Cours 8-2 Transformation des phases et Traitements thermiques des aciers Technologie des matériaux 1 Contenu Transformation des phases Cinétique des réactions: vitesse de transformation Transformation isothermes: Formation de la perlite Formation de la bainite Formation de la sphéroïdite Formation de la martensite et de la martensite de revenu Transformation en refroidissement continu Traitement thermique des aciers Traitement thermique dans la masse: trempabilité Traitements de surface Les récuits Traitements thermochimiques: carburation, nitruration etc.. Traitement thermique des alliages d aluminium Technologie des matériaux 2 1
Transformation de phases Technologie des matériaux 3 Traitements thermique des alliages ferreux Modifier la nature des constituants présents durcissement par trempe durcissement par précipitation recuit et traitement par froid Modifier la forme et la répartition des constituants recuit de globulisation traitement d affinage structural recuit de grossissement du grain recuit de recristallisation traitement de normalisation Technologie des matériaux 4 2
Buts des traitements thermiques Provoquer la formation des microstructures favorables pour la mise en forme traitement d adoucissement revenu classique Éliminer les contraintes internes ou modifier leur répartition avec modification de la microstructure revenu de détente Rétablir les propriétés mécaniques d un acier écroui. traitement de restauration Atténuer les hétérogénéités de composition chimique recuit d homogénéisation Technologie des matériaux 5 Étapes d un traitement thermique Chauffage Palier à température constante Refroidissement Vitesses de refroidissement V1 V2 V3 Temps Technologie des matériaux 6 3
Facteurs influençant les propriétés d un traitement thermique température de traitement. temps de maintien à la température de traitement. nuance (type d alliage) du matériau. travaux effectués sur le matériau. nombre de cycles (nombre de traitements). mode de vieillissement. Vitesse de refroidissement Type et température du milieu de trempe Agitation du milieu de trempe Technologie des matériaux 7 Identification de l état d un matériau F O W T Tel que fabriqué Recuit, recristallisé Trempe instable Traitement thermique» T 3 Mise en solution, écroui et vieilli ; produit rigide» T 4 semblable au T3 mais sans écrouissage» T 6 Mise en solution et revenu; produit très rigide» T 7 Mise en solution et stabilisé» T 8 Mise en solution, écroui et vieilli artificiellement Technologie des matériaux 8 4
Formation de : la perlite la bainite martensite Technologie des matériaux 9 100 % perlite 100 % martensite Technologie des matériaux 10 50 % perlite 50% bainite 5
1 4 1 3 3 4 2 4 2 3 4 Technologie des matériaux 11 TTT des aciers et microstructure Fe-Fe3C TTT Diagram, Adapté de Callister page. 295, Fig. 10.6 Par M. Rainville Technologie des matériaux 12 6
La bainite vue aux microscopes Fe 3 C dans une matrice de ferrite Microscope optique MEB Technologie des matériaux 13 Transformation martensitique Technologie des matériaux 14 7
Martensite en aiguille Se forme si % C > 0.6 Technologie des matériaux 15 Parcours temps-température et TTT Adapé de Material Scince & Technology par Rainville et Nourelphat Technologie des matériaux 16 8
Revenu après une trempe Améliorer la ténacité et la formabilité du matériau trempé. Baisser Rm, Re et la dureté. Relaxer les contraintes résiduelles. A3 A1 500 T ( C) Revenu classique haute température Tr Traitement cryogénique en dessous de 200 C Revenu basse température 200 Temps : tr Temps : tr temps Technologie des matériaux 17 Recuit des alliages à base de fer A 1 limite inf. de la transformation eutectoïde Technologie des matériaux 18 9
Influence de la teneur de carbone sur la dureté de la martensite Technologie des matériaux 19 Variation de Ms en fonction de la teneur en carbone Technologie des matériaux 20 10
Traitements thermiques dans la masse Technologie des matériaux 21 Trempabilité d un acier Capacité d un acier donné à se transformer en martensite dans des conditions de refroidissement données. Mesurée par la diminution de la dureté en fonction de l augmentation de la distance sous la surface et donc d une teneur en martensite faible. Déterminée par le diamètre critique : celui d une barre trempée dont le centre contient 50% perlite et 50% de la martensite. Évaluée par l essai Jominy. Technologie des matériaux 22 11
