Nick Connor

La résistance et la dureté sont des propriétés matérielles différentes. La résistance est la capacité d’un matériau à résister à la déformation, tandis que la dureté est la capacité à résister à l’indentation et aux rayures de la surface. Ces propriétés ne sont pas interchangeables, mais leurs améliorations sont basées sur des procédures similaires mais pas identiques.

La haute résistance des matériaux est utile dans de nombreuses applications. Une application principale des matériaux renforcés est la construction. Afin d’avoir des bâtiments et des ponts plus solides, il faut avoir une charpente solide qui peut supporter une charge de traction ou de compression élevée et résister à la déformation plastique. Les outils sont également basés sur des matériaux à haute résistance (par exemple, l’acier à outils ou le cuivre au béryllium).

Une dureté élevée des matériaux est requise pour d’autres applications. Une application principale des matériaux durcis concerne les outils de coupe de machines (forets, tarauds, outils de tour), qui doivent être beaucoup plus durs que le matériau sur lequel ils fonctionnent pour être efficaces. Ces outils de coupe sont généralement en acier rapide. Les lames de couteau utilisent également des aciers à haute dureté pour garder un tranchant de lame. Les roulements doivent avoir une surface très dure qui résistera aux contraintes continues.

Renforcement des métaux

La résistance des métaux et des alliages peut être modifiée par diverses combinaisons de travail à froid, d’alliage et de traitement thermique. Comme indiqué dans la section précédente, la capacité d’un matériau cristallin à se déformer plastiquement dépend en grande partie de la capacité de la dislocation à se déplacer dans un matériau. Par conséquent, empêcher le mouvement des dislocations entraînera le renforcement du matériau. Par exemple, une microstructure avec des grains plus fins se traduit généralement à la fois par une résistance plus élevée et une ténacité supérieure par rapport au même alliage avec des grains physiquement plus gros. En cas de taille de grain, il peut également y avoir un compromis entre les caractéristiques de résistance et de fluage. D’autres mécanismes de renforcement sont obtenus au détriment d’une ductilité et d’une ténacité inférieures. Il existe de nombreux mécanismes de renforcement, notamment:

• Renforcement de solution solide (alliage)
• Ecrouissage (travail à froid)
• Durcissement par précipitation
• Raffinement du grain
• Durcissement par transformation

Dureté et résistance à la traction

Outre la corrélation entre les différents nombres de dureté, il existe également des corrélations possibles avec d’autres propriétés des matériaux. Par exemple, pour les aciers au carbone ordinaires traités thermiquement et les aciers moyennement alliés, une autre conversion pratique est celle de la dureté Brinell en résistance à la traction ultime. Dans ce cas, la résistance à la traction ultime (en psi) est approximativement égale à l’indice de dureté Brinell multiplié par 500. Généralement, une dureté élevée indiquera une résistance relativement élevée et une faible ductilité du matériau.

Dans l’industrie, les essais de dureté sur métaux sont principalement utilisés pour contrôler la qualité et l’homogénéité des métaux, notamment lors des opérations de traitement thermique. Les tests peuvent généralement être appliqués au produit fini sans dommage significatif.

Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993.
US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir ci-dessus:
Travail des métaux

Renforcement des métaux

La résistance des métaux et des alliages peut être modifiée par diverses combinaisons de travail à froid, d’alliage et de traitement thermique. Comme indiqué dans la section précédente, la capacité d’un matériau cristallin à se déformer plastiquement dépend en grande partie de la capacité de la dislocation à se déplacer dans un matériau. Par conséquent, empêcher le mouvement des dislocations entraînera le renforcement du matériau. Par exemple, une microstructure avec des grains plus fins se traduit généralement à la fois par une résistance plus élevée et une ténacité supérieure par rapport au même alliage avec des grains physiquement plus gros. En cas de taille de grain, il peut également y avoir un compromis entre les caractéristiques de résistance et de fluage. D’autres mécanismes de renforcement sont obtenus au détriment d’une ductilité et d’une ténacité inférieures. Il existe de nombreux mécanismes de renforcement, notamment:

• Renforcement de solution solide (alliage)
• Ecrouissage (travail à froid)
• Durcissement par précipitation
• Raffinement du grain
• Durcissement par transformation

Écrouissage – travail à froid

L’écrouissage est également appelé écrouissage ou travail à froid. Il s’agit d’une méthode de renforcement souvent utilisée dans les matériaux dont la résistance ne peut être augmentée par un traitement thermique, par exemple par des changements dans leur composition de phase. L’endurcissement au travail peut être souhaitable, indésirable ou sans conséquence, selon le contexte. C’est ce qu’on appelle le travail à froid car la déformation plastique doit se produire à une température suffisamment basse pour que les atomes ne puissent pas se réorganiser. La façon la plus simple de travailler à froid consiste à battre une pièce de métal chauffée au rouge sur une enclume. Le travail à froid est un processus qui consiste à rendre un métal plus dur et plus résistant par déformation plastique. Lorsqu’un métal est déformé plastiquement, les dislocations mouvement et des dislocations supplémentaires sont générées. Les dislocations peuvent se déplacer si les atomes de l’un des plans environnants rompent leurs liaisons et se recollent avec les atomes au bord de terminaison. La densité de dislocations dans un métal augmente avec la déformation ou le travail à froid en raison de la multiplication des dislocations ou de la formation de nouvelles dislocations. Plus il y a de dislocations dans un matériau, plus elles interagissent et s’épinglent ou s’emmêlent. Il en résultera une diminution de la mobilité des luxations et un renforcement du matériau. Le travail à froid consiste à réduire l’épaisseur d’un matériau. Les tôles et tôles d’épaisseurs différentes sont produites par laminage à froid. Les fils et les tubes de différents diamètres et épaisseurs de paroi sont produits par étirage. Tous les alliages d’aluminium peuvent être renforcés par travail à froid.

Les alliages qui ne se prêtent pas au traitement thermique, y compris l’acier à faible teneur en carbone, sont souvent écrouis. Certains matériaux ne peuvent pas être écrouis à basse température, comme l’indium, mais d’autres ne peuvent être renforcés que par écrouissage, comme le cuivre pur et l’aluminium.

L’écrouissage est l’une des étapes de la courbe contrainte-déformation est la région d’écrouissage. Cette région commence lorsque la déformation dépasse la limite d’élasticité et se termine au point de résistance ultime, qui est la contrainte maximale indiquée sur la courbe contrainte-déformation. Dans cette région, la contrainte augmente principalement à mesure que le matériau s’allonge, sauf qu’il y a une région presque plate au début.

Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993.
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JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

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Travail des métaux

Renforcement des métaux

La résistance des métaux et des alliages peut être modifiée par diverses combinaisons de travail à froid, d’alliage et de traitement thermique. Comme indiqué dans la section précédente, la capacité d’un matériau cristallin à se déformer plastiquement dépend en grande partie de la capacité de la dislocation à se déplacer dans un matériau. Par conséquent, empêcher le mouvement des dislocations entraînera le renforcement du matériau. Par exemple, une microstructure avec des grains plus fins se traduit généralement à la fois par une résistance plus élevée et une ténacité supérieure par rapport au même alliage avec des grains physiquement plus gros. En cas de taille de grain, il peut également y avoir un compromis entre les caractéristiques de résistance et de fluage. D’autres mécanismes de renforcement sont obtenus au détriment d’une ductilité et d’une ténacité inférieures. Il existe de nombreux mécanismes de renforcement, notamment:

• Renforcement de solution solide (alliage)
• Ecrouissage (travail à froid)
• Durcissement par précipitation
• Raffinement du grain
• Durcissement par transformation

Solid Solition Renforcement – Alliage

Des atomes de différents éléments dissous dans la phase matricielle peuvent conduire à son renforcement par un renforcement en solution solide. Les métaux de haute pureté sont presque toujours plus mous et plus faibles que les alliages composés du même métal de base. L’augmentation de la concentration de l’impureté entraîne une augmentation concomitante des résistances à la traction et à l’élasticité. Le soluté peut s’incorporer dans le réseau cristallin de solvant par substitution, en remplaçant une particule de solvant dans le réseau, ou de manière interstitielle, en s’insérant dans l’espace entre les particules de solvant. Cela impose des contraintes de réseau sur les atomes environnants, ce qui entraîne un champ de contraintes de réseau. Même de petites quantités de soluté peuvent affecter les propriétés électriques et physiques du solvant. Acier, probablement le métal de structure le plus courant, est un bon exemple d’alliage. C’est un alliage de fer et de carbone, avec d’autres éléments pour lui donner certaines propriétés souhaitables. L’ajout d’une petite quantité de carbone non métallique au fer échange sa grande ductilité contre une plus grande résistance. L’ajout d’une petite quantité de carbone non métallique au fer échange sa grande ductilité contre une plus grande résistance. Pour les alliages non ferreux, le manganèse et le magnésium sont des exemples d’éléments ajoutés à l’aluminium à des fins de renforcement en solution solide.

Agents d’alliage

Le fer pur est trop mou pour être utilisé à des fins de structure, mais l’ajout de petites quantités d’autres éléments (carbone, manganèse ou silicium par exemple) augmente fortement sa résistance mécanique. Les alliages sont généralement plus résistants que les métaux purs, bien qu’ils offrent généralement une conductivité électrique et thermique réduite. La résistance est le critère le plus important par lequel de nombreux matériaux de structure sont jugés. Par conséquent, les alliages sont utilisés pour la construction mécanique. L’effet synergique des éléments d’alliage et du traitement thermique produit une grande variété de microstructures et de propriétés.

• Carbone. Le carbone est un élément non métallique, qui est un élément d’alliage important dans tous les matériaux à base de métaux ferreux. Le carbone est toujours présent dans les alliages métalliques, c’est-à-dire dans toutes les nuances d’acier inoxydable et les alliages résistants à la chaleur. Le carbone est un austénitisant très puissant et augmente la résistance de l’acier. En fait, c’est le principal élément durcissant et il est essentiel à la formation de la cémentite, Fe₃C, perlite, sphéroïdite et martensite fer-carbone. L’ajout d’une petite quantité de carbone non métallique au fer échange sa grande ductilité contre une plus grande résistance. S’il est combiné avec du chrome en tant que constituant séparé (carbure de chrome), il peut avoir un effet néfaste sur la résistance à la corrosion en éliminant une partie du chrome de la solution solide dans l’alliage et, par conséquent, en réduisant la quantité de chrome disponible pour assurer résistance à la corrosion.
• Chrome. Le chrome augmente la dureté, la résistance et la résistance à la corrosion. L’effet de renforcement de la formation de carbures métalliques stables aux joints de grains et la forte augmentation de la résistance à la corrosion ont fait du chrome un matériau d’alliage important pour l’acier. La résistance de ces alliages métalliques aux effets chimiques des agents corrosifs repose sur la passivation. Pour que la passivation se produise et reste stable, l’alliage Fe-Cr doit avoir une teneur minimale en chrome d’environ 11 % en poids, au-dessus de laquelle la passivation peut se produire et en dessous de laquelle elle est impossible. Le chrome peut être utilisé comme élément de durcissement et est fréquemment utilisé avec un élément de durcissement tel que le nickel pour produire des propriétés mécaniques supérieures. À des températures plus élevées, le chrome contribue à une résistance accrue. Les aciers à outils rapides contiennent entre 3 et 5 % de chrome.
• Nickel. Le nickel est l’un des éléments d’alliage les plus courants. Environ 65 % de la production de nickel est utilisée dans les aciers inoxydables. Étant donné que le nickel ne forme aucun composé de carbure dans l’acier, il reste en solution dans la ferrite, renforçant et durcissant ainsi la phase de ferrite. Les aciers au nickel sont facilement traités thermiquement car le nickel réduit la vitesse de refroidissement critique. Les alliages à base de nickel (par exemple les alliages Fe-Cr-Ni(Mo)) présentent une excellente ductilité et ténacité, même à des niveaux de résistance élevés et ces propriétés sont conservées jusqu’à de basses températures. Le nickel réduit également la dilatation thermique pour une meilleure stabilité dimensionnelle. Le nickel est l’élément de base des superalliages, qui sont un groupe d’alliages de nickel, de fer-nickel et de cobalt utilisés dans les moteurs à réaction. Ces métaux ont une excellente résistance à la déformation par fluage thermique et conservent leur rigidité, leur résistance,
• Molybdène. Trouvé en petite quantité dans les aciers inoxydables, le molybdène augmente la trempabilité et la résistance, en particulier à haute température. Le point de fusion élevé du molybdène le rend important pour donner de la résistance à l’acier et à d’autres alliages métalliques à des températures élevées. Le molybdène est unique dans la mesure où il augmente les résistances à la traction et au fluage à haute température de l’acier. Elle retarde beaucoup plus la transformation de l’austénite en perlite que la transformation de l’austénite en bainite; ainsi, la bainite peut être produite par refroidissement continu d’aciers contenant du molybdène.
• Vanadium. Le vanadium est généralement ajouté à l’acier pour inhiber la croissance des grains pendant le traitement thermique. En contrôlant la croissance des grains, il améliore à la fois la résistance et la ténacité des aciers trempés et revenus. La taille du grain détermine les propriétés du métal. Par exemple, une taille de grain plus petite augmente la résistance à la traction et tend à augmenter la ductilité. Une taille de grain plus grande est préférée pour améliorer les propriétés de fluage à haute température. Le vanadium est ajouté pour favoriser la résistance à l’abrasion et produire des carbures durs et stables qui, n’étant que partiellement solubles, libèrent peu de carbone dans la matrice.
• Tungstène. Produit des carbures stables et affine la granulométrie afin d’augmenter la dureté, en particulier à haute température. Le tungstène est largement utilisé dans les aciers à outils rapides et a été proposé comme substitut du molybdène dans les aciers ferritiques à activation réduite pour les applications nucléaires. L’ajout d’environ 10 % de tungstène et de molybdène au total maximise efficacement la dureté et la ténacité des aciers rapides et maintient ces propriétés aux températures élevées générées lors de la coupe des métaux. Le tungstène et le molybdène sont interchangeables au niveau atomique et favorisent tous deux la résistance au revenu, ce qui améliore les performances de coupe de l’outil à des températures plus élevées.

Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993.
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Travail des métaux

Équation Hall-Petch – Méthode Hall-Petch

Le renforcement des joints de grains (ou renforcement Hall – Petch) est une méthode de renforcement des matériaux en modifiant leur taille moyenne de cristallite (grain). La taille du grain détermine les propriétés du métal. Par exemple, une taille de grain plus petite augmente la résistance à la traction et tend à augmenter la ductilité. Une taille de grain plus grande est préférée pour améliorer les propriétés de fluage à haute température. La diminution de la taille des grains est également un moyen efficace d’augmenter la ductilité. Lorsque la taille des grains est réduite, il y a plus de grains avec un plus grand nombre de plans de glissement arbitrairement alignés pour les dislocations dans les grains. Cela offre plus de possibilités pour qu’un certain glissement se produise dans un matériau sous contrainte. Les joints de grains agissent comme un obstacle au mouvement des dislocations pour les deux raisons suivantes:

1. La dislocation doit changer sa direction de mouvement en raison de l’orientation différente des grains.
2. Discontinuité des plans de glissement du grain un au grain deux.

Ainsi, le raffinement du grain fournit un moyen important d’améliorer non seulement la résistance, mais également la ductilité et la ténacité. De nombreux autres mécanismes de renforcement sont obtenus au détriment de la ductilité et de la ténacité. Pour de nombreux matériaux, la limite d’élasticité σ varie avec la taille des grains selon

σ _y = σ _y,0 + k/d ^x

Dans cette expression, appelée équation de Hall-Petch, k est une constante, d est le diamètre moyen des grains et σ_y,0 est la limite d’élasticité d’origine. Notez que cette équation n’est pas valable à la fois pour les matériaux polycristallins à grains très gros (c’est-à-dire grossiers) et à grains extrêmement fins.

L’effet synergique des éléments d’alliage et du traitement thermique produit une grande variété de microstructures et de propriétés des aciers.

• Vanadium. Le vanadium est généralement ajouté à l’acier pour inhiber la croissance des grains pendant le traitement thermique. En contrôlant la croissance des grains, il améliore à la fois la résistance et la ténacité des aciers trempés et revenus. La taille du grain détermine les propriétés du métal. Par exemple, une taille de grain plus petite augmente la résistance à la traction et tend à augmenter la ductilité. Une taille de grain plus grande est préférée pour améliorer les propriétés de fluage à haute température.
• Tungstène. Le tungstène produit des carbures stables et affine la taille des grains afin d’augmenter la dureté, en particulier à haute température. Le tungstène est largement utilisé dans les aciers à outils rapides et a été proposé comme substitut du molybdène dans les aciers ferritiques à activation réduite pour les applications nucléaires.

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Voir ci-dessus:
Travail des métaux

Renforcement des métaux

La résistance des métaux et des alliages peut être modifiée par diverses combinaisons de travail à froid, d’alliage et de traitement thermique. Comme indiqué dans la section précédente, la capacité d’un matériau cristallin à se déformer plastiquement dépend en grande partie de la capacité de la dislocation à se déplacer dans un matériau. Par conséquent, empêcher le mouvement des dislocations entraînera le renforcement du matériau. Par exemple, une microstructure avec des grains plus fins se traduit généralement à la fois par une résistance plus élevée et une ténacité supérieure par rapport au même alliage avec des grains physiquement plus gros. En cas de taille de grain, il peut également y avoir un compromis entre les caractéristiques de résistance et de fluage. D’autres mécanismes de renforcement sont obtenus au détriment d’une ductilité et d’une ténacité inférieures. Il existe de nombreux mécanismes de renforcement, notamment:

• Renforcement de solution solide (alliage)
• Ecrouissage (travail à froid)
• Durcissement par précipitation
• Raffinement du grain
• Durcissement par transformation

Raffinement des grains – Renforcement des limites des grains

Le renforcement des joints de grains (ou renforcement Hall – Petch) est une méthode de renforcement des matériaux en modifiant leur taille moyenne de cristallite (grain). La taille du grain détermine les propriétés du métal. Par exemple, une taille de grain plus petite augmente la résistance à la traction et tend à augmenter la ductilité. Une taille de grain plus grande est préférée pour améliorer les propriétés de fluage à haute température. La diminution de la taille des grains est également un moyen efficace d’augmenter la ductilité. Lorsque la taille des grains est réduite, il y a plus de grains avec un plus grand nombre de plans de glissement arbitrairement alignés pour les dislocations dans les grains. Cela offre plus de possibilités pour qu’un certain glissement se produise dans un matériau sous contrainte. Les joints de grains agissent comme un obstacle au mouvement des dislocations pour les deux raisons suivantes:

1. La dislocation doit changer sa direction de mouvement en raison de l’orientation différente des grains.
2. Discontinuité des plans de glissement du grain un au grain deux.

Ainsi, le raffinement du grain fournit un moyen important d’améliorer non seulement la résistance, mais également la ductilité et la ténacité. De nombreux autres mécanismes de renforcement sont obtenus au détriment de la ductilité et de la ténacité. Pour de nombreux matériaux, la limite d’élasticité σ varie avec la taille des grains selon

σ _y = σ _y,0 + k/d ^x

Dans cette expression, appelée équation de Hall-Petch, k est une constante, d est le diamètre moyen des grains et σ_y,0 est la limite d’élasticité d’origine. Notez que cette équation n’est pas valable à la fois pour les matériaux polycristallins à grains très gros (c’est-à-dire grossiers) et à grains extrêmement fins.

L’effet synergique des éléments d’alliage et du traitement thermique produit une grande variété de microstructures et de propriétés des aciers.

• Vanadium. Le vanadium est généralement ajouté à l’acier pour inhiber la croissance des grains pendant le traitement thermique. En contrôlant la croissance des grains, il améliore à la fois la résistance et la ténacité des aciers trempés et revenus. La taille du grain détermine les propriétés du métal. Par exemple, une taille de grain plus petite augmente la résistance à la traction et tend à augmenter la ductilité. Une taille de grain plus grande est préférée pour améliorer les propriétés de fluage à haute température.
• Tungstène. Le tungstène produit des carbures stables et affine la taille des grains afin d’augmenter la dureté, en particulier à haute température. Le tungstène est largement utilisé dans les aciers à outils rapides et a été proposé comme substitut du molybdène dans les aciers ferritiques à activation réduite pour les applications nucléaires.

