Les Traitements Thermiques Des Aciers

Nuance: 35 CrMo 4 C%

Mn%

Si%

S%

P%

Ni%

Cr%

Mo%

0,36

0,77

0,28

0,01

0,019

0,16

0,96

0,28

Austénisé à:

850°C - 30 mn

Grosseur du grain:

9

900

Ac3 800 Ac1

A A+F

700

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

600

A+F+C

55

45

45

15

35

12 10

500

PO Ingénierie de la construction 3ème Année Orientation Génie Mécanique

A+F+C 400 17 Ms

2

65 10

300

70 75

A+M 200

100

HRc

54 52,5

52

40

35

30 22

226 187

HV

0 1

2

Temps (s)

5

10

20

50 100 1mn 2mn

500 10 3 15mn

10 4 1h

2h

4h

10 5 8h

Les traitements thermiques des aciers

24h

Contact: [email protected]

Les aciers Aciers à outils

Aciers d’usage général

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

(Aciers non alliés)

Aciers spéciaux de construction mécanique

Aciers inoxydables Quelques rappels

(Aciers faiblement alliés)

(Aciers fortement alliés)

Aciers spéciaux (Aciers maraging,)

Contact: [email protected]

Les aciers Aciers à outils

Aciers d’usage général

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

(Aciers non alliés)

Aciers spéciaux de construction mécanique (Aciers faiblement alliés)

Aciers inoxydables (Aciers fortement alliés)

Aciers spéciaux (Aciers maraging,) La famille des aciers est subdivisée suivant ces 5 grandes sous-familles. Les aciers de traitement thermique couramment utilisés en construction mécanique appartiennent principalement à la sous-famille des aciers spéciaux de construction mécanique mais on peut également Les catégories d’aciersutiliser certains aciers de la sous-famille des aciers d’usage général. Contact: [email protected]

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Désignation normalisée des aciers de traitement thermique

Avant toute chose, il est nécessaire de bien connaître la désignation des différents alliages, et en particulier celle des aciers de traitement thermique. Celle-ci est définie par les normes soit française (NF A) ou européenne (EN). On donne ici les désignations en vigueur depuis 1992 les désignation antérieures car elles sont encore largement employées. Désignationmais des acierségalement de traitement thermique Contact: [email protected]

Aciers spéciaux non alliés (Aciers d’usage général)

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Désignation des aciers spéciaux non-alliés (norme EN 10020)

C Acier spécial non-allié

35

H2

Centuple de la teneur en carbone

Particularités

Les aciers de la première sous-famille aptes aux traitements thermiques sont les aciers spéciaux non-alliés. La désignation de ces aciers non-alliés est définie par la lettre « C » (pour acier au carbone) suivie d’un nombre représentant le centuple de la teneur nominale en carbone (ici 0,35%). Cette désignation peut être complétée pour désignée une particularité (ici H2 correspond à une bande de dispersion Jominy plus étroite). Désignation des aciers spéciaux non alliés Contact: [email protected]

Aciers spéciaux non alliés (Aciers d’usage général)

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Ancienne désignation des aciers spéciaux non-alliés

XC Acier spécial non-allié

38

H2

Centuple de la teneur en carbone

Particularités

L’ancienne désignation de ces aciers non-alliés commence par le symbole « XC » (pour acier de classe XC) suivie d’un nombre représentant le centuple de la teneur nominale en carbone (ici 0,35%). Comme dans la nouvelle norme, cette désignation peut être complétée pour désignée une particularité. Ancienne désignation des aciers spéciaux non alliés Contact: [email protected]

Les aciers spéciaux de construction mécanique (aciers faiblement alliés)

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

La teneur de chaque élément d’alliage ne dépasse 5%

Désignation (norme EN 10020)

35 CrMo 4 Teneur (× × 100) en carbone

Symbole chimique des éléments d’alliage (dans l’ordre des teneurs décroissantes)

Teneur (× × coeff.) de(s) éléments d’alliage

Ces aciers de la seconde sous-famille, tous aptes aux traitements thermiques, sont des aciers faiblement alliés, c’est à dire que la teneur de chaque élément d’alliage ne dépasse pas 5% (en masse). Définition des aciers faiblement alliés Contact: [email protected]

Les aciers spéciaux de construction mécanique (aciers faiblement alliés)

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

La teneur de chaque élément d’alliage ne dépasse 5%

Désignation (norme EN 10020)

35 CrMo 4 Teneur (× × 100) en carbone

Symbole chimique des éléments d’alliage (dans l’ordre des teneurs décroissantes)

Teneur (× × coeff.) de(s) éléments d’alliage

La désignation de ces aciers commence par un nombre correspondant au centuple de la teneur nominale en carbone (ici 0,35%) puis par une suite de symboles chimiques des principaux éléments d’alliage (ces symboles sont donnés dans l’ordre décroissant des teneurs) et enfin par un ou plusieurs nombres correspondants aux teneurs de ces éléments près). d’alliage (à un coefficient multiplicatif Ancienne désignation des aciers faiblement alliés Contact: [email protected]

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Les aciers spéciaux de construction mécanique (aciers faiblement alliés)

Valeur des coefficients multiplicateurs en fonction des éléments d’alliage x4

x 10

x 100

x 1000

Cr, Co, Mn, Ni, Si, W

Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr

Ce, N, P, S

B

Le tableau ci-dessus donne la valeur du coefficient multiplicateur en fonction de la nature de l’élément d’alliage. Ce coefficient permet d’avoir une valeur entière dans la désignation de l’alliage. Coefficients multiplicateurs dans la désignation des aciers faiblement alliés Contact: [email protected]

Les aciers spéciaux de construction mécanique (aciers faiblement alliés)

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Ancienne désignation

35 Teneur (× × 100) en carbone

CD

4

Symbole métallurgique des éléments d ’alliage Teneur (× × coeff.) de(s) (dans l ’ordre des teneurs décroissantes) éléments d ’alliage

L’ancienne désignation de ces aciers commence par un nombre correspondant au centuple de la teneur nominale en carbone (ici 0,35%) puis par une suite de symboles métallurgiques des principaux éléments d’alliage (ces symboles sont donnés dans l’ordre décroissant des teneurs) et enfin par un ou plusieurs nombres correspondants aux teneurs de ces éléments (àdesun multiplicatif près). d’alliage Ancienne désignation acierscoefficient faiblement alliés Contact: [email protected]

Composition chimique des aciers de traitement thermique

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Acier C35 %C

%Mn %Si

%S

0,36

0,66

0,016 0,02

0,27

%P

%Ni

%Cr

%Mo %Cu

%Al

0,02

0,21

0,02

0,06

0,02,

Acier 35 CrMo 4 %C

%Mn %Si

%S

%P

%Ni

%Cr

%Mo

0,36

0,77

0,01

0,02

0,16

0,96

0,28

0,28

Ces aciers, qu’ils soient aciers spéciaux non-alliés ou aciers faiblement alliés doivent respecter une composition chimique nominale tolérancée sur la teneur de chaque élément. Ainsi un acier C35 peut être à 0,36%C et la teneur en chrome dans un acier 35 CrMo 4 peut être différente de 1% (coeff. Composition chimique des aciers de traitement thermique multipl. = 4). Contact: [email protected]

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Les traitements thermiques des aciers

Traitt de durcissement

Trempes

Traitt d’adoucissement

Revenus

Recuits

Les traitements thermiques que l’on peut mettre en œuvre ont pour effet soit de durcir l’acier ), soit de l’adoucir (revenus et recuits). Les traitements(trempe thermique des aciers Contact: [email protected]

N uance: C 35 C%

M n%

S i%

S%

P%

N i%

C r%

M o%

0 ,3 5

0 ,6 0

0 ,2 0

0 ,0 2 7

0 ,0 2 2

0 ,1 2

0 ,1 0

0 ,0 2

A u s té n is é à :

8 5 0 °C - 1 5 m n

G ros s eu r d u g ra in :

9

900

A c3 800 A c1 700

A+F

A 30

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

70

La trempe

600

60

50

A+F+C

30

40

50

70

500

B 400 Ms 300

A+M

200

100 506 420 320 224

202

177

169

148

HV

0 1

2

5

10

20

Tem p s (s )

Commençons par la trempe des aciers … La trempe Contact: [email protected]

50

100

1m n 2m n

500

10 3 15m n

10 4 1h

2h

4h

10 5 8h

24h

Le diagramme d’équilibre de phases Fer - Cémentite °C 1600

δ

1534°

γ

Liquide

14001390° 1250°

1300

γ

930

1200

γ

1147°

γ +

900

Fe3C

α+γ

Fe3C

1000

Lédéburite

1100

α

700 600

α

0,8

1

727°

α + Fe3C 2

3

4 4,3

γ + Fe3C

727

α+γ Perlite

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

1500

α + Fe3C

Perlite

0,02

5

6 6,677

%C

Fe

0,8

%C

Ce traitement ne peut se maîtriser que si l’on a bien en mémoire le diagramme fercémentite. La portion du diagramme qui concerne les aciers de traitements thermique se limite en pratique à 1% en carbone – 1000°. Le diagramme d’équilibre de phases Fer-Cémentite Contact: [email protected]

Les microstructures d’équilibre

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

γ γ

930

Microstructure ferrito-perlitique

Microstructure Perlite + Cémentite

α+γ

γ + Fe3C

727

α

α + Fe3C

Perlite

0,02

Fe

0,8

%C

Lorsque un acier est refroidi très lentement depuis son état austénitique, les transformations d’équilibre conduisent à une microstructure ferrito-perlitique (si la teneur en carbone est inférieure à 0,8%) ou à une microstructure constituée de Perlite et de Cémentite (si la teneur en carbone est supérieure à 0,8%). Les microstructures d’équilibre Contact: [email protected]