1060 5160 8660 Vitesse de refroidissement Vr max Diamètre : 25.4 mm ( 24 C) Technologie des matériaux 23 Extrémités trempés ont le même dureté car même % de C Meilleur trempabilité 8660 Cr, Ni, Mo 5160 0.88%Cr 1060 Profondeurs de trempe Céq %C %Mn 6 %Cr %Mo 5 %V %Ni %Cu 15 Technologie des matériaux 24 12
Millieux de trempe Par ordre de sévérité décroissante Solutions d eau et de sel L eau Huiles Brouillards (air contenant des gouttelettes d eau) Bains fluidisés (courant gazeux contenant des particules en suspension). L air et les gaz. Choisir le bain qui donne les résultats escomptés tout en étant le moins sévère possible, pour éviter des fissures, ruptures suites aux gradients de température très élevé. Technologie des matériaux 25 Céq %C %Mn 6 Carbone équivalent %Cr %Mo 5 %V %Ni %Cu 15 Plus Céq est élevé. Plus l acier est trempable Moins l acier est soudable Plus le pourcentage de carbone est élevé, plus l acier est trempable. Les aciers alliés (Ni-Cr-Mo) suivants sont classés par ordre de trempabilité croissante: 8620, 8630, 8640 et 8660. Technologie des matériaux 26 13
Carbone équivalent et soudabilité Céq %C %Mn 6 %Cr %Mo 5 %V %Ni %Cu 15 Plus Céq est élevé, moins l acier est soudable. Céq < 0.45 % moins de risque de fissure dans la zone soudée et aucun traitement thermique n est nécessaire pour prévenir les fissures dans la ZAT. 0.45% < Céq < 0.60 % propice aux fissures. Traitement thermique nécessaire après le soudage. Céq > 0.60% risque élevé de fissuration.» Pre-chauffage et traitement thermique nécessaires. Technologie des matériaux 27 Fig.10.5 Schéma de 3 types de traitement Surface trempe martensitique directe (continue) coeur trempe bainitique - Plus rapide: 1 seul traitement contre 2 (trempe et revenu) : 40-50HRC. - Moins de déformations - Meilleur ductilité trempe martensitique étagée - Moins de contraintes. - Moins de déformations - Conseillée pour des pièces délicates Technologie des matériaux 28 14
Technologie des matériaux 29 Actions des éléments d addition Éléments alphagènes ( -gènes): Cr, Mo, Ti, W, V, Nb, Si, B, S Rétrécit le domaine de stabilité de (austénite) Augmente la température des transformations des phases Éléments gènes: Mn, Ni. (Voir Fig 10.10 p487) Élargissent le domaine de stabilité de (austénite) Abaisse la température des transformations Permet de garder une structure austénitique à température ambiante Éléments qui forment des carbures: Cr, W, Mo, V, Ti, Nb se substituent en partie à Fe dans Fe 3 C Amélioration de la résistance à l usure Éléments formant une solution solide dans (Si, Ni) Ni freine la croissance du grain austénitique et améliore moyenne la trempabilité Technologie des matériaux 30 15
Effet du Cr (alphagène) sur le domaine d austénite Pour 0% de C Disparition du domaine Si %Cr > 12.8% Disparition complète de pour %Cr > 20% Augmentation de la température des transformations Technologie des matériaux 31 Effets des éléments -gènes et -gènes sur les domaines et Effet de Mn ou Ni ( -gène) Effet des -gènes Technologie des matériaux 32 16
Traitements de surface Technologie des matériaux 33 Trempe superficielle Aciers ordinaires % C: 0.30 à 0.50 % Épaisseur trempée inférieur à 1 mm Technologie des matériaux 34 17
Trempe par induction d un arbre cannelé Technologie des matériaux 35 Les recruits Technologie des matériaux 36 18
Étapes RECUITS Chauffage jusqu à obtention de la température désirée. Maintient de la température pendant le temps d incubation. Refroidissement à la température ambiante Chauffage Palier à température constante Refroidissement Technologie des matériaux 37 Temps RECUITS Buts: Traitement thermique qui: Élimine les contraintes résiduelles (de trempe, soudage, forgeage, laminage) Diminue de la dureté Améliore de la ténacité et de la ductilité Produit une microstructure désirée Technologie des matériaux 38 19
