Qu’est-ce que le recuit thermique – Définition

Les métaux peuvent être traités thermiquement pour modifier les propriétés de résistance, de ductilité, de ténacité, de dureté ou de résistance à la corrosion. Il existe un certain nombre de phénomènes qui se produisent dans les métaux et alliages à des températures élevées. Par exemple, la recristallisation et la décomposition de l’austénite. Ceux-ci sont efficaces pour modifier les caractéristiques mécaniques lorsque des traitements thermiques ou des processus thermiques appropriés sont utilisés. En fait, l’utilisation de traitements thermiques sur les alliages commerciaux est une pratique extrêmement courante. Les processus de traitement thermique courants comprennent le recuit, le durcissement par précipitation, la trempe et le revenu.

Recuit thermique

Le terme recuit thermique fait référence à un traitement thermique dans lequel un matériau est exposé à une température élevée pendant une période de temps prolongée, puis refroidi lentement. Ce processus modifie les propriétés physiques et parfois chimiques d’un matériau pour augmenter sa ductilité et réduire sa dureté, ce qui le rend plus maniable. Dans ce processus, les atomes migrent dans le réseau cristallin et le nombre de dislocations diminue, entraînant une modification de la ductilité et de la dureté. Le métal se débarrasse des contraintes et rend la structure du grain large et à bords doux de sorte que lorsque le métal est frappé ou stressé, il se bosse ou peut-être se plie, plutôt que de se casser. En règle générale, le recuit est effectué pour soulager les contraintes, augmenter la douceur, la ductilité et la ténacité; et/ou produire une microstructure spécifique.

Généralement, dans les aciers au carbone, le recuit produit une microstructure de ferrite-perlite. Les aciers peuvent être recuits pour faciliter le travail à froid ou l’usinage, pour améliorer les propriétés mécaniques ou électriques, ou pour favoriser la stabilité dimensionnelle. Les aciers de construction les plus couramment produits ont une microstructure mixte ferrite-perlite. Leurs applications incluent les poutres pour les ponts et les immeubles de grande hauteur, les plaques pour les navires et les barres d’armature pour les chaussées. Ces aciers sont relativement peu coûteux et sont produits dans des tonnages importants.

Tout cycle de recuit comprend trois étapes:

• chauffer à la température désirée,
• maintenir ou « tremper » à cette température,
• refroidissement, généralement à température ambiante.

Le temps et la température de recuit sont des paramètres importants dans ces procédures. En particulier, la température cible définit le cycle thermique de recuit.

Cycles thermiques de recuit

En pratique, des cycles thermiques spécifiques d’une variété presque infinie sont utilisés pour atteindre les différents objectifs du recuit. Ces cycles se répartissent en plusieurs grandes catégories qui peuvent être classées selon la température à laquelle l’acier est chauffé et la méthode de refroidissement utilisée.