Les transformations de phases

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Austénite

Germination

Les transformations de phases Austénite-Ferrite et Austénite-Perlite et Austénite-Cémentite, comme toutes les transformations de phase d’équilibre, font intervenir tout d’abord un phénomène de germination … Les transformation de phases: la germination Contact: [email protected]

Les transformations de phases

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Germination

Croissance

… suivi par une phase de croissance. Ces transformations, faisant intervenir la diffusion, peuvent donc se dérouler soit en condition isotherme soit en refroidissement Les transformations decontinu. phases: la croissance Contact: [email protected]

Cinétique des transformations de phases

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Croissance

Que ce soit en condition isotherme ou en condition de refroidissement continu, la vitesse de transformation est liée à la vitesse de germination, elle même en relation directe avec le nombre de germes pouvant se formerCinétique et sededévelopper. transformation Contact: [email protected]

Cinétique des transformations de phases

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Vitesse de germination  ∆Gg + ∆Gt I = const ⋅ exp − RT 

  

∆Gg : var. d’énergie. libre relative à la formation d’un germe ∆Gt : var. d’énergie. libre relative à la barrière d’énergie à franchir par un atome voulant se fixer sur un germe en formation

Cette vitesse de germination résulte de deux phénomènes antagonistes: la formation des germes de la nouvelles phase (∆Gg<0) et la croissance de ces germes par fixation d’atomes de la phase mère (∆Gt>0). Vitesse de germination Contact: [email protected]

Cinétique des transformations de phases ∆Gg : var. d’énergie. libre relative à PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

la formation d’un germe

∆G g = ∆Gv + ∆G s

 Tm − T  ∆Gv = ∆hv    Tm 

(∆hV <0)

∆G s = s ⋅ γ (> 0)

La formation des germes s’accompagne d’une diminution d’énergie libre ∆Gg dès lors que le volume l’emporte sur l’interface (en termes de variation d’énergie ∆Gv (< 0 si T0)). Variation d’énergie libre Contact: [email protected]

Cinétique des transformations de phases ∆Gg : var. d’énergie. libre relative à PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

la formation d’un germe

∆G g = ∆Gv + ∆G s

 Tm − T  ∆Gv = ∆hv    Tm 

(∆hV <0)

∆G s = s ⋅ γ (> 0)

Ainsi, pour une transformation devant théoriquement se dérouler à une température Tm, il faut que la température passe en-dessous de cette température pour que la transformation ∆T). ait effectivement lieu (|∆Gv|<|∆Gs |). La différence Degré de surfusion T-Tm est appelé degré de surfusion (∆ Contact: [email protected]

Les transformations de phases en condition isotherme 930

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

γ Ar3

α+γ γ + Fe3C

727

α

α + Fe3C

Perlite

0,02

Fe

0,35

0,8

%C

Considérons pour illustrer ces transformations isothermes, le cas d’un acier à 0,35%C. Le diagramme d’équilibre de phases nous indique que la transformation Austénite-Ferrite (environ 830°C). commence à la température Ar3Transformations de phases en conditions isothermes Contact: [email protected]

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Les transformations de phases en condition isotherme T

T

Tm

Tm

γ

Tmax

vg=0

Vitesse de germination I (log)

t (log)

D’après l’expression ∆Gv, si on maintient la température de l’alliage à la température théorique de transformation Tm, la vitesse de germination sera nulle et la transformation infini). n’aura pas lieu (temps de début de transformation Transformation à T=T m

Contact: [email protected]

Les transformations de phases en condition isotherme T

T

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Tm T1

γ→α

γ

∆T1

1%

α 99%

tf

vg1

Vitesse de germination I (log)

td

t (log)

Par contre, si on maintient la température de l’alliage à T une température inférieure à la température théorique de transformation (degré de surfusion ∆T1), la germination pourra se faire, les germes pourront se développer et la transformation, caractérisée par les instants de auraà Tlieu. début (td) et de fin (tf) de transformation, Transformation
Contact: [email protected]

m

Les transformations de phases en condition isotherme T

T

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Tm

T2

∆T2 < ∆T ∆ 1

γ

γ→α 1%

α 99%

vg2

Vitesse de germination I (log)

td

tf

t (log)

La vitesse de germination sera d’autant plus grande que la différence entre la la température imposée et la température théorique de transformation sera importante (vg2>vg1 si ∆T2>∆ ∆T1). La transformation sera d’autant plus rapide (td2
Contact: [email protected]

1

Les transformations de phases en condition isotherme T

T

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Tm ∆T2 < ∆T ∆ 1

γ

Tmax

γ→α

1%

α 99%

vgmax

Vitesse de germination I (log)

td

tf

t (log)

La vitesse de germination atteint une valeur maximale pour une valeur caractéristique du degré de surfusion. A la température correspondante (Tmax), la transformation sera la plus rapide. Vitesse de germination maximale (à T=T ) max

Contact: [email protected]

Les transformations de phases en condition isotherme T

T

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Tm

Tmax

γ

γ→α 1%

α 99%

vgmax

Vitesse de germination I (log)

td

tf

t (log)

Par contre, si l’on maintien l’alliage à une température inférieure à cette température Tmax, les atomes possèderont moins d’énergie. Le nombre d’atomes pouvant se fixer sur les germes diminue et la vitesse de germination diminue. Transformation àLa T
Contact: [email protected]

Les transformations de phases en condition isotherme T

T

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Tm

Tmax

γ

γ→α

α

vgmax

Vitesse de germination I (log)

t (log)

A la limite, si la température imposée est suffisamment basse, les atomes n’auront plus l’énergie suffisante pour franchir la barrière d’énergie et la vitesse de germination sera nulle: la transformation n’aura pas lieu. Vitesse de germination nulle Contact: [email protected]

Les transformations de phases en condition isotherme T

T

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Tm

γ γ→α 1%

50%

α 99%

vgmax

Vitesse de germination I (log)

t (log)

Les courbes de début (1% de phase transformée) et de fin (99% de phase transformée) de transformation délimitent les domaine de stabilité des phases et le domaine de transformation de phase. Le diagramme ainsi obtenu dans le plan temps-Température – Transformation) s’appelle Diagramme TTT (Temps Courbes– de Température transformation en conditions isothermes Contact: [email protected]

Diagrammes TTT

Nuance: C35

(Transformation – Temps – Température)

C% Mn% Si% S% P% Ni% Cr% Mo% Cu% Al% 0,36 0,66 0,27 0,0160,02 0,02 0,21 0,02 0,02 0,06 Austénisé à : 850°C - 60 mn 900

Température (°C)

Grosseur du grain: 10-11 Dureté Rockwell

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Ac3 800 Ac1 700

A+F A

600

Voici le diagramme TTT de l’acier C35 qui nous a servi d’exemple pour illustre la cinétique de transformation de phase en condition isotherme. La courbe bleue correspond au début de la transformation ferritique et la verte à la fin de cette transformation. Elles coïncide avec la courbe de début de transformation perlitique. La courbe rouge correspond à la fin de la transformation perlitique. La courbe e pointillé correspond à 50% d’austénite transformée. Diagramme TTT de l’acier C35 Contact: [email protected]

92 93

500

A+F+C

97 98

400 Ms 300

A+M

200

100

0

1 2 Temps (s)

5 10 20 50100 500 10 3 104 105 1mn 2mn 15mn 1h 2h 4h 8h 24h

Diagrammes TTT

Nuance: C35

(Transformation – Temps – Température)

C% Mn% Si% S% P% Ni% Cr% Mo% Cu% Al% 0,36 0,66 0,27 0,0160,02 0,02 0,21 0,02 0,02 0,06 Austénisé à : 850°C - 60 mn 900

Température (°C)

Grosseur du grain: 10-11 Dureté Rockwell

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Ac3 800

On constate bien, qu’en condition isotherme, qu’un maintien à 830°C (Ar3) empêche la transformation ferritique et qu’un maintien à 727°C (Ar1), empêche la transformation perlitique. C’est à environ 480°C que la transformation de l’austénite est la plus rapide: début au bout d’1 seconde et fin au bout de 20 secondes avec essentiellement formation de Perlite. On voit donc que les conditions de transformations influent sur la microstructure finale et donc sur les caractéristiques (90 HRB à 480°C contre Transformations isothermes et caractéristiques mécaniques 92 à 600°C) Contact: [email protected]

Ac1 700

A+F A

600

92 93

500

A+F+C

97 98

400 Ms 300

A+M

200

100

0

1 2 Temps (s)

5 10 20 50100 500 10 3 104 105 1mn 2mn 15mn 1h 2h 4h 8h 24h

La trempe bainitique

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

°C Ac3+50°C

Austénitisation 30mn - 1h

Ac3

Ms

500°C Chauffe étagée

Refroidissement rapide (eau, air, huile)

Transformation bainitique

t

L’utilisation de ces diagrammes TTT est assez rare. On ne les utilise presque qu’exclusivement que pour déterminer la vitesse de refroidissement nécessaire pour assurer une transformation totalement bainitique (trempe bainitique) Contact: [email protected]

N uance: 35N iC r6

La trempe étagée bainitique (austempering)

C% M n% Si% S% P% Ni% Cr% M o% Cu% V % 0,41 0,55 0,24 0,007 0,014 0,93 0,80 0,06 0,1 0,01 Austénisé à : 850°C - 30 mn

Grosseur du grain: 11

800 Ac3 Ac1 700

Utilisation du diagrammes TTT (Transformation – Temps – Température)

A Température (°C)

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Dureté HRc

900

A +F

600

F +C

22

A +F +C

500

18

28

A +F +C

400 Ms 300

F +C

35 41

A +M

200

50

Bainite infér.

