Le terme trempe fait référence à un traitement thermique dans lequel un matériau est rapidement refroidi dans de l’eau, de l’huile ou de l’air pour obtenir certaines propriétés du matériau, en particulier la dureté. Dans les alliages ferreux, la trempe est le plus souvent utilisée pour durcir l’acier en introduisant de la martensite, tandis que les alliages non ferreux deviendront généralement plus mous que la normale. Au-dessus de cette température critique, un métal est partiellement ou totalement austénitisé, la vitesse de refroidissement de l’acier doit être rapide pour laisser l’austénite se transformer en bainite ou martensite métastable.
Le choix d’un milieu de trempe dépend de la trempabilité de l’alliage particulier, de l’épaisseur et de la forme de la section impliquée et des vitesses de refroidissement nécessaires pour obtenir la microstructure souhaitée.
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). C’est donc un produit de transformation sans diffusion. Toute diffusion, quelle qu’elle soit, entraîne la formation de phases de ferrite et de cémentite. Il porte le nom du métallurgiste allemand Adolf Martens (1850-1914).
La microstructure de la martensite dans les aciers a différentes morphologies et peut apparaître sous forme de martensite à lattes ou de martensite à plaques. Pour l’acier à 0–0,6% de carbone, la martensite a l’apparence d’une latte et est appelée martensite à lattes. Pour l’acier à plus de 1% de carbone, il formera une structure en forme de plaque appelée martensite en plaque. La martensite en plaques, comme son nom l’indique, se présente sous la forme de cristaux lenticulaires (en forme de lentille) avec un motif en zigzag de plaques plus petites. Entre ces deux pourcentages, l’apparence physique des grains est un mélange des deux. La résistance de la martensite est réduite à mesure que la quantité d’austénite retenue augmente.
Transformation martensitique
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.
Exemple : acier inoxydable martensitique
Les aciers inoxydables martensitiques sont similaires aux aciers ferritiques en ce qu’ils sont à base de chrome mais ont des niveaux de carbone plus élevés pouvant atteindre 1 %. Ils sont parfois classés en aciers inoxydables martensitiques à faible teneur en carbone et à haute teneur en carbone. Ils contiennent 12 à 14 % de chrome, 0,2 à 1 % de molybdène et aucune quantité significative de nickel. Des quantités plus élevées de carbone leur permettent d’être trempés et revenus tout comme les aciers au carbone et faiblement alliés. Ils ont une résistance modérée à la corrosion, mais sont considérés comme durs, solides, légèrement cassants. Ils sont magnétiques et ils peuvent être testés de manière non destructive en utilisant la méthode d’inspection par particules magnétiques, contrairement à l’acier inoxydable austénitique. Un acier inoxydable martensitique courant est l’AISI 440C, qui contient 16 à 18 % de chrome et 0,95 à 1,2 % de carbone. L’acier inoxydable de grade 440C est utilisé dans les applications suivantes : blocs étalons, coutellerie, roulements à billes et chemins de roulement, moules et matrices, couteaux.
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. Martensite fraîche est très fragile 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. La trempe est réalisée en chauffant un acier martensitique à une température inférieure à l’eutectoïde pendant une période de temps spécifiée (par exemple entre 250 °C et 650 °C).
Ce traitement thermique de revenu permet, par des procédés diffusionnels, la formation de martensite revenue, selon la réaction :
martensite (BCT, monophasé) → martensite revenu (ferrite + phases Fe3C)
où la martensite monophasique BCT, sursaturée en carbone, se transforme en martensite trempée, composée des phases stables de ferrite et de cémentite. Sa microstructure est similaire à la microstructure de la sphéroïdite, mais dans ce cas, la martensite trempée contient des particules de cémentite extrêmement petites et uniformément dispersées intégrées dans une matrice de ferrite continue. La martensite trempée peut être presque aussi dure et résistante que la martensite, mais avec une ductilité et une ténacité sensiblement améliorées.
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