• Recuit de processus. Le recuit de procédé est un traitement thermique spécifique qui restaure une partie de la ductilité d’un produit travaillé à froid afin qu’il puisse être travaillé à froid davantage sans se casser. Il est couramment utilisé lors des procédures de fabrication qui nécessitent une déformation plastique importante, pour permettre une poursuite de la déformation sans rupture ni consommation d’énergie excessive. La plage de température pour le recuit de procédé s’étend de 260 °C à 760 °C, selon l’alliage en question. Ce procédé est principalement adapté aux aciers à faible teneur en carbone. Ceci est principalement effectué sur de l’acier laminé à froid comme l’acier tréfilé, les tuyaux en fonte ductile coulés par centrifugation, etc.
• Recuit de détente. Le recuit de relaxation des contraintes est utilisé pour soulager les contraintes du travail à froid. Contrairement au recuit de procédé, ce traitement thermique est généralement effectué après la fabrication du produit. Des précautions doivent être prises pour assurer un refroidissement uniforme, en particulier lorsqu’un composant est composé de sections de tailles variables. Si la vitesse de refroidissement n’est pas constante et uniforme, il peut en résulter de nouvelles contraintes résiduelles égales ou supérieures à celles que le traitement thermique était censé soulager. La température de recuit est typiquement une température relativement basse de sorte que les effets résultant du travail à froid et d’autres traitements thermiques ne sont pas affectés. Le traitement thermique de relaxation des contraintes peut réduire la distorsion et les contraintes élevées dues au soudage qui peuvent affecter les performances de service.
• Recuit de recristallisation. Le recuit de recristallisation des aciers écrouis (teneur en carbone jusqu’à 0,5 %) permet d’obtenir une nouvelle structure granulaire sans induire de changement de phase. Le métal est chauffé à une température à laquelle le durcissement causé par le travail à froid précédent est éliminé. Lors de la recristallisation, les liaisons internes entre les atomes changent, le réseau cristallin ne change pas. Les températures de recuit sont comprises entre 550 et 700 °C et l’endurance est d’environ 1 heure ou plus, en refroidissant à l’air. Il est utilisé comme recuit inter-opérationnel en formage à froid, notamment pour les pièces bas carbone.
• Recuit complet. Le recuit complet produit une microstructure plus douce et plus propice à d’autres traitements tels que le formage ou l’usinage. Les températures pour un recuit complet sont généralement supérieures de 50 °C à la température critique supérieure (A₃) pour les aciers hypoeutectiques et à la température critique inférieure (A₁) pour les aciers hypereutectoïdes. Il est appelé recuit complet car il permet d’obtenir une austénitisation complète des aciers hypoeutectoïdes. L’alliage est ensuite refroidi au four. Cela signifie que le four de traitement thermique est éteint et que le four et l’acier refroidissent à température ambiante à la même vitesse, ce qui prend plusieurs heures. La vitesse de refroidissement de l’acier doit être suffisamment lente pour ne pas laisser l’austénite se transformer en bainite ou martensite, mais plutôt la transformer complètement en perlite et ferrite ou cémentite. Un recuit complet aboutit généralement au deuxième état le plus ductile qu’un métal puisse prendre pour un alliage métallique. Le métal atteint des niveaux relativement faibles de dureté, de limite d’élasticité et de résistance ultime avec une plasticité et une ténacité élevées. Le recuit complet est souvent utilisé dans les aciers à faible et moyenne teneur en carbone qui seront usinés ou subiront une déformation plastique importante lors d’une opération de formage. Les aciers inoxydables et fortement alliés peuvent être austénitisés (entièrement recuits) et trempés pour minimiser la présence de carbures aux joints de grains ou pour améliorer la répartition de la ferrite.
• Normalisation. La normalisation est un processus de recuit appliqué aux alliages ferreux pour affiner la taille du grain, rendre sa structure plus uniforme, le rendre plus réactif au durcissement et améliorer l’usinabilité. La normalisation est effectuée sur des aciers qui ont été déformés plastiquement par, par exemple, une opération de laminage. Ces aciers travaillés à froid sont constitués de grains de perlite, qui sont de forme irrégulière et relativement gros et dont la taille varie considérablement. La normalisation est un cycle de chauffage austénitisant suivi d’un refroidissement à l’air calme ou légèrement agité. En règle générale, les températures de normalisation sont d’environ 55 °C au-dessus de la ligne critique supérieure. La température de normalisation est supérieure à la température de recuit complet, par contre le refroidissement est plus intense. La normalisation améliore l’usinabilité d’un composant et offre une stabilité dimensionnelle s’il est soumis à d’autres processus de traitement thermique. La principale différence entre le recuit et la normalisation est que le recuit permet au matériau de refroidir à une vitesse contrôlée dans un four. La normalisation permet au matériau de refroidir en le plaçant dans un environnement à température ambiante et en l’exposant à l’air de cet environnement.

Recuit de la cuve sous pression du réacteur

Le corps de la cuve du réacteur est construit en acier au carbone faiblement allié de haute qualité et toutes les surfaces qui entrent en contact avec le fluide de refroidissement du réacteur sont revêtues d’un minimum d’environ 3 à 10 mm d’ acier inoxydable austénitique afin de minimiser la corrosion.

Au cours de l’exploitation d’une centrale nucléaire, le matériau de la cuve sous pression du réacteur et le matériau des autres composants internes du réacteur sont exposés au rayonnement neutronique (en particulier aux neutrons rapides > 0,5 MeV), ce qui entraîne une fragilisation localisée de l’acier et des soudures dans le réacteur. zone du cœur du réacteur. Ce phénomène, appelé fragilisation par irradiation, se traduit par:

• Augmentation constante du DBTT. Il est peu probable que le DBTT s’approche de la température de fonctionnement normale de l’acier. Cependant, il est possible que lors de l’arrêt du réacteur ou lors d’un refroidissement anormal, la température tombe en dessous de la valeur DBTT alors que la pression interne est encore élevée.
• Baisse de l’énergie de fracture du plateau supérieur. Les effets du rayonnement se manifestent également par une baisse de l’énergie de rupture de l’étagère supérieure et une diminution de la ténacité à la rupture.