100

Structure bainitique d ’un acier à 0,1%C

63 0

1 2 Tem ps (s)

5 10 20 50100 500 10 3 10 4 10 5 1m n 2m n 15mn 1h 2h 4h 8h 24h

Le maintien à une température de l’ordre de 400°C, permet d’assurer la transformation complète de l’austénite en bainite inférieure, agrégat très fin de ferrite et de cémentite, conférant ainsi à l’acier une microstructure stable et dure. Contact: [email protected]

Diagrammes TRC

Nuance: C35

(Transformation en Refroidissement Continu)

C%

Mn%

Si%

S%

P%

Ni%

Cr%

Mo%

0,35

0,60

0,20

0,027

0,022

0,12

0,10

0,02

Austénisé à:

850°C - 15 mn

Grosseur du grain:

9

900

Ac3 800

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Ac1 700

A+F

A 30

60

50

70

A+F+C

30

600 50

40

70

Des diagrammes de transformations de phases en conditions de refroidissement continu peuvent également être établi expérimentalement. Ces diagrammes, appelés diagrammes TRC, sont très souvent utilisés dans la mesure où, industriellement , le refroidissement des pièces se fait de cette façon. Lorsqu’on utilise l’air calme comme milieu de refroidissement, on parle de trempe de normalisation. Ci-contre, le diagramme Transformations en refroidissement continu: diagrammes TRC TRC de l’acier C35. Contact: [email protected]

500

B 400 Ms 300

A+M

200

100 506 420320 224

202

177

169

148

HV

0 1

2

Temps (s)

5

10 20

50 100 1mn 2mn

500 10 3 15mn

10 4 1h

2h 4h

10 5 8h

24h

Diagrammes TRC

Nuance: C35

(Transformation en Refroidissement Continu)

C%

Mn%

Si%

S%

P%

Ni%

Cr%

Mo%

0,35

0,60

0,20

0,027

0,022

0,12

0,10

0,02

Austénisé à:

850°C - 15 mn

Grosseur du grain:

9

900

Ac3 800

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Ac1 700

A+F

A 30

Sur ces diagrammes, on retrouve les courbes qui délimitent les différents domaines de stabilité de phase et les domaines de transformation de phase: le domaine de transformation ferritique (A+F) et celui de la transformation perlitique (A+F+C). On distingue également un troisième domaine de transformation: celui de la transformation bainitique (A+B). La bainite est un agrégat de ferrite et de cémentite extrêmement fin et donc plus dure que la perlite. Diagrammes TRC: microstructures Contact: [email protected]

60

50

70

A+F+C

30

600 50

40

70 500

B 400 Ms 300

A+M

200

100 506 420320 224

202

177

169

148

HV

0 1

2

Temps (s)

5

10 20

50 100 1mn 2mn

500 10 3 15mn

10 4 1h

2h 4h

10 5 8h

24h

Diagrammes TRC

Nuance: C35

(Transformation en Refroidissement Continu)

C%

Mn%

Si%

S%

P%

Ni%

Cr%

Mo%

0,35

0,60

0,20

0,027

0,022

0,12

0,10

0,02

Austénisé à:

850°C - 15 mn

Grosseur du grain:

9

900

Courbes de refroidissement

Ac3 800

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Ac1 700

Taux de transformation de l ’austénite initiale

A+F

A 30

60

50

70

A+F+C

30

600 50

40

70 500

B 400

Sur ces diagrammes, on trouve également tout un faisceau de courbes de refroidissement ainsi que des chiffres à leur intersection avec les courbes de fin de transformation. Ces chiffres indiquent quelle est la proportion d’austénite initiale qui s’est transformée pour former le constituant auquel correspond la courbe TRC: taux de transformation d l’austénite de fin deDiagrammes transformation. Contact: [email protected]

Ms 300

A+M

200

100 506 420320 224

202

177

169

148

HV

0 1

2

Temps (s)

5

10 20

50 100 1mn 2mn

500 10 3 15mn

10 4 1h

2h 4h

10 5 8h

24h

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Influence des éléments d’alliages

Chrome - Molybdène : participent à la formation de la Perlite et de la Cémentite - favorisent la formation de carbures Nickel : affine la microstructure Manganèse : augmente la dureté de la ferrite

Vanadium - Nobium : augmentent la dureté de la ferrite en favorisant la formation de fins carbures

Les éléments d’alliages, notamment dans les aciers alliés, ont différentes influences sur la Influence des éléments d’alliages sur la microstructure microstructure de l’alliage; Contact: [email protected]

Influence des éléments d’alliages

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Influence du chrome

Influence du nickel °C

°C 1400

1300

1300

1200

1200

1100

1100 1000

1000

15% 12%

0% Cr

700 600

700 600

2% 0%

800

900 800

4%

900

5%

γ

%C 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,2 1,6 1,8

500

%C 0

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,2 1,6 1,8

D’une part, la teneur en carbone de l’eutectoïde diminue avec les teneurs en chrome, molybdène, nickel, manganèse et autres (déplacement vers la gauche du point eutectoïde): la (règle des segments inverses). proportion en Perlite augmente Influencedonc des éléments d’alliages sur la position du point eutectoïde Contact: [email protected]

Influence des éléments d’alliages

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Le chrome: un élément alphagène °C 1400 1300 1200

20% 15%

1100 1000

12%

5%

900 0% Cr

800 700

%C

600

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,2 1,6 1,8

D’autre part, le domaine austénitique est fortement modifié: son étendue diminue en présence de chrome, de molybdène de vanadium de titane de silicium ou d’aluminium. Ces l’extension du domaine ferritique). éléments sont dits alphagènes (ils favorisent Eléments alphagènes Contact: [email protected]

Influence des éléments d’alliages Le nickel: un élément gammagène

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

°C 1300 1200 1100

γ

1000

4%

900

2% 0%

800 700 600 500

%C 0

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,2 1,6 1,8

Par contre, en présence de nickel, de manganèse, de cobalt, de cuivre et d’azote, l’étendue du sont dit gammagènes. domaine austénitique augmente: ces éléments Eléments gammagènes Contact: [email protected]

Influence des éléments d’alliages

L+ α

1400

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

α

L+ α+γ

α+γ

Liquide+ γ

1300 1200

L+ γ+ (CrFe) 7C

γ

1100

γ+ (CrFe) 7C

3

3

1000 900

α+γ

α

800

4

α+ γ+ (CrFe) 7C α+ (CrFe) 7C

α+ (CrFe)

700 α+ (CrFe)

γ+ (CrFe) 7C + (CrFe) C 3

4

C+(CrFe) C7

3

α+ (CrFe) 7C

3

3

3 +(CrFe)

C3

3

%C

C

0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

Par ailleurs, tous ces éléments d’alliages sont carburigènes: ils ont une grande affinité avec le carbone et favorise la formation de carbures: soit des carbures de fer alliés (Cémentite soit carburigènes des carbures d’éléments d’alliages MmCn alliée) (FeM)mCn (M = élémt d’alliage),Eléments Contact: [email protected]

Influence des éléments d’alliages Nuance: C35

Nuance: 35 CrMo 4

C%

M n%

Si%

S%

P%

Ni%

Cr%

M o%

C%

Mn%

Si%

S%

P%

Ni%

Cr%

Mo%

0,35

0,60

0,20

0,027

0,022

0,12

0,10

0,02

0,36

0,77

0,28

0,01

0,019

0,16

0,96

0,28

Austénisé à:

850°C - 15 mn

Grosseur du grain:

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

900

Ralentissement de la diffusion

9

Austénisé à:

850°C - 30 mn

Grosseur du grain:

9

900

Ac3 800

Ac3 800

Ac1

A

Ac1 700

A 30

60

50

600

A+F

700

A+F

55

45

70

A+F+C30

600

40

A+F+C

45

15

35

12

50

10

70 500

500

B

A+F+C

Décalage vers la droite des lignes de début et de fin de transformation 400

400

17

Ms

Ms

2

65 10

300

300

A+M

70 75

A+M

200

200

D’autre part, la présence de ces éléments d’alliages ralentit la vitesse de germination. Les transformations de phases s’en trouvent donc retardées: les domaines de HRc HV HV transformations sont décalés vers la droite dans l’échelle temps, que ce soit en condition isotherme ou en refroidissement continu. Influence des éléments d’alliages sur la vitesse de germination 100

100

54 52,5

506 420320 224

202

177

169

148

1

0

1

2

Temps (s)

5

10

20

50

100

1mn 2mn

500

10 3

15mn

10 4

1h

2h

4h

10 5

8h

Contact: [email protected]

52

40

35

30 22

226 187

0

24h

2

Temps (s)

5

10 20

50 100

1mn 2mn

500 10 3

15mn

10 4

1h

2h 4h

10 5

8h

24h

Vitesse critique de trempe Diagrammes TRC et conditions de refroidissement Nuance: C35 M n%

Si%

S%

P%

Ni%

Cr%

M o%

C%

Mn%

Si%

S%

P%

Ni%

Cr%

Mo%

0,35

0,60

0,20

0,027

0,022

0,12

0,10

0,02

0,36

0,77

0,28

0,01

0,019

0,16

0,96

0,28

Austénisé à:

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Nuance: 35 CrMo 4

C%

850°C - 15 mn

Grosseur du grain:

9

Austénisé à:

900

900

Ac3 800

Ac3 800

850°C - 30 mn

Grosseur du grain:

9

Ac1

A

Ac1 700

A 30

60

50

600

A+F

700

A+F

55

45

70

A+F+C30

600

40

A+F+C

45

15

35

12

50

10

70 500

500

B

A+F+C 400

400 17 Ms

2

Ms

65 10

300

300

70

A+M

75

Vitesse critique de trempe

A+MVitesse

200

critique de trempe

200

Les diagrammes TRC montre par ailleurs que si l’on refroidit ces alliages suffisamment rapidement, il est possible d’éviter la formation des constituants HRc d’équilibre (ferrite,HVperlite HV ou bainite). La vitesse de refroidissement minimale permettant ceci est appelée vitesse critique de trempe. 100

100

54 52,5

506 420320 224

202

177

169

148

1

0

1

2

Temps (s)

