Matériaux II travaux pratiques

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1 Matériaux II travaux pratiques Essai de trempabilité par trempe en bout (Essai Jominy) GC4 printemps 2015 C. Dénéréaz,

2 LMM Laboratoire de Métallurgie Mécanique Partie théorique Introduction Les traitements thermiques permettent de modifier les caractéristiques mécaniques des matériaux en influençant la microstructure de ceux-ci. Dans le cas des aciers, la trempe est un traitement thermique qui vise à les durcir par la création d une phase dure, la martensite. La trempe des aciers se déroule toujours en 3 étapes : - Austénitisation : chauffage et maintien de l acier pendant environ 30min au-dessus de son point de transformation. Durant l austénitisation, la structure de l acier s homogénéise en transformant les éléments microstructuraux ferritiques (α, cc) en austénite (γ, cfc) et en dissolvant la cémentite et les carbures dans l austénite. La température d austénitisation, également appelée température de trempe dépend de la teneur en carbone d un acier et doit être située dans le domaine austénite du diagramme Fe-C. Fig. 1 Diagramme d équilibre des aciers au carbone Fig. 2 Maille cubique centrée (cc) à gauche et cubique face centrée (cfc) à droite. Les ronds représentent les atomes de fer C. Dénéréaz,

3 - Trempe : refroidissement suffisamment rapide de l acier austénitisé afin d éviter la formation des structures d équilibre, de faible dureté. La trempe s effectue généralement dans l eau, l huile ou encore à l air (vitesses de refroidissement différentes). Durant ce refroidissement rapide à partir de l austénite (cfc), le réseau va tendre à se rapprocher de sa structure d équilibre (cc) sans toutefois y parvenir en raison des atomes de carbone insérés dans celui-ci. Ce réseau devient quadratique centré instantanément, sans grand mouvement d atomes (sans diffusion), cette nouvelle structure se nomme martensite. Ce constituant sursaturé en carbone provoque la distorsion du réseau, ce qui donne une grande dureté et une grande fragilité. L effet d une trempe sur un acier est influencé par la teneur en carbone de celui-ci, du pourcentage d éléments d alliages ainsi que par la vitesse du refroidissement. Pour mettre en évidence la cinétique de cette transformation, le diagramme TRC (Transformation en Refroidissement Continu) est utilisé. Fig. 3 Réseau de mailles d austénite. Les triangles représentent les sites octaédriques (au centre de chaque maille ainsi qu au centre de chaque arrête), positions possibles des atomes de carbone. Fig. 4 Transformation martensitique. Réorganisation sans diffusion, de façon à se rapprocher de la structure cubique centrée, stable à basse température. - Revenu : comme dit plus haut, la trempe durci l acier, mais le rend généralement trop fragile pour être utilisé tel quel. C est pourquoi un revenu est systématiquement effectué à la suite d une trempe. La durée de celui-ci est de 30min et la température varie généralement entre 200 C et 600 C selon les aciers et les propriétés mécaniques désirées. Le revenu a pour but d éliminer les contraintes internes provenant de la trempe et d augmenter la ténacité. Plus simplement, il permet de faire un compromis entre dureté et fragilité. C. Dénéréaz,

4 Diagramme TRC La vitesse de refroidissement conditionne chaque traitement thermique de l acier. Le diagramme TRC donne pour un acier préalablement austénitisé, les structures et duretés que l on peut obtenir selon diverses vitesses de refroidissement. Fig. 5 Exemple de lecture d un diagramme TRC (ici sans indication de dureté) Essai Jominy L essai Jominy se passe en deux étapes ; la trempe en bout ; puis la mesure de la dureté le long de l éprouvette, et a pour but de mettre en évidence la trempabilité d un acier. Après l austénitisation, l éprouvette est rapidement portée sur le dispositif de trempe où elle est suspendue verticalement au-dessus d une buse débitant de l eau froide à pression constante. Après le refroidissement qui doit durer au minimum 10min, l éprouvette peut être retirée pour la refroidir complètement dans l eau. Un plat doit ensuite être usiné le long de la génératrice, il doit être réalisé avec précaution pour éviter tout revenu par échauffement excessif. Pour évaluer l effet des différentes vitesses de refroidissement, on mesure la dureté sur le plat, en fonction de la position par rapport à la surface de trempe. Fig. 6 Schématisation de la trempe en bout C. Dénéréaz,