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Travail des métaux

Trempe des métaux

En science des matériaux, la dureté est la capacité à résister à l’indentation de surface (déformation plastique localisée) et aux rayures. La dureté est probablement la propriété matérielle la plus mal définie car elle peut indiquer une résistance aux rayures, une résistance à l’abrasion, une résistance à l’indentation ou encore une résistance à la mise en forme ou à la déformation plastique localisée. La dureté est importante d’un point de vue technique car la résistance à l’usure par frottement ou érosion par la vapeur, l’huile et l’eau augmente généralement avec la dureté.

La trempe est un processus métallurgique de travail des métaux utilisé pour augmenter la dureté d’un métal. La dureté d’un métal est directement proportionnelle à la limite d’élasticité uniaxiale à l’emplacement de la déformation imposée. Pour améliorer la dureté d’un métal pur, nous pouvons utiliser différentes manières, parmi lesquelles:

• Méthode Hall-Petch
• Durcissement en solution solide (alliage)
• Ecrouissage (travail à froid)
• Durcissement par précipitation
• Trempe par transformation
• Durcissement par dispersion
• Durcissement superficiel

Durcissement par dispersion

Le durcissement par dispersion implique l’inclusion de petites particules dures dans le métal, limitant ainsi le mouvement des dislocations et augmentant ainsi les propriétés de résistance. Il est, à bien des égards, très similaire au durcissement par vieillissement. La différence réside dans les précipités eux-mêmes – les particules sont choisies en raison de leur stabilité thermique, c’est-à-dire leur résistance au grossissement ou à la croissance des particules à des températures élevées. Les particules dispersoïdes influencent la structure du grain. L’augmentation de la résistance est due à la structure granulaire formée à la suite de la présence de dispersoïdes.

Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993.
US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
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JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir ci-dessus:
Travail des métaux

Trempe des Métaux

En science des matériaux, la dureté est la capacité à résister à l’indentation de surface (déformation plastique localisée) et aux rayures. La dureté est probablement la propriété matérielle la plus mal définie car elle peut indiquer une résistance aux rayures, une résistance à l’abrasion, une résistance à l’indentation ou encore une résistance à la mise en forme ou à la déformation plastique localisée. La dureté est importante d’un point de vue technique car la résistance à l’usure par frottement ou érosion par la vapeur, l’huile et l’eau augmente généralement avec la dureté.

La trempe est un processus métallurgique de travail des métaux utilisé pour augmenter la dureté d’un métal. La dureté d’un métal est directement proportionnelle à la limite d’élasticité uniaxiale à l’emplacement de la déformation imposée. Pour améliorer la dureté d’un métal pur, nous pouvons utiliser différentes manières, parmi lesquelles:

• Méthode Hall-Petch
• Durcissement en solution solide (alliage)
• Ecrouissage (travail à froid)
• Durcissement par précipitation
• Trempe par transformation
• Durcissement par dispersion
• Durcissement superficiel

Durcissement par précipitation – Durcissement vieillissant

Durcissement par précipitation, également appelé durcissement par vieillissementou durcissement des particules, est une technique de traitement thermique basée sur la formation de particules extrêmement petites et uniformément dispersées (précipités) d’une seconde phase dans la matrice de phase d’origine pour améliorer la résistance et la dureté de certains alliages métalliques. Les particules de deuxième phase présentent un autre type d’obstacles au mouvement des dislocations, bien que les particules ne soient pas nécessairement des atomes uniques. La présence d’une particule de deuxième phase représente une distorsion dans le réseau matriciel. Par conséquent, les obstacles qui entravent le mouvement de dislocation sont soit le champ de contrainte autour des particules de seconde phase, soit les particules de seconde phase elles-mêmes, soit les deux. Le durcissement par précipitation est utilisé pour augmenter la limite d’élasticité des matériaux malléables, y compris la plupart des alliages structuraux d’aluminium, de magnésium, de nickel, de titane et de certains aciers et aciers inoxydables. Dans les superalliages, il est connu de provoquer une anomalie de la limite d’élasticité offrant une excellente résistance à haute température.

Les superalliages à base de nickel comprennent les alliages renforcés en solution solide et les alliages durcissables par vieillissement. Les alliages durcissables par vieillissement sont constitués d’une matrice austénitique (fcc) dispersée avec précipitation cohérente d’un intermétallique Ni₃ (Al,Ti) à structure fcc. Les superalliages à base de Ni sont des alliages avec du nickel en tant qu’élément d’alliage principal qui sont préférés comme matériau de lame dans les applications décrites précédemment, plutôt que des superalliages à base de Co ou de Fe. Ce qui est important pour les superalliages à base de Ni, c’est leur résistance élevée, leur résistance au fluage et à la corrosion à haute température. Il est courant de couler des aubes de turbine sous forme solidifiée directionnellement ou sous forme monocristalline.

Dans le cas des alliages d’aluminium, le renforcement par précipitation peut augmenter la limite d’élasticité de l’aluminium d’environ cinq fois jusqu’à environ quinze fois celle de l’aluminium non allié. En particulier, la série 2xxx, qui est alliée au cuivre, peut être durcie par précipitation à des résistances comparables à celles de l’acier. En termes de durcissement par vieillissement, les alliages aluminium-cuivre recuits en solution peuvent être vieillis naturellement à température ambiante pendant quatre jours ou plus pour obtenir des propriétés maximales telles que la dureté et la résistance. Ce processus est connu sous le nom de vieillissement naturel. Le processus de vieillissement peut également être accéléré à quelques heures après le traitement en solution et la trempe en chauffant l’alliage sursaturé à une température spécifique et en le maintenant à cette température pendant un temps spécifié. Ce processus est appelévieillissement artificiel. En règle générale, l’alliage d’aluminium 6061 est traité thermiquement à 533 °C (990 °F) pendant une période de temps suffisante, suivi d’une trempe dans l’eau. Le processus de durcissement par précipitation peut être effectué à 160 °C (320 °F) pendant 18 h suivi d’un refroidissement à l’air. Ce processus est à nouveau répété à 177 °C (350 °F) pendant 8 h suivi d’un refroidissement à l’air.

Dans le cas du cuivre béryllium, la haute résistance de cet alliage est également obtenue par durcissement par précipitation. Le durcissement par précipitation résulte de la précipitation d’une phase contenant du béryllium à partir d’une solution solide sursaturée de cuivre essentiellement pur. Le cuivre au béryllium est le plus dur et le plus résistant de tous les alliages de cuivre (UTS jusqu’à 1 400 MPa), à l’état entièrement traité thermiquement et travaillé à froid. Il combine une résistance élevée avec des qualités non magnétiques et anti-étincelles et ses propriétés mécaniques sont similaires à celles de nombreux aciers alliés à haute résistance mais, par rapport aux aciers, il a une meilleure résistance à la corrosion.