5

10

20

50

100

1mn 2mn

500

10 3

15mn

10 4

1h

2h

4h

10 5

8h

Contact: [email protected]

52

40

35

30 22

226 187

0

24h

2

Temps (s)

5

10 20

50 100

1mn 2mn

500 10 3

15mn

10 4

1h

2h 4h

10 5

8h

24h

Diagrammes TRC et conditions de refroidissement Nuance: C35 M n%

Si%

S%

P%

Ni%

Cr%

M o%

C%

Mn%

Si%

S%

P%

Ni%

Cr%

Mo%

0,35

0,60

0,20

0,027

0,022

0,12

0,10

0,02

0,36

0,77

0,28

0,01

0,019

0,16

0,96

0,28

Austénisé à:

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Nuance: 35 CrMo 4

C%

850°C - 15 mn

Grosseur du grain:

9

Austénisé à:

900

900

Ac3 800

Ac3 800

850°C - 30 mn

Grosseur du grain:

9

Ac1

A

Ac1 700

A 30

60

50

600

A+F

700

A+F

55

45

70

A+F+C30

600

40

A+F+C

45

15

35

12

50

10

70 500

500

B

A+F+C 400

400 17 Ms

2

Ms

65 10

300

300

70

A+M

75

Vitesse critique de trempe

A+MVitesse

200

critique de trempe

200

100

100

HRc 506 420320 224

202

177

169

148

HV

54 52,5

52

40

35

30 22

226 187

HV

0

La présence des éléments d’alliages, en retardant la germination des phases d’équilibre, permet de diminuer cette vitesse de sur trempe. Influence critique des éléments d’alliages la vitesse critique de trempe 1

0

1

2

Temps (s)

5

10

20

50

100

1mn 2mn

500

10 3

15mn

10 4

1h

2h

4h

10 5

8h

Contact: [email protected]

24h

2

Temps (s)

5

10 20

50 100

1mn 2mn

500 10 3

15mn

10 4

1h

2h 4h

10 5

8h

24h

La trempe des aciers Nuance: C35 M n%

Si%

S%

P%

Ni%

Cr%

M o%

C%

Mn%

Si%

S%

P%

Ni%

Cr%

Mo%

0,35

0,60

0,20

0,027

0,022

0,12

0,10

0,02

0,36

0,77

0,28

0,01

0,019

0,16

0,96

0,28

Austénisé à:

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Nuance: 35 CrMo 4

C%

850°C - 15 mn

Grosseur du grain:

9

Austénisé à:

900

900

Ac3 800

Ac3 800

850°C - 30 mn

Grosseur du grain:

9

Ac1

A

Ac1 700

A 30

60

50

600

A+F

700

A+F

55

45

70

A+F+C30

600

40

A+F+C

45

15

35

12

50

10

70 500

500

B

A+F+C 400

400 17 Ms

2

Ms

65 10

300

300

70

A+M

75

A+M 200

200

Lorsque l’on impose à une pièce austénitisée des conditions de refroidissement qui HRc HV permettent, pour la dimension deHVcette pièce, d’obtenir une vitesse de refroidissement supérieure à ces vitesses critiques de trempe, on obtient un nouveau constituant: la La trempe des aciers martensite. 100

100

54 52,5

506 420320 224

202

177

169

148

1

0

1

2

Temps (s)

5

10

20

50

100

1mn 2mn

500

10 3

15mn

10 4

1h

2h

4h

10 5

8h

Contact: [email protected]

52

40

35

30 22

226 187

0

24h

2

Temps (s)

5

10 20

50 100

1mn 2mn

500 10 3

15mn

10 4

1h

2h 4h

10 5

8h

24h

La martensite

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Acier à 0,35%C

La martensite est un constituant hors équilibre. Elle provient du cisaillement de la maille austénitique (CFC). Ce cisaillement est provoqué par la libération des énergies de transformations qui ont été bloquées du fait que ces transformations d’équilibre ont été Formation de la martensite évitées. Contact: [email protected]

La martensite

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Martensite en lattes

Martensite en lattes

La martensite, de structure quadratique centrée, se présente sous forme de fines aiguilles. Elle peut prendre deux formes: en lattes (groupement d’aiguilles) dans les aciers à moins de 0,6%C ou aciculaires (aiguilles dans Martensite tous les sens) dans les aciers à plus de 0,6%C. en latte et aciculaire Contact: [email protected]

Température de début de transformation martensitique Nuance: C35 M n%

Si%

S%

P%

Ni%

Cr%

M o%

C%

Mn%

Si%

S%

P%

Ni%

Cr%

Mo%

0,35

0,60

0,20

0,027

0,022

0,12

0,10

0,02

0,36

0,77

0,28

0,01

0,019

0,16

0,96

0,28

Austénisé à:

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Nuance: 35 CrMo 4

C%

850°C - 15 mn

Grosseur du grain:

9

Austénisé à:

900

900

Ac3 800

Ac3 800

Formule d'Andrews (1965)

850°C - 30 mn

Grosseur du grain:

9

Ac1

Ac1 700

A 30

60

50

600

A A+F

700

A+F

55

45

70

A+F+C30

Ms (°C) = 539 - 423(%C) - 30(%Mn) - 18(%Ni) - 12(%Cr) - 7,5(%Mo) 600

40 50 70

A+F+C

45

15

35

12 10

500

500

B

A+F+C 400

400 17 Ms

2

Ms

65 10

300

300

70

A+M

75

A+M 200

200

La température de début de transformation martensitique, notée Ms (Martensite Start), dépend de la composition chimiqueHVde l’alliage: elle peut être HRc correctement estimée HV à l’aide de la relation d’Andrews. La transformation martensitique se poursuit avec l’abaissement Température de dénut de transformation martensitique: formule d’Andrews de la température. 100

100

54 52,5

506 420320 224

202

177

169

148

1

0

1

2

Temps (s)

5

10

20

50

100

1mn 2mn

500

10 3

15mn

10 4

1h

2h

4h

10 5

8h

Contact: [email protected]

52

40

35

30 22

226 187

0

24h

2

Temps (s)

5

10 20

50 100

1mn 2mn

500 10 3

15mn

10 4

1h

2h 4h

10 5

8h

24h

Fin de transformation martensitique Nuance: C35

Nuance: 35 CrMo 4

C%

M n%

Si%

S%

P%

Ni%

Cr%

M o%

C%

Mn%

Si%

S%

P%

Ni%

Cr%

Mo%

0,35

0,60

0,20

0,027

0,022

0,12

0,10

0,02

0,36

0,77

0,28

0,01

0,019

0,16

0,96

0,28

Austénisé à:

850°C - 15 mn

Grosseur du grain:

Ac3 800 Ac1 700

A+F

A 30

60

50

600

70

A+F+C30 40

50 70 500

B 400

300

Austénisé à:

850°C - 30 mn

Grosseur du grain:

9

900

Ac3 800

80

Ac1

A A+F

700

60

55

45

40

600

20

500

0

400

A+F+C

45

15

35

12 10

A+F+C 17

0

Ms

9

100

T a u x d e t r a n s f o r m a t io n m a r t e n s it iq u e

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

900

-100

-200

-300

Ms

-400300

-500

2

65 10

70

A+M

75

Abaissement de température en-dessous de Ms

A+M

200

200

La température de fin de transformation martensitique, notée Mf, est inférieure de 419° à HV Ms (quelle que soit l’acier). C’est HV pourquoi, pour la plupartHRc des aciers, la transformation austénitique n’est pas complète à 20°C: il reste de l’austénite non transformée appelée Température de fin de transformation martensitique: austénite résiduelle austénite résiduelle. 100

100

54 52,5

506 420320 224

202

177

169

148

1

0

1

2

Temps (s)

5

10

20

50

100

1mn 2mn

500

10 3

15mn

10 4

1h

2h

4h

10 5

8h

Contact: [email protected]

52

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30 22

226 187

0

24h

2

Temps (s)

5

10 20

50 100

1mn 2mn

500 10 3

15mn

10 4

1h

2h 4h

10 5

8h

24h

Taux d ’austénite résiduelle (yγ résid)

(

)

*

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

yγ résid = 1 − yγ transformée ⋅ exp(− 0,011 ⋅ (Ms − T ) ⋅ (1 − µ )) Taux de transformation avant Ms : Facteur de stabilisation :

yγ transformé e = y F + y P + y B

(

700 µ = 0,41⋅ 1 − exp(− 0,03 ⋅ ∆t300 )

0,6

)

y M = 1 − y − yγ résid * : uniquement valable pour des refroidissement sans maintien intermédiaire Le taux d’austénite résiduelle peut être estimée à partir de la relation ci-dessus en condition de refroidissement continu (*). Dans le cas de la trempe martensitique, les proportions en ferrite, perlite et bainite sont nulles. Le paramètre

700 ∆t300

Taux d’austénite résiduelle

caractérise les conditions de refroidissement.