RECUITS Étapes Chauffage jusqu à obtention de la température désirée. Maintient de la température pendant le temps d incubation. Refroidissement à la température ambiante Temps et température Gradient de température entre extérieur et coeur de la pièce. Si gradient T rapide ----> contraintes internes--> fissures. Accélérer le recuit en augmentant la T ---> accélérer mécanisme de diffusion Technologie des matériaux 39 Types de recuit et buts Recristallisation: 500 à 700 C Atténuer ou éliminer les effets d écrouissage. Détente: 500 à 650 C Éliminer les contraintes résiduelles dans les pièces Pour les alliages ferreux Normalisation: A3 + 50 + refroidissement à l air Acier plus tenace (grains de perlite fins et à taille uniforme). Complet: idem à normalisation mais refroidit au four Sphéroidïsation Technologie des matériaux 40 20
Recuit de recristallisation Recristallisation But: atténuer ou éliminer les effets d écrouissage. Réduction des risques de déchirure réduction de la quantité d énergie requise pour le formage Obtenir une microstructure à grains fins. Interruption du TTT avant la croissance des grains Pour éviter l oxydation de la surface recuit dans une atmosphère non oxydante ou recuit à basse température mais > T recristallisation Technologie des matériaux 41 Restauration des propriétés L amélioration de la ténacité s accompagne d une diminution de la dureté et d une baisse de Re. Restauration facilitée par un augmentation de la température qui favorise la diffusion. Processus de restauration: polygonisation recristallisation croissance du grain Technologie des matériaux 42 21
Processus de restauration Polygonisation ou récuit de détente: Chauffage du métal déformé (élimination des contraintes résiduelles) disparition des défauts ponctuels (lacunes et atomes interstiticiels) Baisse de la résistivité électrique. Nouvelle réapparition et réarrangement des dislocations sous forme de Polygone. Recristallisation Chauffage à une température de l ordre de 0.6 Tf (alliages). Ré-agencement des atomes des grains déformés pour former des grains nouveaux (orientés au hasard)---> germination. Croissance des grains germés Technologie des matériaux 43 Schéma de la recristallisation Écroui Formation de nouveaux grains Germination et croissance des grains Technologie des matériaux 44 22
Variation des propriétés mécaniques en fonction de la température de recuit: cas du laiton Source: Calister Technologie des matériaux 45 Réduction de la croissance des grains par des particules insolubles (Nb) Technologie des matériaux 46 23
Températures de recristallisation Métaux purs: Tr = 0.3 à 0.5 Tf Alliages: Tr = 0.7 Tf Métaux Température de recristallisation Tr ( C) Température de fusion : Tf ( C) Zinc 10 420 Al (99.999% m) 80 660 Cuivre (99.999%m) 120 1085 Nickel (99.99%m) 370 1455 Fer 450 1538 Tungstène 1200 3410 Technologie des matériaux 47 Recuit Normalisation Spheroidisation et Recuit complet Technologie des matériaux 48 24
Recuit des alliages à base de fer A 1 limite inf. de la transformation eutectoïde Technologie des matériaux 49 Recuit des alliages à base de fer Normalisation T = A 3 (ou A m ) + 55 à 85 C Maintient jusqu a ce que l alliage se transforme en austénite Refroidissement dans l air Perlite fine plus tenace Recuit complet T = A 1 ou 3 + (15 à 40 C) Refroidissement - four éteint perlite grossière + ph pro-eutectoïde (ductile et douce) Sphéroïdisation Aciers à faible %C (usinage, formage) T A 1 Refroid. 15-25 heures Fe3C ---> particules sphéroïdales Aciers sphéroïdisés (doux et ductiles) Technologie des matériaux 50 25
Température ( C) Re, Rm et A% des aciers normalisés en fonction du %C Technologie des matériaux 51 Autres domaines 1300 1100 homogénéisation ( 1000 <T < 1200 C) 900 700 500 globulisation recristallisation relaxation 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 % carbone Technologie des matériaux 52 26
Recuit de globulisation 0: État initial (perlite lamellaire) 1: Début de globulisation Fe 3 C ferrite 2: Fin du recuit (perlite globulaire) Fe 3 C ferrite Technologie des matériaux 53 Recuit de détente Éliminer les contraintes résiduelles dans les pièces Procédé Chauffer la pièce assez longtemps pour porter toutes les parties à une température donnée. Laisser refroidir dans l air à la température ambiante. Température de détente basse conservation des propriétés obtenues en écrouissage ou lors des autres TTT. Technologie des matériaux 54 27
Comparaison des propriétés des alliages: Etats récuit et vieilli Technologie des matériaux 55 Traitements thermochimiques On fait diffuser sous la surface de la pièce (1 à 2 mm) un élément en solution d insertion. Carbone (C) : carburation Azote (N) : nitruration Carbone + azote : carbonitruration Technologie des matériaux 56 28