Acier inoxydable 17-4PH

Par exemple, l’acier inoxydable trempé par précipitation 17-4 PH (AISI 630) a une microstructure initiale d’austénite ou de martensite. Les nuances austénitiques sont converties en nuances martensitiques par traitement thermique (par exemple par un traitement thermique à environ 1040 °C suivi d’une trempe) avant que le durcissement par précipitation puisse être effectué. Un traitement de vieillissement ultérieur à environ 475 °C précipite  les phases riches en Nb et Cu qui augmentent la résistance jusqu’à une limite d’élasticité supérieure à 1000 MPa. Dans tous les traitements thermiques effectués, la microstructure prédominante est la martensite à lattes. Contrairement aux alliages austénitiques, cependant, le traitement thermique renforce les aciers PH à des niveaux plus élevés que les alliages martensitiques. Les aciers inoxydables à durcissement par précipitation sont désignés par la série AISI 600. De toutes les nuances d’acier inoxydable disponibles, ils offrent généralement la meilleure combinaison de haute résistance associée à une excellente ténacité et résistance à la corrosion. Ils sont aussi résistants à la corrosion que les nuances austénitiques. Les utilisations courantes sont dans l’aérospatiale et certaines autres industries de haute technologie.

Exemple – Alliages d’aluminium – Alliage 6061

En général, les alliages d’aluminium de la série 6000 sont alliés au magnésium et au silicium. L’alliage 6061 est l’un des alliages les plus utilisés de la série 6000. Il a de bonnes propriétés mécaniques, il est facile à usiner, il est soudable et peut être durci par précipitation, mais pas aux résistances élevées que 2000 et 7000 peuvent atteindre. Il a une très bonne résistance à la corrosion et une très bonne soudabilité bien qu’une résistance réduite dans la zone de soudure. Les propriétés mécaniques du 6061 dépendent fortement de la trempe ou du traitement thermique du matériau. Par rapport à l’alliage 2024, le 6061 est plus facile à travailler et reste résistant à la corrosion même lorsque la surface est abrasée.

Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993.
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Voir ci-dessus:
Travail des métaux

Trempe des Métaux

En science des matériaux, la dureté est la capacité à résister à l’indentation de surface (déformation plastique localisée) et aux rayures. La dureté est probablement la propriété matérielle la plus mal définie car elle peut indiquer une résistance aux rayures, une résistance à l’abrasion, une résistance à l’indentation ou encore une résistance à la mise en forme ou à la déformation plastique localisée. La dureté est importante d’un point de vue technique car la résistance à l’usure par frottement ou érosion par la vapeur, l’huile et l’eau augmente généralement avec la dureté.

La trempe est un processus métallurgique de travail des métaux utilisé pour augmenter la dureté d’un métal. La dureté d’un métal est directement proportionnelle à la limite d’élasticité uniaxiale à l’emplacement de la déformation imposée. Pour améliorer la dureté d’un métal pur, nous pouvons utiliser différentes manières, parmi lesquelles :

• Méthode Hall-Petch
• Durcissement en solution solide (alliage)
• Ecrouissage (travail à froid)
• Durcissement par précipitation
• Trempe par transformation
• Durcissement par dispersion
• Durcissement superficiel

Trempe superficielle – Cémentation

La cémentation ou la trempe superficielle est le processus dans lequel la dureté de la surface (boîte) d’un objet est améliorée, tandis que le noyau interne de l’objet reste élastique et résistant. Après ce processus, la dureté de surface, la résistance à l’usure et la durée de vie à la fatigue sont améliorées. Ceci est accompli par plusieurs processus tels qu’un processus de carburation ou de nitruration par lequel un composant est exposé à une atmosphère carbonée ou azotée à température élevée. Comme cela a été écrit, deux caractéristiques matérielles principales sont influencées :

• La dureté et la résistance à l’usure sont considérablement améliorées. En science des matériaux, la dureté est la capacité à résister à l’indentation de surface (déformation plastique localisée) et aux rayures. La dureté est probablement la propriété matérielle la plus mal définie car elle peut indiquer une résistance aux rayures, une résistance à l’abrasion, une résistance à l’indentation ou encore une résistance à la mise en forme ou à la déformation plastique localisée. La dureté est importante d’un point de vue technique car la résistance à l’usure par frottement ou érosion par la vapeur, l’huile et l’eau augmente généralement avec la dureté.
• La ténacité n’est pas influencée négativement. La ténacité est la capacité d’un matériau à absorber de l’énergie et à se déformer plastiquement sans se fracturer. Une définition de la ténacité (pour taux de déformation élevé, ténacité à la rupture) est qu’il s’agit d’une propriété qui indique la résistance d’un matériau à la rupture lorsqu’une fissure (ou un autre défaut de concentration de contrainte) est présente.

Pour le fer ou l’acier à faible teneur en carbone, qui a une trempabilité faible ou nulle, le processus de cémentation consiste à infuser du carbone ou de l’azote supplémentaire dans la couche de surface. La cémentation est utile dans des pièces telles qu’une came ou une couronne dentée qui doivent avoir une surface très dure pour résister à l’usure, ainsi qu’un intérieur résistant pour résister à l’impact qui se produit pendant le fonctionnement. De plus, la trempe superficielle de l’acier présente un avantage par rapport à la trempe en profondeur (c’est-à-dire le durcissement du métal uniformément sur toute la pièce) car les aciers à faible et moyenne teneur en carbone moins chers peuvent être durcis en surface sans les problèmes de distorsion et de fissuration associés à la par durcissement de sections épaisses. Une couche de surface externe riche en carbone ou en azote (ou cas) est introduit par diffusion atomique à partir de la phase gazeuse. Le boîtier est normalement de l’ordre de 1 mm de profondeur et est plus dur que le noyau interne du matériau.

Classification des méthodes de cémentation

La cémentation par traitement de surface peut être classée en tant que traitements de diffusion ou traitements de chauffage localisés. Les méthodes de diffusion introduisent des éléments d’alliage qui pénètrent dans la surface par diffusion, soit en tant qu’agents de solution solide, soit en tant qu’agents de trempabilité qui aident à la formation de martensite lors de la trempe ultérieure. Dans ce processus, la concentration d’élément d’alliage est augmentée à la surface d’un composant en acier. Les méthodes de diffusion comprennent:

• Carburation. La carburation est un processus de cémentation dans lequel la concentration en carbone de surface d’un alliage ferreux (généralement un acier à faible teneur en carbone) est augmentée par diffusion à partir de l’environnement environnant. La carburation produit une surface de produit dure et très résistante à l’usure (profondeurs moyennes) avec une excellente capacité de charge de contact, une bonne résistance à la fatigue par flexion et une bonne résistance au grippage.
• Nitruration. La nitruration est un processus de cémentation dans lequel la concentration en azote de surface d’un ferreux est augmentée par diffusion à partir du milieu environnant pour créer une surface cémentée. La nitruration produit une surface de produit dure et très résistante à l’usure (profondeurs peu profondes) avec une bonne capacité de charge de contact, une bonne résistance à la fatigue par flexion et une excellente résistance au grippage.
• Ennuyeux. La boruration, également appelée boronisation, est un processus de diffusion thermochimique similaire à la nitrocarburation dans lequel les atomes de bore diffusent dans le substrat pour produire des couches de surface dures et résistantes à l’usure. Le processus nécessite une température de traitement élevée (1073-1323 K) et une longue durée (1-12 h), et peut être appliqué à une large gamme de matériaux tels que les aciers, la fonte, les cermets et les alliages non ferreux.
• Trempe au titane-carbone et au nitrure de titane. Le nitrure de titane (un matériau céramique extrêmement dur) ou les revêtements en carbure de titane peuvent être utilisés dans les outils fabriqués à partir de ce type d’acier par un procédé de dépôt physique en phase vapeur pour améliorer les performances et la durée de vie de l’outil. TiN a une dureté Vickers de 1800–2100 et il a une couleur or métallique.

