la précipitation dans les mêmes conditions et donc d’obtenir le même durcissement). Cette opération que l’on appelle la trempe donne avec les aciers contenant du carbone un résultat particulier ; la trempe transforme l’acier en martensite qui prend une dureté d’autant plus élevée que la teneur en carbone est plus grande (par contre la trempe d’alliages non ferreux les adoucit en faisant disparaître les précipités). Ainsi, à l’état brut de trempe, l’acier est dur, voire très dur, et par voie de conséquence fragile (sauf si C % < 0,1). Par ailleurs, sa structure n’est pas stable et pour un emploi judicieux d’un acier il est nécessaire de provoquer la précipitation du carbone.

• Un réchauffage modéré provoque la précipitation de carbures intragranulaires fins et éventuellement cohérents avec la matrice du fer α : cette précipitation est réalisée au cours d’un réchauffage (c’est le « revenu ») auquel est soumis l’acier préalablement trempé. Selon la composition de l’acier ces carbures sont de la cémentite Fe₃C, de la cémentite substituée (Fe, M) ₃C ou des carbures d’éléments d’alliage carburigènes tels que V, Mo, W, Nb, Cr… eux-mêmes éventuellement substitués (par Fe).

Si l’acier ne contient pas de carbone mais des éléments d’alliage judicieusement choisis, la trempe donne un adoucissement et le revenu provoque la précipitation de composés intermétalliques. Ce point sera examiné plus loin [M 1 127, § 3].