Traitements thermochimiques carburation, nitruration et carbonitruration But: Obtenir une surface dure et résistante Processus: diffusion d un élément en solution d insertion sous la surface de la pièce (1 à 2 mm). Carbone (C) : carburation ou cémentation Aciers à bas carbone ( 0.10 à 0.25 %) Opération dans le domaine austénitique : vers 900 C Milieux de carburation solide: mélange de charbon et d oxyde de fer. liquides: bains de cyanures fondus gazeux: mélange de CO+ CO2 + hydrocarbures Technologie des matériaux 57 Traitements thermochimiques carburation, nitruration et carbonitruration Azote (N) : nitruration Aciers à moyen % carbone (0.40 %) + Al, Cr, Mn, Si mise en solution dans le domaine C Solubilité max de N dans Fe = 0.4 % à 590 C Formation des nitrures finement dispersés. durcissement par addition des formateurs de nitrures (Al, Cr.V) Agents de nitruration liquides: bains de cyanures fondus gazeux: amoniac Carbone + azote : carbonitruration Technologie des matériaux 58 29
Transformations de phase : Fe-C Austénite Refroidissement lent Refroidissement mi-rapide Refroidissement rapide Perlite ( + Fe 3 C) + phase pro-eutectoïde Bainite (phases + Fe 3 C) Martensite (Phase quadratique centrée) Rechauffage Martensite revenue (phases + Fe 3 C) Technologie des matériaux 59 Traitements thermique des produits ferreux Traitement thermique dans la masse Recuits et traitement connexes Recuit complet d homogénéisation de globulisation de grossissement du grain Traitements d affinage structural d adoucissement de normalisation de relaxation de recristallisation Durcissement par trempe classique Par trempe étagée isotherme Technologie des matériaux 60 conventionnel Revenu détente 30
Recuit des alliages à base de fer Normalisation T = A 3 (ou A m ) + 55 à 85 C Maintient jusqu a ce que l alliage se transforme en austénite Refroidissement dans l air Perlite fine plus tenace Recuit complet T = A 1 ou 3 + (15 à 40 C) Refroidissement - four éteint perlite grossière + ph pro-eutectoïde (ductile et douce) Sphéroïdisation Aciers à faible %C (usinage, formage) T A 1 Refroid. 15-25 heures Fe3C ---> particules sphéroïdales Aciers sphéroïdisés (doux et ductiles) Technologie des matériaux 61 FIN Technologie des matériaux 62 31
Traitements thermiques des alliages d aluminium Homogénéisation: (Produits moulés): Maintient à température élevée pendant 6 à 48 h Buts: Modifier la structure pour une meilleure mise en forme; Améliorer les propriétés Recristallisation: Maintient à 320 et 400 C pendant 1/2 à 2 h But: Supprimer totalement les effets d écrouissage des alliages corroyés; Restauration: Maintient à 240 et 280 C pendant 1 à 4 h But: Supprimer partiellement les effets d écrouissage des alliages corroyés Technologie des matériaux 63 Traitements thermiques des alliages d aluminium Durcissement par trempe ou durcissement structural : (séries 2000 (Al-Cu); 6000 (Al-Si-Mg); 7000 (Al-Zn): Principes Mise en solution Alliages moulés : 6 à 12h Alliages corroyés: 1 h pour 10 mm d Épaisseur et 30 min de plus pour chaque 10 mm supplémentaires Trempe : eau froide, eau chaude ou émulsion de polymères Revenu pour obtenir T6 : entre 160 C et 200 C pendant 6 à 24 h. Buts: Améliorer les propriétés mécaniques (Re, Rm et dureté) Technologie des matériaux 64 32
Traitements thermiques des alliages d aluminium Traitements de base Symboles Vielli T4 Sans écrouissage Revenu T6 Avec mise en solution Sur revenu T7 séparée Écroui et Vieilli T3 Avec écrouissage Écroui et Revenu T8 Revenu et écroui T9 Sans écrouissage Vieilli T1 Sans mise en solution Revenu T5 séparée Revenu et écroui T10 Avec écrouissage Vieilli T11 Revenu T12 Technologie des matériaux 65 Temps de montée en température Le temps de chauffage est déterminé par la vitesse de circulation de l air chaud t = P C Tr -Ti log S a T -T T (h): temps de chauffage P (kg) : Poids du métal à traiter S (m 2 ) : Surface du métal Ti ( C): température initiale Tf ( C): température finale Tr ( C): température du courant d air r f C (kcal/kg C): chaleur spécifique du métal a (kcal/m 2 h C): coefficient de transmission de chaleur. Il est lié à la vitesse de passage de l air À 0.3 m/s, a = 8 2 m/s, a = 16 10 m/s, a = 35 à 40 20 m/s, a = 66 Technologie des matériaux 66 33