Les méthodes de chauffage localisé pour la cémentation comprennent :

• Durcissement à la flamme. La trempe à la flamme est une technique de trempe superficielle qui utilise une seule torche avec une tête spécialement conçue pour fournir un moyen très rapide de chauffer le métal, qui est ensuite refroidi rapidement, généralement à l’aide d’eau. Cela crée un « cas » de martensite à la surface, tandis que le noyau interne de l’objet reste élastique et résistant. C’est une technique similaire à la trempe par induction. Une teneur en carbone de 0,3 à 0,6 % en poids de C est nécessaire pour ce type de durcissement.
• Trempe par induction. La trempe par induction est une technique de trempe superficielle qui utilise des bobines d’induction pour fournir un moyen très rapide de chauffer le métal, qui est ensuite refroidi rapidement, généralement à l’aide d’eau. Cela crée un « cas » de martensite sur la surface. Une teneur en carbone de 0,3 à 0,6 % en poids de C est nécessaire pour ce type de durcissement.
• Durcissement au laser. La trempe au laser est une technique de trempe superficielle qui utilise un faisceau laser pour fournir un moyen très rapide de chauffer le métal, qui est ensuite refroidi rapidement (généralement par auto-trempe). Cela crée un « cas » de martensite à la surface, tandis que le noyau interne de l’objet reste élastique et résistant.

Carburation – Avantages et application

La carburation est un processus de cémentation dans lequel la concentration en carbone de surface d’un alliage ferreux (généralement un acier à faible teneur en carbone) est augmentée par diffusion à partir de l’environnement environnant. La carburation produit une surface de produit dure et très résistante à l’usure (profondeurs moyennes) avec une excellente capacité de charge de contact, une bonne résistance à la fatigue par flexion et une bonne résistance au grippage. La cémentation est généralement utilisée pour les aciers à faible teneur en carbone, qui sont chauffés à une température suffisante pour rendre l’acier austénitique, suivis d’une trempe et d’un revenu pour former une microstructure martensitique. Ainsi, un boîtier martensitique à haute teneur en carbone avec une bonne résistance à l’usure et à la fatigue est superposé à un noyau en acier dur à faible teneur en carbone. Dans sa première application, les pièces étaient simplement placées dans un récipient adapté et recouvertes d’une épaisse couche de poudre de carbone (pack carburation). Aujourd’hui, la pièce d’acier est exposée, à une température élevée (généralement supérieure à 850°C), à une atmosphère riche en gaz hydrocarbure, tel que le méthane (CH4). Dans la cémentation gazeuse, la variante commercialement la plus importante de la cémentation, la source de carbone est une atmosphère de four riche en carbone produite soit à partir d’hydrocarbures gazeux, par exemple, le méthane (CH₄), le propane (C₃H₃) et le butane (C₄H₁₀), ou à partir de liquides hydrocarbonés vaporisés. La chaleur améliore la diffusion du carbone dans les régions de surface et de sous-surface de l’acier. La profondeur de diffusion (profondeur de cas) suit une dépendance temps-température telle que:

Profondeur de cas ∝ D . √ Temps

 où le facteur de diffusivité, D, dépend de la température, de la composition chimique de l’acier et du gradient de concentration de carbone à la surface. En température, le facteur de diffusivité augmente de manière exponentielle en fonction de la température absolue. Cette vitesse de diffusion augmente fortement avec l’augmentation de la température ; le taux d’addition de carbone à 925°C est supérieur d’environ 40 % à celui à 870 °C. La profondeur de tout boîtier cémenté est fonction du temps et de la température.

Nitruration

La nitruration est un processus de cémentation dans lequel la concentration en azote de surface d’un ferreux est augmentée par diffusion à partir du milieu environnant pour créer une surface cémentée. La nitruration produit une surface de produit dure et très résistante à l’usure (profondeurs peu profondes) avec une bonne capacité de charge de contact, une bonne résistance à la fatigue par flexion et une excellente résistance au grippage. Contrairement à la carburation, dans la nitruration, l’azote est ajouté à la ferrite au lieu de l’austénite. Par conséquent, la nitruration n’implique pas de chauffage dans le champ de phase austénitique et une trempe ultérieure pour former de la martensite. Une température est nettement inférieure et une plage de 500 à 550 °C est généralement utilisée. Ces procédés sont les plus couramment utilisés sur les aciers à faible teneur en carbone et faiblement alliés. Ils sont également utilisés sur les aciers à moyenne et haute teneur en carbone, le titane, l’aluminium et le molybdène. Le durcissement le plus important est obtenu avec une classe d’aciers alliés (type nitralloy) contenant environ 1 % d’Al. Les applications typiques incluent la production de composants de machines, d’arbres, d’essieux, d’engrenages, de vilebrequins, d’arbres à cames, de suiveurs de came, de pièces de soupape, de vis d’extrudeuse, d’outils de moulage sous pression ou de matrices de forgeage.

Carbonitruration

Carbonitruration est un traitement thermique de cémentation qui introduit du carbone et de l’azote dans l’austénite de l’acier conduit de 1073 K à 1173 K. Ce traitement est similaire à la carburation en ce que la composition de l’austénite est modifiée et une dureté de surface élevée est produite par trempe pour former de la martensite. La carbonitruration est souvent appliquée à l’acier à faible teneur en carbone peu coûteux et facile à usiner pour conférer les propriétés de surface des nuances d’acier plus chères et difficiles à travailler sans avoir besoin d’une trempe drastique, ce qui entraîne moins de distorsion et réduit le risque de fissuration du travail. La dureté de surface des pièces carbonitrurées varie de 55 à 62 HRC. La carbonitruration (autour de 850 °C / 1550 °F) est réalisée à des températures nettement supérieures à la nitruration ordinaire (autour de 530 °C / 990 °F) mais légèrement inférieures à celles utilisées pour la cémentation (autour de 950 °C / 1700 °F) et pour des temps plus courts. Elle est souvent effectuée sur des pièces de transmission de puissance, telles que des dents d’engrenages, des cames, des arbres, des roulements, qui sont soumises à des conditions de fonctionnement en fatigue structurelle et de surface.

