Processus de traitement thermique - Explication
Les propriétés mécaniques d'un métal ou d'un alliage peuvent être améliorées ou moulées selon nos exigences souhaitées par l'application d'un procédé de fabrication appelé traitement thermique. Le traitement thermique est utilisé au cours des différentes étapes du processus de fabrication pour acquérir les caractéristiques souhaitées. Il peut être utilisé pour rendre le spécimen mécaniquement résistant ou dur. S'il est effectué sous atmosphère contrôlée, il peut rendre l'échantillon plus ductile et malléable. Parfois, le travail des métaux comme le soudage ou le forgeage peut entraîner une modification des propriétés de l'échantillon. Par conséquent, un traitement thermique peut être utilisé pour restaurer les propriétés de l'échantillon dans les conditions de pré-travail.
Une considération importante tout en modifiant les propriétés mécaniques d'un métal ou d'un alliage est le fait qu'un compromis doit être fait entre différentes propriétés préférées. Généralement, l'amélioration d'une propriété entraîne la perte d'un autre attribut désirable. Par exemple, rendre l'éprouvette plus solide ou plus dure peut entraîner une perte de ductilité et, par conséquent, le matériau deviendra plus cassant. De même, l'élimination des contraintes rendra le matériau plus ductile mais moins résistant.
Processus de traitement thermique - Travail
Les métaux et leurs alliages ont une structure cristalline, composée de petites unités appelées réseau cristallin. Ces réseaux croissent pour former des grains de cristal. L'orientation et la taille de ces grains sont essentielles pour les propriétés mécaniques et physiques du matériau. Des tailles de grains plus petites produisent des spécimens plus résilients, plus solides et plus résistants, tandis que des tailles de grains plus grandes se traduiront par un matériau ductile avec une résistance à la traction inférieure. Par conséquent, le contrôle de l'environnement du processus de fabrication peut nous permettre de manipuler la croissance du grain et, par conséquent, les propriétés de notre matériau. Cette manipulation peut être effectuée par un processus de traitement thermique qui consiste à chauffer l'échantillon d'un métal ou d'un alliage à des températures extrêmes, parfois aussi élevées que 2400F mais généralement inférieures à son point de fusion. Ce matériau chauffé est ensuite maintenu à cette température élevée pendant un certain temps et on le laisse refroidir. Ainsi, une surveillance et un contrôle minutieux du processus de traitement thermique peuvent aboutir à un matériau présentant des caractéristiques souhaitables.
Processus de traitement thermique - Étapes
Pour obtenir les propriétés requises, le processus de traitement thermique doit être effectué avec soin. Les paramètres gouvernant la réussite du procédé de traitement thermique sont les trois étapes impliquées dans le procédé.
- Chauffage
- Trempage
- Refroidissement
I. Chauffage :
La première étape du processus de traitement thermique consiste à chauffer le matériau à une température élevée spécifique. Le processus de chauffage est important car il entraîne une modification de la microstructure du matériau et, par conséquent, une modification des propriétés. Le chauffage doit être effectué lentement et progressivement pour éliminer tout gradient de température à travers l'échantillon de matériau. S'ils sont effectués rapidement, des chocs thermiques peuvent apparaître dans le réseau, le rendant cassant et susceptible de tomber en panne. Les exigences de chauffage dépendent de plusieurs facteurs et varient d'un spécimen à l'autre. Certains des facteurs influençant les températures de chauffage sont :
- La conductivité du matériau : plus la conductivité du matériau est élevée, plus le transfert de chaleur sera rapide.
- L'état existant du matériau : les éprouvettes pré-usinées comme soudées ou forgées auront des contraintes thermiques accrues et nécessiteront donc un chauffage plus lent.
- La géométrie de l'éprouvette : une éprouvette à section transversale irrégulière nécessite un refroidissement plus lent qu'une éprouvette à géométrie petite ou régulière.
II. Trempage:
La prochaine étape du processus de traitement thermique est l'étape de trempage. Cela implique de maintenir l'échantillon chauffé à une température élevée pendant une certaine période. L'étape de trempage est cruciale pour les propriétés mécaniques finales du matériau puisque c'est au cours de cette étape que le réseau cristallin interne et le grain prennent leur forme définitive. La microstructure du métal ou de l'alliage cristallin se développe en fonction du temps pendant lequel le matériau est autorisé à tremper.