Tous ces effets doivent être surveillés par les opérateurs de la centrale. Par conséquent, les autorités de réglementation nucléaire exigent qu’un programme de surveillance des matériaux de la cuve du réacteur soit mené dans les réacteurs de puissance refroidis à l’eau.

Une fois qu’un matériau de RPV est dégradé par fragilisation par rayonnement (par exemple, augmentation significative de la température de transition ductile-fragile Charpy ou réduction de la ténacité à la rupture), le recuit thermique du RPV est le seul moyen de récupérer les propriétés de ténacité du matériau RPV.

Selon 10 CFR 50.66 – Exigences pour le recuit thermique de la cuve sous pression du réacteur:

« Pour les réacteurs nucléaires à eau légère où le rayonnement neutronique a réduit la ténacité à la rupture des matériaux de la cuve du réacteur, un recuit thermique peut être appliqué à la cuve du réacteur pour récupérer la ténacité à la rupture du matériau. »

 Le recuit thermique (méthode « à sec ») de la cuve sous pression du réacteur est une méthode par laquelle la cuve sous pression (avec tous les composants internes du réacteur retirés) est chauffée jusqu’à une certaine température (généralement entre 420 et 460 °C) en utilisant une source de chaleur externe (radiateurs électriques, air chaud), maintenue pendant une période donnée (par exemple 100 à 200 heures) puis refroidie lentement. L’équipement de recuit est généralement un four annulaire avec des éléments chauffants sur sa surface externe. La puissance de sortie des appareils de chauffage installés peut atteindre jusqu’à 1 MWe. Il a été montré que pour les matériaux spécialement fabriqués, l’étagère supérieure récupérait 100 % après 24 heures de recuit et plus rapidement que la température de transition. Un recuit de 168 heures a permis de récupérer 90 % du décalage de température de transition.

Recuit humide

Il existe également une possibilité de la méthode de recuit dite « humide » qui a été appliquée aux États-Unis et en Belgique. Le recuit à cette température ~ 340 °C a été atteint sans chauffage externe, mais en augmentant la température du liquide de refroidissement obtenue par l’énergie des pompes de circulation du circuit primaire. Ce type de recuit ne fournit qu’une récupération partielle du matériau en raison de la limitation de la température maximale.

Référence spéciale: Recuit et re-fragilisation des matériaux de la cuve sous pression du réacteur. rapport AMES N°19 ; ISSN 1018-5593. Communautés européennes, 2008.

Autres processus

• Recuit. Le terme recuit fait référence à un traitement thermique dans lequel un matériau est exposé à une température élevée pendant une période de temps prolongée, puis refroidi lentement. Dans ce processus, le métal se débarrasse des contraintes et rend la structure du grain large et à bords doux de sorte que lorsque le métal est frappé ou stressé, il se bosse ou peut-être se plie, plutôt que de se casser; il est également plus facile de poncer, meuler ou couper le métal recuit.
• Quenching. 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. 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.
• Trempe. Le terme revenu fait référence à un traitement thermique utilisé pour augmenter la ténacité des alliages à base de fer. La trempe est généralement effectuée après le durcissement, pour réduire une partie de l’excès de dureté, et se fait en chauffant le métal à une température inférieure au point critique pendant une certaine période de temps, puis en le laissant refroidir à l’air calme. La trempe rend le métal moins dur tout en le rendant plus apte à supporter les impacts sans se casser. Le revenu entraînera la précipitation des éléments d’alliage dissous ou, dans le cas des aciers trempés, améliorera la résistance aux chocs et les propriétés ductiles.
• Vieillissement. Le durcissement vieillissant, également appelé durcissement par précipitation ou durcissement des particules, est une technique de traitement thermique basée sur la formation de particules extrêmement petites et uniformément dispersées d’une seconde phase dans la matrice de phase d’origine pour améliorer la résistance et la dureté de certains alliages métalliques. 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.

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:
Traitement thermique [/lgc_column ]