5 LMM Laboratoire de Métallurgie Mécanique Les courbes de refroidissement ci-dessous montrent que la vitesse de refroidissement diminue très rapidement vers l intérieur de l éprouvette. Pour des aciers montrant des courbes TRC ayant le début de transformation perlitique déjà à environ 1s, une trempe à l eau ne provoquera la formation de martensite uniquement dans les premiers 1 à 2mm sous la surface. On parle alors de mauvaise trempabilité. Fig. 7 Courbe de refroidissement à différentes profondeurs de l éprouvette Jominy. Pour améliorer la profondeur de trempe (trempabilité) des aciers au carbone, on ajoute un faible pourcentage, entre 0.5 et 5% d autres éléments, notamment Mn, Ni, Cr, Mo, V etc. (aciers faiblement alliés). A l exception du Co et de l Al, presque tous les éléments retardent la vitesse de transformation, c est-à-dire, poussent les «nez» du diagramme TRC vers la droite. Un acier de bonne trempabilité permet non seulement d obtenir une trempe à cœur, mais également d effectuer la trempe dans l huile ou encore à l air. Ces milieux de trempe permettent un traitement moins brutal et permet ainsi de diminuer les fissures de trempe dues aux forte contraintes thermomécaniques. Fig. 8 Influence du pourcentage de carbone et des éléments d alliage sur la trempabilité C. Dénéréaz,

6 Partie expérimentale Buts - Comprendre l influence des éléments d alliages sur l aptitude à la trempe des aciers. - Comprendre et utiliser le diagramme de phase Fe-C ainsi que le diagramme TRC. - Tracer des courbes de pénétration de trempe. Instruments à disposition - Four de traitement thermique pour l austénitisation - Dispositif de trempe Jominy - Duromètre pour la mesure de dureté Vickers (HV) et dispositif de positionnement pour éprouvette Jominy Echantillons - Eprouvette Jominy en acier pour l austénitisation et la trempe en bout. - Eprouvette Jominy en acier Ck45, déjà trempée et rectifiée pour la mesure de dureté. - Eprouvette Jominy en acier 42CrMoS4, déjà trempée et rectifiée pour la mesure de dureté. Remarque : pour des raisons d organisation, la rectification des éprouvettes, étape demandant l intervention de l atelier mécanique, a été préalablement effectuée. Acier (DIN) Composition en %poids Böhler N matière T aus [ C] Trempe Ck %C, 0.40%Si, %Mn, 0.63%(Cr+Mo+Ni) V Eau ou huile 42CrMoS %C, 0.40%Si, %Mn, %Cr, %Mo V Eau ou huile Tab. 1 Matières fournies pour le TP Travail à faire - Préparer le dispositif de trempe Jominy, régler la hauteur du jet d eau sans éprouvette, à 65 ±10mm de la buse, fermer la vanne «rapide». Sortir l éprouvette du four et la transférer rapidement sur le dispositif Jominy, stabiliser l éprouvette puis ouvrir immédiatement la vanne «rapide». Laisser refroidir complétement. Remarque : pour des raisons d organisation, l éprouvette a été mise dans le four avant le début du TP pour l austénitisation. - Mesurer la dureté des deux types d acier en fonction de la position par rapport à leur surface de trempe. Pour ce faire, utiliser le duromètre Vickers (charge HV30) et le dispositif de positionnement afin de prendre les valeurs de dureté pour les distances : 1.5, 3, 5, 8, 12, 18, 26, 36, 50 et 70mm. Remarque, les distances de mesures ont été adaptées de la norme pour ce TP. - Tracer les courbes de pénétration de trempe pour les deux types d acier. - Evaluer les résultats et en déduire les vitesses de refroidissement. C. Dénéréaz,

7 Bibliographie C. West, M. Wegst, Stahlschlüssel, Verlag Stahlschlüssel Wegst GmbH 2007 G. Dupraz, Métallurgie structurale Traitements des métaux, Fédération des Ecoles Techniques, réédition 2000 L. Weber, J.-M. Drezet, Travaux pratiques Matériaux TPI (MX2) et Métaux et alliages (GM2), Polycopié EPFL, édition 2010 Norme NF EN ISO 642, Essai de trempabilité par trempe en bout (Essai Jominy), 1999 BÖHLER-UDDEHOLM SUISSE SA, fiches matière C. Dénéréaz,

8 LMM Laboratoire de Métallurgie Mécanique Annexe Fig. 9 Diagramme TRC de l acier Ck45 Diagrammes TRC des aciers utilisés dans ce TP C. Dénéréaz,

9 Fig. 10 Diagramme TRC de l acier 42CrMoS4 LMM Laboratoire de Métallurgie Mécanique C. Dénéréaz,