Contact: [email protected]

Taux d ’austénite résiduelle (yγ résid) La martensite

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Acier à 0,35%C

Martensite en lattes sur fond d’austénite résiduelle :

La température de début de transformation martensitique s’abaissant avec la présence des la teneur en austénite résiduelle augmente donc. éléments d’alliage (formule d’Andrews), Influence des éléments d’alliage sur le taux d’austénite résiduelle Contact: [email protected]

La trempe La trempe

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Martensite (constituant hors équilibre)

Isotherme

Résumons

Diagrammes de transformation en condition isotherme (TTT)

Contact: [email protected]

En refroidissement continu Diagrammes de transformation en refroidissement continu (TRC)

La trempe

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Martensite (constituant hors équilibre)

Isotherme

En refroidissement continu

Diagrammes de transformation en condition isotherme (TTT)

Diagrammes de transformation en refroidissement continu (TRC)

La trempe, traitement thermique de durcissement, à pour objectif d’obtenir un constituant hors équilibre appelée Martensite. Elle peut se faire en conditions isothermes ou suivant un refroidissement continu. Dans les deux cas, il est nécessaire d’utiliser les diagrammes de de traitement nécessaires à son obtention. transformations pour déterminer les conditions Objectifs de la trempe Contact: [email protected]

Caractérisation des aciers vis-à-vis des traitements thermiques

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Trempabilité des aciers Aptitude à former de la martensite dans des conditions de refroidissement de moins en moins sévères

Le choix de ces conditions de traitement dépend de la réponse du matériau aux traitements thermiques: la trempabilité. La trempabilité des aciers Contact: [email protected]

Trempabilité des aciers

Dispositif d’essai Jominy Support d‘éprouvette

Essai Jominy

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Eprouvette en place

Jet d’eau de refroidissement

Arrivée d’eau Evacuation de l’eau

Pour caractériser cette aptitude à la trempe, on réalise l’essai Jominy. La pièce d’essai est un cylindre de 25 mm de diamètre et de 100 mm de long. Cette pièce, préalablement austénitisée à 850°C durant 30 mn est refroidie par l’une de ses extrémité à l’aide d’un jet d’eau. L’essai Jominy Contact: [email protected]

La courbe Jominy

COURBES JOMINY Nuance: 35 CrMo 4 HRc

C% Mn% Si% S% P% Ni% Cr% Mo% 0,36 0,77 0,28 0,01 0,019 0,16 0,96 0,28

Austénisé à: 850°C - 30 mn Grosseur du grain:9

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

60

50

Une fois refroidie, on réalise à la meule deux méplats de 4-5 mm de large, diamétralement opposés. Les conditions de meulage doivent être telles qu’on évite tout échauffement excessif. Sur ces méplats, on réalise des essais de dureté Rockwell C à 1,5-3-5-7-9-11-15-2025-30-35- … mm de l’extrémité arrosée. En reportant ces valeurs de dureté en fonction de la distance, on obtient la courbe Jominy. Contact: [email protected]

40

30

20 0

10

20

Distance à l'extrémité trempée (mm)

30

Courbe Jominy: dureté de la martensite 70

COURBES JOMINY

HRc

60 D u re té d e la m a rten s ite e n fo n ctio n d e la te n eu r e n c arb o n e 70

50

50 HRc

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

60

40 30 20

HRcm = 20 + 60 ⋅ %C

40

10 0 0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

30

%C

%m C

Ces courbes Jominy présentent un palier supérieur plus ou moins marqué. Ce palier correspond à une transformation totalement martensitique. Le niveau HRc de ce palier ne dépend que de la teneur en carbone. La valeur de la dureté peut être calculée avec le modèle de JUST Contact: [email protected]

20

10

0 0

5

10

15

20

Distance à l'extrémité trempée (mm)

25

30

Courbe Jominy: trempabilité

COURBES JOMINY

70

HRc

60

Présence d’éléments d’alliages

Trempabilité PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

50

40

30

20

Ce palier peut être plus ou moins long: cela dépend de la présence d’éléments d’alliage: de leur nature et de la proportion. Cela traduit la facilité avec laquelle la transformation martensitique se produit: on parle de trempabilité. Contact: [email protected]

10

0 0

5

10

15

20

Distance à l'extrémité trempée (mm)

25

30

Courbe Jominy: influences sur la trempabilité

COURBES JOMINY

70

HRc

60

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

50

40

30

Le palier est suivi d’une décroissance plus ou moins rapide vers un niveau assymptotique. Cette décroissance correspond à une transformation mixte (ferrite + perlite + bainite + martensite). La rapidité avec laquelle la dureté décroît caractérise également la trempabilité de l’acier: elle dépend de la nature et de la proportion des éléments d’alliage. Contact: [email protected]

20

10

0 0

5

10

15

20

Distance à l'extrémité trempée (mm)

25

30

Courbe Jominy: dureté à coeur

COURBES JOMINY

70

HRc

60

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

50

40

30

20

La courbe présente une tendance asymptotique lorsqu’on s’éloigne de l’extrémité de l’éprouvette. La transformation est pour la plupart des aciers de type ferrito-perlitique. Contact: [email protected]

10

0 0

5

10

15

20

Distance à l'extrémité trempée (mm)

25

30

Courbe Jominy: modèle de JUST

Modèle de Just HRc(d ) = 95 ⋅ %C − 0,00276 ⋅ E 2 ⋅ %C + 20 ⋅ %Cr + 38 ⋅ % Mo + 14 ⋅ % Mn + 5,5 ⋅ % Ni

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

+ 6,1 ⋅ % Si + 39 ⋅ %V + 96 ⋅ % P − 0,81⋅ K ASTM

COURBES JOMINY Nuance: 35 CrMo 4 HRc

C% Mn% Si% S% P% Ni% Cr% Mo% 0,36 0,77 0,28 0,01 0,019 0,16 0,96 0,28

Austénisé à: 850°C - 30 mn Grosseur du grain:9

60

− 12,28 ⋅ E + 0,898 ⋅ E − 13 ⋅ HRcm HRcm = 20 + 60 ⋅ %C

50

40

Ces courbes Jominy peuvent être représentées à l’aide de modèles prenant en compte la composition de l’alliage et les condition d’austénitisation (grosseur du grain - KASTM). Pour les distances Jominy comprises supérieures à 8mm, la formule de Just peut être avantageusement utilisée. Contact: [email protected]

30

20 0

10

20

Distance à l'extrémité trempée (mm)

30

Choix des conditions de traitement thermique

Choix des conditions de traitements thermiques

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

°C Ac3+50°C

Austénitisation 30mn - 1h

Ac3 500°C Chauffe étagée

Contact: [email protected]

Refroidissement rapide (eau, air, huile)

t

Condition de trempe martensitique

Trempe martensitique

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Vrefroidissement < Vcritique de trempe

Trempabilité

Sévérité du milieu de trempe

Dimensions de la pièce

Réaliser une trempe martensitique, c’est imposer des vitesses de refroidissement supérieures à la vitesse critique de trempe. Le choix des conditions de traitement dépend de la réponse du matériau aux traitements thermiques mais également de la sévérité du milieu de refroidissement et des dimensions de la pièce. Contact: [email protected]

Sévérité du milieu de trempe

Agitation très intense nulle

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Sévérité des milieux de trempe H (mm-1) Eau

Huile

Air

0,04

0,01

0,0008

Selon ROSSMANN

α H= 2λ

α : coefficient de transmission de la chaleur entre la pièce et le milieu de trempe λ : conductivité thermique du milieu de trempe

0,16

0,4

0,008

La sévérité du milieu de trempe caractérise la capacité du milieu à évacuer les calories. Industriellement, on retrouve trois milieux classiques : dans l’ordre décroissant de sévérité, l’eau, l’huile et l’air. Ces milieux peuvent être plus ou moins agités. Contact: [email protected]

Abaques de refroidissement

Temps de refroidissement

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Mode de refroidissement Eau

Mode de refroidissement HUILE

Mode de refroidissement AIR

900

900

900

800

800

800

700

700

700

600

600

600

500

500

500

Eau

400

Huile

400

Ms

Ms

300

Ms

300

à coeur

300

à coeur

200

Sous la surface

200

100

200

100

40

50 80

100 Rond de ∅

120

0

10 20 40 80 250

500

Rond de ∅

900

0

1

2

Temps (s) Courbes

5

10 20

50 100 1mn 2mn

500 10 3 15mn

10 4 1h

2h 4h

Rond de ∅ 80 : à 10 mm de la surface Rond de ∅ 250 et 500 : à 20 mm de la surface Rond de ∅ 900: à 150 mm de la surface

8h

à coeur

Sous la surface

Sous la surface

Rond de ∅ 10 20

Air

400

10

20 40 80

250 500 900

0

10 5

1

24h

Temps (s)

2

Courbes

5

10 20

50 100 1mn 2mn

500 10 3 15mn

10 4 1h

2h 4h

Rond de ∅ 80 : à 10 mm de la surface Rond de ∅ 250 et 500 : à 20 mm de la surface Rond de ∅ 900: à 150 mm de la surface

8h

10 5

1

24h

Temps (s)

2

Courbes

5

10 20

50 100 1mn 2mn

500 10 3 15mn

10 4 1h

2h 4h

10 5 8h

24h

Rond de ∅ 80 : à 10 mm de la surface Rond de ∅ 250 et 500 : à 20 mm de la surface Rond de ∅ 900: à 150 mm de la surface

La vitesse de refroidissement dépend des dimensions de la pièces et du milieu de refroidissement. Pour déterminer ces vitesses dans le cas de pièces cylindriques, on peut utiliser des abaques de refroidissement. Contact: [email protected]

Temps de refroidissement

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Mode de refroidissement Eau

Mode de refroidissement HUILE

Mode de refroidissement AIR

900

900

900

800

800

800

700

700

700

600

600

600

500

500

500

Eau

400

Huile

400

Ms

Ms

300

Ms

300

à coeur

300

à coeur

200

Sous la surface

200

100

200

100

40

50 80

100 Rond de ∅

120

0

10 20 40 80 250

500

Rond de ∅

900

0

1

2

Temps (s) Courbes

5

10 20

50 100 1mn 2mn

500 10 3 15mn

10 4 1h

2h 4h

Rond de ∅ 80 : à 10 mm de la surface Rond de ∅ 250 et 500 : à 20 mm de la surface Rond de ∅ 900: à 150 mm de la surface

8h

à coeur

Sous la surface

Sous la surface

Rond de ∅ 10 20

Air

400

10

20 40 80

250 500 900

0

10 5

1

24h

Temps (s)

2

Courbes

5

10 20

50 100 1mn 2mn

500 10 3 15mn

10 4 1h

2h 4h

Rond de ∅ 80 : à 10 mm de la surface Rond de ∅ 250 et 500 : à 20 mm de la surface Rond de ∅ 900: à 150 mm de la surface

8h

10 5

1

24h

Temps (s)