Ennuyeux

La boruration, également appelée boronisation, est un processus de diffusion thermochimique similaire à la nitrocarburation dans lequel les atomes de bore diffusent dans le substrat pour produire des couches de surface dures et résistantes à l’usure. Le processus nécessite une température de traitement élevée (1073-1323 K) et une longue durée (1-12 h), et peut être appliqué à une large gamme de matériaux tels que les aciers, la fonte, les cermets et les alliages non ferreux. La surface résultante contient des borures métalliques, tels que des borures de fer, des borures de nickel et des borures de cobalt. En tant que matériaux purs, ces borures ont une dureté et une résistance à l’usure extrêmement élevées.

Leurs propriétés favorables se manifestent même lorsqu’elles ne représentent qu’une petite fraction du solide en vrac. Les propriétés des couches de borure sont généralement supérieures à celles formées par nitruration et cémentation, notamment en termes de dureté. La plupart des surfaces en acier boruré auront des duretés de couche de borure de fer allant de 1200 à 1600 HV. Superalliages à base de nickel tels que Inconel et Hastalloys auront généralement des duretés de couche de borure de nickel de 1700-2300 HV. La dureté de la couche de borure peut être conservée à des températures plus élevées que, par exemple, celle des boîtiers nitrurés. D’autre part, la cémentation au gaz et la nitruration au plasma ont l’avantage sur la boruration car ces deux procédés offrent des coûts d’exploitation et de maintenance réduits, nécessitent des temps de traitement plus courts et sont relativement faciles à utiliser. La boruration est généralement utilisée pour de nombreuses applications hautes performances telles que l’automobile, les machines-outils, l’aérospatiale, les outils hydrauliques, les industries agricoles et de défense, etc.

Revêtements en nitrure de titane et en carbure de titane

Le nitrure de titane (un matériau céramique extrêmement dur) ou les revêtements en carbure de titane peuvent être utilisés dans les outils fabriqués à partir de ce type d’acier par un procédé de dépôt physique en phase vapeur pour améliorer les performances et la durée de vie de l’outil.

TiN a une dureté Vickers de 1800–2100 et il a une couleur or métallique. Une utilisation bien connue du revêtement TiN est la rétention des arêtes et la résistance à la corrosion sur les machines-outils, telles que les forets et les fraises, améliorant souvent leur durée de vie d’un facteur trois ou plus.

Le TiC est un matériau céramique réfractaire extrêmement dur (Mohs 9–9,5), similaire au carbure de tungstène. Il est également utilisé comme revêtement de surface résistant à l’abrasion sur les pièces métalliques, telles que les outils et les mécanismes de montre. Le carbure de titane est également utilisé comme revêtement de protection thermique pour la rentrée atmosphérique des engins spatiaux.

Par exemple, l’acier rapide au molybdène – AISI M2 est le HSS industriel « standard » et le plus utilisé. Ce type d’acier peut être revêtu de nitrure de titane. Les aciers rapides au molybdène sont désignés comme aciers du groupe M selon le système de classification AISI. M2 HSS a des carbures petits et uniformément répartis offrant une résistance élevée à l’usure, bien que sa sensibilité à la décarburation soit un peu élevée. Il est généralement utilisé pour fabriquer une variété d’outils, tels que des forets, des tarauds et des alésoirs. Les teneurs en carbone et en alliage sont équilibrées à des niveaux suffisants pour fournir une réponse de durcissement élevée, une excellente résistance à l’usure, une résistance élevée aux effets de ramollissement des températures élevées et une bonne ténacité pour une utilisation efficace dans les applications de coupe industrielles.

Induction durcissante

La trempe par induction est une technique de trempe superficielle qui utilise des bobines d’induction pour fournir un moyen très rapide de chauffer le métal, qui est ensuite refroidi rapidement, généralement à l’aide d’eau. Cela crée un « cas » de martensite sur la surface. Une teneur en carbone de 0,3 à 0,6 % en poids de C est nécessaire pour ce type de durcissement. La martensite est une structure métastable très dure avec une structure cristalline tétragonale centrée sur le corps (BCT). La martensite se forme dans les aciers lorsque la vitesse de refroidissement de l’austénite est si élevée que les atomes de carbone n’ont pas le temps de se diffuser hors de la structure cristalline en quantité suffisante pour former de la cémentite (Fe₃C). La trempe par induction produit une surface dure et très résistante à l’usure (profondeurs profondes) avec une bonne capacité de charge de contact et une bonne résistance à la fatigue en flexion. Le matériau a une bonne résistance au grippage.

Le chauffage est réalisé en plaçant une pièce en acier dans le champ magnétique généré par un courant alternatif à haute fréquence traversant un inducteur, généralement une bobine de cuivre refroidie à l’eau. Ces courants dits de Foucault dissipent de l’énergie et produisent de la chaleur en circulant contre la résistance d’un conducteur imparfait. Avec le chauffage par induction, l’acier peut être chauffé très rapidement au rouge à la surface, avant que la chaleur ne puisse pénétrer à n’importe quelle distance dans le métal. La surface est ensuite trempée, le durcissant, et est souvent utilisé sans autre trempe. Cela rend la surface très résistante à l’usure, et le cœur du composant reste insensible au traitement et ses propriétés physiques sont celles de la barre à partir de laquelle il a été usiné, tandis que la dureté du boîtier peut se situer dans la plage 37/58 HRC. Les aciers moyennement carbonés faiblement alliés trempés par induction sont largement utilisés pour les applications automobiles et mécaniques critiques qui nécessitent une résistance élevée à l’usure. Une utilisation courante de la trempe par induction est de durcir les surfaces d’appui, ou « tourillons », sur les vilebrequins automobiles ou les tiges de vérins hydrauliques. Le comportement de résistance à l’usure des pièces trempées par induction dépend de la profondeur de durcissement et de l’amplitude et de la distribution de la contrainte de compression résiduelle dans la couche de surface.

Durcissement à la flamme

La trempe à la flamme est une technique de trempe superficielle qui utilise une seule torche avec une tête spécialement conçue pour fournir un moyen très rapide de chauffer le métal, qui est ensuite refroidi rapidement, généralement à l’aide d’eau. Cela crée un « cas » de martensite à la surface, tandis que le noyau interne de l’objet reste élastique et résistant. C’est une technique similaire à la trempe par induction. Une teneur en carbone de 0,3 à 0,6 % en poids de C est nécessaire pour ce type de durcissement.

La martensite est une structure métastable très dure avec une structure cristalline tétragonale centrée sur le corps (BCT). La martensite se forme dans les aciers lorsque la vitesse de refroidissement de l’austénite est si élevée que les atomes de carbone n’ont pas le temps de se diffuser hors de la structure cristalline en quantités suffisamment importantes pour former de la cémentite (Fe₃C). La trempe à la flamme produit une surface dure et très résistante à l’usure (profondeurs profondes) avec une bonne capacité de charge de contact et une bonne résistance à la fatigue en flexion. Il peut être utilisé pour le durcissement des aciers à faible coût et nécessite un faible investissement en capital.

