Qu’est-ce que le trempe par précipitation – Durcissement par vieillissement – Définition

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.

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Voir ci-dessus:
Travail des métaux