2

Courbes

5

10 20

50 100 1mn 2mn

500 10 3 15mn

10 4 1h

2h 4h

10 5 8h

24h

Rond de ∅ 80 : à 10 mm de la surface Rond de ∅ 250 et 500 : à 20 mm de la surface Rond de ∅ 900: à 150 mm de la surface

Ces abaques permettent de déterminer les temps de refroidissement pour le cœur et la surface de ronds de différents diamètres. Cependant, ils ne sont disponibles que pour les trois milieux de refroidissements standards (eau, huile et air sans agitation). Contact: [email protected]

Temps de refroidissement 700 ∆ t Temps de refroidissement 300 Nuance: 35 CrMo 4 C%

Mn%

Si%

S%

P%

Ni%

Cr%

Mo%

0,36

0,77

0,28

0,01

0,019

0,16

0,96

0,28

Austénisé à:

850°C - 30 mn

Grosseur du grain:

9

900

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Ac3 800 Ac1

A

700

A+F

700

55

45

600

A+F+C

45

15

35

12 10

Le temps de refroidissement le plus couramment retenu est celui qu’il faut pour passer de 700°C à 300°C: il est noté 700 ∆t300 . Cette plage de température correspond à celle où se produisent les différentes transformations dès lors que l’on procède à une trempe, 300°C correspondant à la température de début de transformation martensitique (MS) (valeur moyenne sur l’ensemble des aciers de TTh). Contact: [email protected]

500

A+F+C 400

Ms 300

17

Ms

∆t

300

700 2 300

65 10

70 75

A+M 200

100

HRc

54 52,5

52

40

35

30 22

226 187

HV

0 1

2

Temps (s)

5

10 20

50 100 1mn 2mn

500 10 3 15mn

10 4 1h

2h 4h

10 5 8h

24h

Abaque de détermination des temps de refroidissement

Abaque de détermination des temps de refroidissement D (mm) 300

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

200 100 80 70 60 50 40 30

H (mm-1)

20 0,0008

10

0,005 0,002

0,015 0,04 0,01 0,025

0,16 0,08

0,9

0,7

0,6

0,5

r/R 0,4 0,2

1 2

Peau (r/R=1) 0,16 0,08 0,04 0,025 0,015 0,01 0,005

0,8

5 10 20 50 100 200

Coeur (r/R=0) tous milieux

Zone pour la détermination des temps de refroidissement en tout point de la pièce

500

∆t700300 700 Pour déterminer ces temps de refroidissement ∆t300 dans le cas de pièces cylindriques, on peut également utiliser l’abaque proposé par l’OTUA. Cet abaque présente l’avantage de pouvoir traiter tous les milieux de trempe. En outre, il permet de déterminer les temps de refroidissement en tout point de la section.

Contact: [email protected]

D (mm) 300 200

100 80 70 60 50 40

H (mm-1)

Zone 1

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

30 20 0,0008

10

0,005 0,002

0,015 0,04 0,01 0,025

0,16 0,08

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

r/R 0,4 0,2

1 Peau (r/R=1) 0,16 0,08 0,04 0,025 0,015 0,01 0,005

2 5 10 20

Zone 2

50 100 200

Coeur (r/R=0) tous milieux

Zone 3

500

∆t700300

Cet abaque est constitué de 3 zones. La zone 1 permet de définir le diamètre et la sévérité du milieu de trempe. Dans cette zone, on trouve un faisceau de droites correspondant aux sévérités des différents milieux de trempe. Contact: [email protected]

D (mm) 300 200

100 80 70 60 50 40

H (mm-1)

Zone 1

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

30 20 0,0008

10

0,005 0,002

0,015 0,04 0,01 0,025

0,16 0,08

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

r/R 0,4 0,2

1 Peau (r/R=1) 0,16 0,08 0,04 0,025 0,015 0,01 0,005

2 5 10 20

Zone 2

50 100 200

Coeur (r/R=0) tous milieux

Zone 3

500

∆t700300

La zone 2 permet de déterminer les temps de refroidissement en surface de pièce (la peau) et le cœur. On y trouve de nouveau le faisceau de droites correspondant aux différentes sévérité. Ce faisceau permet de déterminer les temps de refroidissement pour la peau. Contact: [email protected]

D (mm) 300 200

100 80 70 60 50 40

H (mm-1)

Zone 1

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

30 20 0,0008

10

0,005 0,002

0,015 0,04 0,01 0,025

0,16 0,08

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

r/R 0,4 0,2

1 Peau (r/R=1) 0,16 0,08 0,04 0,025 0,015 0,01 0,005

2 5 10 20

Zone 2

50 100 200

Coeur (r/R=0) tous milieux

Zone 3

500

∆t700300

Ce faisceau de droites est bornée par une droite qui permet de déterminer les temps de refroidissement pour le cœur de la pièce. Elle correspond à toute les sévérités de milieu de trempe (toutes les droites correspondantes sont confondues en une seule). Contact: [email protected]

D (mm) 300 200

100 80 70 60 50 40

H (mm-1)

Zone 1

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

30 20 0,0008

10

0,005 0,002

0,015 0,04 0,01 0,025

0,16 0,08

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

r/R 0,4 0,2

1 Peau (r/R=1) 0,16 0,08 0,04 0,025 0,015 0,01 0,005

2 5 10 20

Zone 2

50 100 200

Coeur (r/R=0) tous milieux

Zone 3

500

∆t700300

La zone 3 permet de déterminer les temps de refroidissement en tout point de la section. Contact: [email protected]

D (mm) 300 200

100 80 70 60 50 40

H (mm-1)

Zone 1

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

30 20 0,0008

10

0,005 0,002

0,015 0,04 0,01 0,025

0,16 0,08

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

r/R 0,4 0,2

1 Peau (r/R=1) 0,16 0,08 0,04 0,025 0,015 0,01 0,005

2 5 10 20

Zone 2

50 100 200

Coeur (r/R=0) tous milieux

Zone 3

500

∆t700300

Pour déterminer les temps de refroidissement, on se sert de cet abaque de la façon suivante: … Contact: [email protected]

Utilisation des abaques de détermination des temps de refroidissement: étape 1 D (mm) 300 200

D 100 80 70 60 50 40

H (mm-1)

Zone 1 A

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

30 20 0,0008

10

0,005 0,002

0,015 0,04 0,01 0,025

0,16 0,08

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

r/R 0,4 0,2

1 Peau (r/R=1)

2 5 10 20

0,16 0,08 0,04 0,025 0,015 0,01 0,005

50 100 200

Coeur (r/R=0) tous milieux

500

∆t700300

Le diamètre de la pièce étant connu, on trace une horizontale correspondante dans la zone 1 de l’abaque . Cette horizontale coupe la droite de sévérité correspondant au milieu de trempe retenu en un point A. Contact: [email protected]

Etape 2: détermination de ∆T700 300 pour la surface

D (mm) 300 200

D 100 80 70 60 50 40

H (mm-1)

A

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

30 20 0,0008

10

0,005 0,002

0,015 0,04 0,01 0,025

0,16 0,08

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

r/R 0,4 0,2

1 Peau (r/R=1) 0,16 0,08 0,04 0,025 0,015 0,01 0,005

2 5 10 20

B

Zone 2

50 100 200

Coeur (r/R=0) tous milieux

500

∆t700300

A partir de ce point A, on trace une droite verticale. Elle coupe, dans le faisceau de droites permettant la détermination des temps de refroidissement en surface, la droite correspondant à la sévérité du milieu de trempe retenu en un point B. A partir de ce point, 700 le temps de refroidissement pour la peau. on trace une horizontale: on lit sur l’échelle ∆t300 Contact: [email protected]

Etape 3: détermination de ∆T700 300 pour le coeur

D (mm) 300 200

D 100 80 70 60 50 40

H (mm-1)

A

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

30 20 0,0008

10

0,005 0,002

0,015 0,04 0,01 0,025

0,16 0,08

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

r/R 0,4 0,2

Peau (r/R=1)

1

Zone 2

2 5 10 20

B

0,16 0,08 0,04 0,025 0,015 0,01 0,005

50 100 200

C Coeur (r/R=0) tous milieux

500

∆t700300

D’autre part, la droite verticale A-B coupe la droite relative au refroidissement du cœur en 700 un point C. A partir de ce point, on trace une horizontale: on lit sur l’échelle ∆t300 le temps de refroidissement pour le coeur. Contact: [email protected]

Etape 4: Détermination de DT700 300 en tout point de la section

D (mm) 300 200

D 100 80 70 60 50 40

H (mm-1)

A

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

30 20 0,0008

10

0,005 0,002

0,015 0,04 0,01 0,025

0,16 0,08

1

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

r/R 0 0,4

1 Peau (r/R=1)

2 5 10 20

B

0,16 0,08 0,04 0,025 0,015 0,01 0,005

Zone 3

50 100 200

C Coeur (r/R=0) tous milieux

0,2

500

∆t700300

Pour déterminer les temps de refroidissements en différents points de la section, on utilise la zone 3 de l’abaque. Elle est graduée en rapport r/R ou r représente la position du point étudié et R le rayon de la pièce. Contact: [email protected]

D (mm) 300 200

D 100 80 70 60 50 40

H (mm-1)

A

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

30 20 0,0008

10

0,005 0,002

0,015 0,04 0,01 0,025

0,16 0,08

0,9

1

0,8

0,7

0,6

0,5

r/R 0 0,4

1 Peau (r/R=1)

Zone 3

2 5 10 20

B

0,16 0,08 0,04 0,025 0,015 0,01 0,005

B’

50 100 200

C Coeur (r/R=0) tous milieux

0,2

500

∆t700300

Le temps de refroidissement déterminé à partir du point B (peau) correspond à r/R=1: point B’. Contact: [email protected]

D (mm) 300 200

D 100 80 70 60 50 40

H (mm-1)