Une utilisation courante de la trempe par induction est la trempe de grandes pièces telles que des engrenages et des voies de machines-outils, avec des tailles ou des formes qui rendraient le traitement thermique au four impraticable. L’engrenage sera généralement trempé et revenu à une dureté spécifique d’abord, rendant la majorité de l’engrenage résistant, puis les dents sont rapidement chauffées et immédiatement trempées, ne durcissant que la surface. Le comportement de résistance à l’usure des pièces trempées par induction dépend de la profondeur de durcissement et de l’amplitude et de la distribution de la contrainte de compression résiduelle dans la couche de surface.

Durcissement au laser

La trempe au laser est une technique de trempe superficielle qui utilise un faisceau laser pour fournir un moyen très rapide de chauffer le métal, qui est ensuite refroidi rapidement (généralement par auto-trempe). Cela crée un « cas » de martensite à la surface, tandis que le noyau interne de l’objet reste élastique et résistant. La chaleur générée par l’absorption de la lumière laser est contrôlée pour empêcher la fusion et est donc utilisée dans l’austénitisation sélective des régions de surface locales. Le phénomène d’auto-extinction s’applique après avoir retiré la source de chaleur de la zone d’interaction. L’énergie thermique absorbée par la couche de surface est rapidement distribuée à l’ensemble de la pièce.

La martensite est une structure métastable très dure avec une structure cristalline tétragonale centrée sur le corps (BCT). La martensite se forme dans les aciers lorsque la vitesse de refroidissement de l’austénite est si élevée que les atomes de carbone n’ont pas le temps de se diffuser hors de la structure cristalline en quantités suffisamment importantes pour former de la cémentite (Fe₃C). La trempe au laser produit une surface dure et très résistante à l’usure (profondeurs de boîtier peu profondes). Les zones superficielles minces qui sont chauffées et refroidies très rapidement donnent des microstructures martensitiques très fines, même dans les aciers à trempabilité relativement faible. La trempe au laser est largement utilisée pour durcir des zones localisées de composants de machines en acier et en fonte. Les principaux avantages sont les suivants: possibilité de traitement thermique de surface sélectif des pièces complexes, déformations minimales des pièces traitées, processus rapide, propre et contrôlé par ordinateur.

Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993.
US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
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Voir ci-dessus:
Travail des métaux

Trempe des métaux

En science des matériaux, la dureté est la capacité à résister à l’indentation de surface (déformation plastique localisée) et aux rayures. La dureté est probablement la propriété matérielle la plus mal définie car elle peut indiquer une résistance aux rayures, une résistance à l’abrasion, une résistance à l’indentation ou encore une résistance à la mise en forme ou à la déformation plastique localisée. La dureté est importante d’un point de vue technique car la résistance à l’usure par frottement ou érosion par la vapeur, l’huile et l’eau augmente généralement avec la dureté.

La trempe est un processus métallurgique de travail des métaux utilisé pour augmenter la dureté d’un métal. La dureté d’un métal est directement proportionnelle à la limite d’élasticité uniaxiale à l’emplacement de la déformation imposée. Pour améliorer la dureté d’un métal pur, nous pouvons utiliser différentes manières, parmi lesquelles :

• Méthode Hall-Petch
• Durcissement en solution solide (alliage)
• Ecrouissage (travail à froid)
• Durcissement par précipitation
• Trempe par transformation
• Durcissement par dispersion
• Durcissement superficiel

Durcissement par transformation

Le durcissement par transformation, également connu sous le nom de durcissement par transformation martensitique, est l’une des méthodes de durcissement les plus courantes, qui est principalement utilisée pour les aciers (c’est-à-dire les aciers au carbone ainsi que les aciers inoxydables). La transformation martensitique n’est cependant pas propre aux alliages fer-carbone. On le retrouve dans d’autres systèmes et se caractérise, en partie, par la transformation sans diffusion.

Les aciers martensitiques utilisent principalement des niveaux plus élevés de C et de Mn ainsi qu’un traitement thermique pour augmenter la résistance. Le produit fini aura une microstructure duplex de ferrite avec différents niveaux de martensite dégénérée. Cela permet de varier les niveaux de force. En métallurgie, la trempe est le plus souvent utilisée pour durcir l’acier en introduisant de la martensite. Il existe un équilibre entre la dureté et la ténacité dans n’importe quel acier; plus l’acier est dur, moins il est dur ou résistant aux chocs, et plus il est résistant aux chocs, moins il est dur.

La martensite est produite à partir d’ austénite à la suite de la trempe ou d’une autre forme de refroidissement rapide. L’austénite dans les alliages fer-carbone n’est généralement présente qu’au-dessus de la température eutectoïde critique (723 °C) et en dessous de 1500 °C, selon la teneur en carbone. En cas de taux de refroidissement normaux, à mesure que l’austénite refroidit, le carbone se diffuse hors de l’austénite et forme du carbure de fer riche en carbone (cémentite) et laisse derrière lui une ferrite pauvre en carbone. Selon la composition de l’alliage, une couche de ferrite et de cémentite, appelée perlite, peut se former. Mais en cas de refroidissement rapide, le carbone n’a pas assez de temps pour se diffuser et se transforme en une forme tétragonale centrée sur le corps très sollicitée appelée martensite qui est sursaturée en carbone. Tous les atomes de carbone restent sous forme d’impuretés interstitielles dans la martensite. La vitesse de refroidissement détermine les proportions relatives de martensite, ferrite,

Martensite trempée

La capacité relative d’un alliage ferreux à former de la martensite est appelée trempabilité. La trempabilité est couramment mesurée comme la distance sous une surface trempée à laquelle le métal présente une dureté spécifique de 50 HRC, par exemple, ou un pourcentage spécifique de martensite dans la microstructure. La dureté la plus élevée d’un acier perlitique est de 43 HRC alors que la martensite peut atteindre 72 HRC. La martensite fraîche est très cassante si la teneur en carbone est supérieure à environ 0,2 à 0,3 %. Il est si fragile qu’il ne peut pas être utilisé pour la plupart des applications. Cette fragilité peut être supprimée (avec une certaine perte de dureté) si l’acier trempé est légèrement chauffé dans un processus connu sous le nom de revenu.

Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993.
US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
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González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir ci-dessus:
Travail des métaux

Température critique de l’acier

La température critique de l’acier définit la transition de phase entre deux phases de l’acier. Lorsque l’ acier est chauffé au-dessus de la température critique, environ 1335 °F (724 °C), il subit un changement de phase, se recristallisant en austénite. Il existe deux types de température critique:

• Température critique inférieure (Ac1). La température à laquelle l’austénite commence à se transformer à partir de la ferrite.
• Température critique supérieure (Ac3). La température à laquelle l’austénite est complètement transformée à partir de la ferrite.

Dans le système Fe-C, il y a un point eutectoïde à environ 0,8% en poids C, 723 °C. La phase juste au-dessus de la température eutectoïde pour les aciers au carbone simples est connue sous le nom d’austénite ou gamma.

Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993.
US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
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Voir ci-dessus:
Diagramme de phase [/lgc_column ]