A

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

30 20 0,0008

10

0,005 0,002

0,015 0,04 0,01 0,025

0,16 0,08

0,9

1

0,8

0,7

0,6

0,5

r/R 0 0,4

1 Peau (r/R=1)

Zone 3

2 5 10 20

B

0,16 0,08 0,04 0,025 0,015 0,01 0,005

50 100 200

C Coeur (r/R=0) tous milieux

0,2

B’ C’

500

∆t700300

Le temps de refroidissement déterminé à partir du point C (coeur) correspond à r/R=0: point C’. Contact: [email protected]

D (mm) 300 200

D 100 80 70 60 50 40

H (mm-1)

A

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

30 20 0,0008

10

0,005 0,002

0,015 0,04 0,01 0,025

0,16 0,08

0,9

1

0,8

0,7

0,6

0,5

r/R 0 0,4

1 Peau (r/R=1)

Zone 3

2 5 10 20

B

0,16 0,08 0,04 0,025 0,015 0,01 0,005

50 100 200

C Coeur (r/R=0) tous milieux

0,2

B’ C’

500

∆t700300

Entre ces deux points, on trace une droite (correspondant à la loi exponentielle, solution de l’équation de conduction de la chaleur, dans une échelle log-log). Contact: [email protected]

D (mm) 300 200

D 100 80 70 60 50 40

H (mm-1)

A

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

30 20 0,0008

10

0,005 0,002

0,015 0,04 0,01 0,025

0,16 0,08

0,9

1

0,8

0,7

0,6

0,5

r/R 0 0,4

1 Peau (r/R=1)

Zone 3

2 5 10 20

B

0,16 0,08 0,04 0,025 0,015 0,01 0,005

50 100 200

C Coeur (r/R=0) tous milieux

0,2

B’

D C’

500

∆t700300

Le temps de refroidissement pour un point situé sur un rayon r s’obtient en traçant une verticale depuis le rapport r/R correspondant et une horizontale à partir du point d’intersection avec la droite B’C’ (point D). Contact: [email protected]

Application: étape 1 – détermination des temps de refroidissement

D (mm) 300 200

D 100 80 70 60 50 40

H (mm-1)

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

30 20 0,0008

10

0,005 0,002

0,015 0,04 0,01 0,025

0,16 0,08

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

r/R 0,4 0,2

1 Peau (r/R=1)

2 5 10 20

0,16 0,08 0,04 0,025 0,015 0,01 0,005

50 100 200

Coeur (r/R=0) tous milieux

10 60

500

∆t700300

Ainsi, pour une pièce de diamètre 60 mm trempée à l’eau calme (H= 0,04), les temps de refroidissement en surface et à cœur sont respectivement de 10s et de 50s. Contact: [email protected]

Etape 2: microstructures

Nuance: 35 CrMo 4

D=60 mm

C%

Mn%

Si%

S%

P%

Ni%

Cr%

Mo%

0,36

0,77

0,28

0,01

0,019

0,16

0,96

0,28

Austénisé à:

850°C - 30 mn

Grosseur du grain:

9

900

∆t700300 = 10 s

Ac3 800

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Ac1

A

∆t700300

= 60 s

A+F

700

600

Contact: [email protected]

A+F+C

45

15

A partir de ces temps, il est possible d’estimer les microstructures de l’alliage après trempe en surface à au cœur. Pour cela, on trace sur le diagramme TRC de la nuance retenue deux courbes correspondant aux trouvés. Dans le cas d’une pièce en acier de nuance 35 CrMo 4, la microstructure en surface est constituée de martensite et d’austénite résiduelle et celle du cœur de ferrite, de bainite, de martensite et d’austénite résiduelle.

55

45 35

12 10

500

A+F+C 400 17 Ms

2

65 10

300

70 75

A+M 200

Coeur Surface

100

HRc

54 52,5

52

40

35

30 22

226 187

HV

0 1

2

Temps (s)

5

10 20

50 100 1mn 2mn

500 10 3 15mn

10 4 1h

2h 4h

10 5 8h

24h

Etape 3: taux d’austénite résiduelle Que ce soit à cœur ou en surface, le taux d’austénite résiduel peut être estimé à l’aide de la relation ci-dessus.

(

)

yγ résid = 1 − yγ transformée ⋅ exp(− 0,011 ⋅ (Ms − T ) ⋅ (1 − µ ))

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

avec et

y = y F + y P + y B D=60 mm ∆t700300 = 10 s 700 µ = 0,41 ⋅ 1 − exp − 0,03 ⋅ ∆t300

(

(

)

0,6

)

Nuance: 35 CrMo 4 C%

Mn%

Si%

S%

P%

Ni%

Cr%

Mo%

0,36

0,77

0,28

0,01

0,019

0,16

0,96

0,28

Austénisé à:

850°C - 30 mn

Grosseur du grain:

Ac3 800 Ac1

A A+F

700

55

45

A+F+C

45

15 600

y M =700 1− y − y ∆t 300 = 60γ srésid

9

900

35

12 10

500

Dans l’exemple présenté ici, cela donne:

A+F+C 400

A cœur :

y=5+0+10=15% yM=81,5% yγ résid=3,5%

17 Ms

2

65 10

300

70 75

A+M 200

Coeur

En surface : y=0 yM=96,8% yγ résid=3,2%

Surface

100

HRc 1

2

Temps (s)

Contact: [email protected]

54 52,5

52

40

35

30 22

226 187

HV

0 5

10 20

50 100 1mn 2mn

500 10 3 15mn

10 4 1h

2h 4h

10 5 8h

24h

Etape 4: dureté en surface et à coeur

Nuance: 35 CrMo 4 C%

Mn%

Si%

S%

P%

Ni%

Cr%

Mo%

0,36

0,77

0,28

0,01

0,019

0,16

0,96

0,28

Austénisé à:

850°C - 30 mn

Grosseur du grain:

9

900

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

En surface : HV = 48D=60 mm

Ac1

A

∆t700300 = 10 s

A cœur :

Ac3 800

A+F

700

55

45

HV = 53

15 600

A+F+C

45 35

12 10

∆t700300 = 60 s

500

A+F+C 400 17 Ms

2

65 10

300

70 75

Par ailleurs, on peut déterminer le niveau de dureté obtenue après trempe, tant en surface qu’au cœur. Pour cela, il suffit de lire dans le cartouche situé au bas du diagramme TRC, la valeur en regard des courbes de refroidissement. Contact: [email protected]

A+M 200

Coeur Surface

100

HRc

54 52,5

52

40

35

30 22

226 187

HV

0 1

2

Temps (s)

5

10 20

50 100 1mn 2mn

500 10 3 15mn

10 4 1h

2h 4h

10 5 8h

24h

Abaque Distance Jominy équivalente

D (mm)

HRc

200

50

100 80 70 60 50 40

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Courbes Jominy

60

300

40

H (mm-1)

Zone 1

30 20

30 20

r

0,005 0,015 0,04 0,16 0,0008 0,002 0,01 0,025 0,08

10

0,9

0,8

0,7

0,6 0,5 r/R

10 10

20

30

40

50

60

Dj (mm)

0,4 0,2 1 Peau (r/R=1) 0,16 0,08 0,04 0,025 0,015 0,01 0,005

2 5 10 20

Zone 2 Coeur (r/R=0) tous milieux

Zone 3

Zone 4

50 100 200 500

∆t700300

Pour déterminer ces duretés lorsque l’on ne dispose pas du diagramme TRC, il est possible d’utiliser l’abaque de détermination des temps de refroidissement complété d’une quatrième zone. Contact: [email protected]

D (mm) 300 200

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

100 80 70 60 50 40

H (mm-1)

Zone 1

30 20 0,005 0,015 0,04 0,16 0,0008 0,002 0,01 0,025 0,08

10

0,9

0,8

0,7

0,6 0,5 r/R

10

20

30

40

50

60

Dj (mm)

0,4 0,2 1 Peau (r/R=1) 0,16 0,08 0,04 0,025 0,015 0,01 0,005

2 5 10 20

Zone 2 Coeur (r/R=0) tous milieux

Zone 3

Zone 4

50 100 200 500

∆t700300

Cette quatrième zone.permet d’établir une équivalence entre le temps de refroidissement en un point d’une pièce trempée et la position du point sur l’éprouvette Jominy qui voit le même temps de refroidissement. On parle de distance Jominy équivalente. Contact: [email protected]

D (mm) 300 200

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

100 80 70 60 50 40

H (mm-1)

Zone 1

30 20 0,005 0,015 0,04 0,16 0,0008 0,002 0,01 0,025 0,08

10

0,9

0,8

0,7

0,6 0,5 r/R

10

20

30

40

50

60

Dj (mm)

0,4 0,2 1 Peau (r/R=1) 0,16 0,08 0,04 0,025 0,015 0,01 0,005

2 5 10 20

Zone 2 Coeur (r/R=0) tous milieux

Zone 3

Zone 4

50 100 200 500

∆t700300

Cette équivalence est donnée par la courbe ci-dessus. L’axe horizontal est gradué directement en distance Jominy équivalente. Contact: [email protected]

D (mm) 300

Zone 1

200

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

100 80 70 60 50 40

H (mm-1)

30 20 0,005 0,015 0,04 0,16 0,0008 0,002 0,01 0,025 0,08

10

0,9

0,8

0,7

0,6 0,5 r/R

10

20

30

40

50

60

Dj (mm)

0,4 0,2 1 Peau (r/R=1) 0,16 0,08 0,04 0,025 0,015 0,01 0,005

2 5 10 20

Zone 2 Coeur (r/R=0) tous milieux

50 100 200

10

Zone 3

Zone 4

60

500

∆t700300

Reprenons l’exemple traité précédemment: pièce de diamètre 60 trempée à l’eau calme 700 (H=0,04 mm-1). Les temps de refroidissements ∆t300 en surface et au cœur sont respectivement de 10s et 60s. Contact: [email protected]

D (mm) 300

Zone 1

200

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

100 80 70 60 50 40

H (mm-1)

30 20 0,005 0,015 0,04 0,16 0,0008 0,002 0,01 0,025 0,08

10

0,9

0,8

0,7

0,6 0,5 r/R

5 101320

30

40

50

60

Dj (mm)

0,4 0,2 1 Peau (r/R=1) 0,16 0,08 0,04 0,025 0,015 0,01 0,005

2 5 10 20

Zone 2 Coeur (r/R=0) tous milieux

Zone 3

Zone 4

50 100 200 500

∆t700300

En prolongeant les horizontales temps jusqu’à la courbe distance Jominy équivalente, on en déduit les distances sur l’éprouvette Jominy qui subissent les mêmes temps de refroidissement: soit 5 et 13 mm. Contact: [email protected]

HRc

D (mm) 300

Zone 1

200

Courbes Jominy

60 50 40

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

100 80 70 60 50 40

H (mm-1) 30 20

30 10

20 0,005 0,015 0,04 0,16 0,0008 0,002 0,01 0,025 0,08

10

0,9

0,8

0,7

0,6 0,5 r/R

5 101320

30

40

50

60

Dj (mm)

0,4 0,2 1 Peau (r/R=1) 0,16 0,08 0,04 0,025 0,015 0,01 0,005

2 5 10 20

Zone 2 Coeur (r/R=0) tous milieux

Zone 3

Zone 4

50 100 200 500

∆t700300

On peut alors compléter cet abaque en reportant la courbe Jominy, ce qui permet de déterminer la dureté tant en surface qu’au cœur de la pièce. Pour cela, il suffit de prolonger les verticales distances Jominy jusqu’à la courbe Jominy de la nuance envisagée. Contact: [email protected]

HRc

D (mm) 300

Zone 1

200

Courbes Jominy

60

54 50 50 40

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

100 80 70 60 50 40

H (mm-1) 30 20

30 10

20 0,005 0,015 0,04 0,16 0,0008 0,002 0,01 0,025 0,08

10

0,9

0,8

0,7

0,6 0,5 r/R

5 101320

30

40

50

60

Dj (mm)

0,4 0,2 1 Peau (r/R=1) 0,16 0,08 0,04 0,025 0,015 0,01 0,005

2 5 10 20

Zone 2 Coeur (r/R=0) tous milieux

Zone 3

Zone 4

50 100 200 500

∆t700300

Dans l’exemple traité ici (cas d’un acier de bonne trempabilité), la dureté obtenue en surface est de 54 HRc tandis qu’à cœur, elle est de 50 HRc. La différence de dureté entre le cœur et la surface n’est pas très importante, malgré la dimension importante de la pièce (60 mm). Contact: [email protected]

HRc

D (mm) 300

Zone 1

200

Courbes Jominy

60

54 50 50 40

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

100 80 70 60 50 40

H (mm-1) 30 20

30 r

20 0,005 0,015 0,04 0,16 0,0008 0,002 0,01 0,025 0,08

10

0,9

0,8

0,7

10

0,6 0,5 r/R

5 101320

30

40

50

60

Dj (mm)

0,4 0,2 1 Peau (r/R=1) 0,16 0,08 0,04 0,025 0,015 0,01 0,005

2 5 10 20

Zone 2 Coeur (r/R=0) tous milieux

Zone 3

Zone 4

50 100 200 500

∆t700300

Et puisque l’abaque permet de déterminer les temps de refroidissement en tout point de la pièce (zone 3), il est possible de tracer le profil de dureté dans la section. On obtient ce qu’on appelle une courbe de pénétration de trempe ou encore courbe en U. Contact: [email protected]

HRC

HRC 70

70 HRCmax = 67 1

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

3

60

60 HRCmax = 55 50

50

2

2 40

40 0

r (mm) 20

1: 0,75 % C non allié 2: 0,35 % C + 2 % Cr

1 r (mm) 0

20

1: 0,75 % C non allié 2: 0,75 % C + 1 % Cr 3: 0,75 % C + 2 % Cr + 1 % Ni

Ces courbes en U permettent également d’apprécier à la fois le niveau de dureté de la martensite et la trempabilité de l’acier. Plus la teneur en carbone est élevée, plus le niveau de la courbe en U est élevé; plus la trempabilité augmente, moins le « U » est prononcé. Contact: [email protected]

Le revenu de détente

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Objectif : Diminution des contraintes internes Cycle thermique : chauffage en dessous de 200°C

°C 200 30mn - 1h

t

Contact: [email protected]

Le revenu banal Objectif : Diminuer la fragilité

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

de la structure martensitique

Cycle thermique : chauffage entre 550°C et 650°C

°C Ac3 Ac1 650 550

Contact: [email protected]

30mn - 1h Condition de refroidissement identiques à celle de la trempe (sans influence)

t

Le revenu d ’adoucissement maximal

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Objectif : Adoucissement maximal Cycle thermique : chauffage en dessous de Ac1

°C Ac3 Ac1 30mn - 1h Condition de refroidissement identiques à celle de la trempe (sans influence)

Contact: [email protected]

t

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Etude expérimentale des transformations de l ’austénite : la dilatométrie absolue

Mesure de la dilatation en fonction de la température

Contact: [email protected]

Température (°C) 0 0

100

200

300

400

500

600

700

900

800

1000

Dilatation relative (10-3 )

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Dilatation à l'état α -5

-10

Austénitisation 100% 90% 80% 70% 60%

Transformation P →γ+α α

Dilatation à l'état

γ

Refroidissement en phase austénitique

50% Transformation 40% 30% 20% Proportion d'austénite 10% transformée 0%

-15

A→ →F+P

-20

Refroidissement jusqu ’à l ’ambiante -25

Contact: [email protected]

Refroidissement lent

Courbe dilatométrique Température (°C) 0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Ms Dilatation à l'état α

Dilatation relative (10-3 )

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

0

-5

-10

Austénitisation 100% 90% 80% 70% 60%

Transformation P →γ+α α

Dilatation à l'état

-25

Refroidissement en phase austénitique

50% 40% 30% 20% Proportion d'austénite 10% transformée 0%

-15

-20

γ

Transformation A→ →M Refroidissement jusqu ’à l ’ambiante

Contact: [email protected]

Refroidissement en 30s

Choix des conditions de traitement thermique CHOIX DES CONDITIONS DE TRAITEMENTS THERMIQUES DES ACIERS D (mm)

HRc

300

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

200

100 80 70 60 50 40

50

Niveau de dureté après revenu D =40 mm

30 20

30 20 r

0,005 0,015 0,04 0,16 0,0008 0,002 0,01 0,025 0,08

0,9

0,8

0,7

0,6 0,5 r/R 0,4 0,2

1 Peau (r/R=1)

2 5 10 20

0,16 0,08 0,04 0,025 0,015 0,01 0,005

50 Coeur (r/R=0) tous milieux

Brut de trempe

40

H (mm-1)

10

Courbes Jominy

60

Niveau de dureté après trempe

100 200 500

∆t700300

Contact: [email protected]

Après revenu

10 10

20

30

40

50

60

Dj (mm)

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Les recuits

homogénéisation

régénération

grossissement du grain

normalisation

globularisation

Objectif: reconférer une microstructure ferrito-perlitique

Les traitements de recuit ont pour objectif de recouvrir une microstructure ferritoperlitique perturbée par des traitements mécaniques ou thermiques qu’a pu subir l’acier. Contact: [email protected]

Le recuit d ’homogénéisation °C 1000°C PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

Austénitisation Ac3 Ac1

Refroidissement lent

t

Ce recuit permet d’uniformiser la composition chimique de l'acier (réduction des ségrégations et des structures de bandes); ce traitement nécessite un maintien de plusieurs heures à une température d'austénitisation élevée, suivi d'un refroidissement lent. Contact: [email protected]

Le recuit de grossissement du grain

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

°C 1000°C

Austénitisation

Ac3 Ac1

Refroidissement lent

t

Pour obtenir une taille de grains importante, propice à l'obtention d'une structure perlitique grossière, il faut austénitiser à très haute température (> 1000°C) pour faciliter la diffusion des joints de grains. A l’issue de cette phase d’austénitisation, l’acier est refroidi lentement. Contact: [email protected]

Le recuit de régénération

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

°C 1000°C

Austénitisation Ac3 Ac1

Refroidissement suivant résultat visé

t

Ce recuit permet d'affiner et d'homogénéiser le grain de l'acier; ce traitement se fait en chauffant légèrement au-dessus de la température Ac3 et en refroidissant dans des conditions convenables pour le résultat désiré. Contact: [email protected]

Le recuit de normalisation

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

°C 1000°C

Austénitisation Ac3 Ac1

Refroidissement à l ’air

t

Ce recuit permet d’obtenir une microstructure ferrito-perlitique légèrement différente de la microstructure d’équilibre: plus de perlite et perlite plus fine. Ce traitement se fait en austénitisant l’acier à une température de l’ordre de Ac3 + 50° et en refroidissant à l’air. Contact: [email protected]

Le recuit pour usinage

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

°C 1000°C

Austénitisation Ac3 Ac1

Refroidissement lent

t

Ce recuit permet d’obtenir permet d'obtenir une microstructure ferrito-perlitique fine, microstructure la plus favorable pour l’usinage ; il consiste en un maintien isotherme audessous de Ac1 après l'austénitisation. L’acier est ensuite refroidit lentement. Contact: [email protected]

Le recuit de globularisation

PO IC 3- Les traitements thermiques des aciers

°C 1000°C

Ac3 Ac1

Refroidissement lent

t

Ce recuit permet d’obtenir une structure perlitique globulaire ; il consiste en un chauffage à une température légèrement supérieure à Ac1 suivi d'un refroidissement et d'un maintien à une température légèrement inférieure à Ac1 ; ce cycle peut être répété plusieurs fois. Contact: [email protected]