Les temps de trempage dépendent également de la géométrie du matériau soumis au processus de traitement thermique. Les matériaux avec des sections transversales plus grandes nécessitent une période de trempage plus longue pour permettre la diffusion de la chaleur à travers leur réseau cristallin. Au contraire, les matériaux avec des surfaces plus petites et des géométries régulières n'ont pas besoin d'un long temps de trempage.
III. Refroidissement:
La prochaine et dernière étape du traitement thermique d'un métal ou d'un alliage consiste à ramener le matériau chauffé à la température ambiante normale. Cette étape est également cruciale pour les propriétés finales du matériau et doit être effectuée avec soin. Les vitesses de refroidissement déterminent la dureté, la résistance et la ductilité du produit final. S'il est effectué rapidement, un matériau plus dur et plus résistant est obtenu mais la ductilité est compromise. Cependant, des vitesses de refroidissement plus lentes peuvent fournir un matériau ductile, mais la résistance est à des niveaux inférieurs.
Une autre considération importante est le milieu de refroidissement. Le refroidissement peut être réalisé par l'introduction de fluides de refroidissement tels que l'huile, l'eau ou la saumure, ou il peut être effectué par l'action de courants d'air. La sélection d'un milieu de refroidissement dépend également du type de matériau soumis au processus de traitement thermique, en plus des propriétés finales souhaitées. Un fluide de refroidissement inapproprié peut entraîner une déformation et une fissuration du matériau. Par conséquent, des recherches approfondies doivent être effectuées avant de sélectionner le liquide de refroidissement pour votre matériau.
Processus de traitement thermique - Techniques
La maîtrise des étapes précitées peut aboutir à des propriétés différentes et ainsi pour obtenir un matériau aux propriétés recherchées, il existe différentes techniques de traitement thermique qui sont évoquées ci-dessous :
- Recuit
Le recuit est le processus de traitement thermique qui est généralement effectué à des températures supérieures à la température de cristallisation, suivi d'un refroidissement à des vitesses lentes, généralement à l'air. Cette méthode est généralement préférée lorsque la ductilité d'un métal ou d'un alliage est souhaitée et que sa dureté doit être abaissée. Cela prépare un métal ou son alliage pour le travail à froid. De plus, la contrainte et la dislocation générées par le travail à froid peuvent être supprimées par le traitement thermique utilisant la technique de recuit.
Le recuit, lorsqu'il est effectué, brise d'abord le réseau cristallin existant et la structure des grains en chauffant au-delà de la température de cristallisation du cristal, puis permet à la structure à grains fins de se développer progressivement. Ainsi, en supprimant toutes les dislocations et en améliorant sa ductilité. - Cémentation
La cémentation est une autre technique de traitement thermique utilisée pour améliorer la dureté du métal ou de l'alliage. Cette technique, contrairement à d'autres procédés de traitement thermique, ne durcit que la surface extérieure du matériau tout en maintenant inchangées les propriétés mécaniques de l'âme. Cette technique est rentable et est parfois préférée à d'autres méthodes de traitement thermique car elle fournit un extérieur durci avec la ductilité du noyau intacte.
La cémentation se fait par chauffage à haute température, suivi d'un trempage mais le refroidissement se fait rapidement. Cette technique de trempe ne permet pas aux structures cristallines internes de modifier leur microstructure par refroidissement brutal. Un refroidissement rapide peut être obtenu en utilisant une trempe dans un milieu de refroidissement comme l'eau ou l'huile. - Trempe
Parfois, après que le matériau a été durci par trempe et refroidissement rapide, une autre technique de traitement thermique est utilisée pour réduire la dureté du matériau afin d'améliorer sa ténacité. Le processus de durcissement peut entraîner une fragilité du matériau qui est parfois une caractéristique indésirable et peut entraver l'utilité du matériau. Par conséquent, le revenu est utilisé pour réduire la dureté et la fragilité afin d'améliorer la ductilité de l'échantillon.
Le revenu est généralement effectué en réchauffant le matériau trempé à des températures généralement inférieures aux températures critiques. Ce matériau chauffé est ensuite refroidi à l'air. En conséquence, la dureté est un peu réduite, ce qui permet au matériau d'être plus ductile et moins cassant. - Par durcissement
La trempe à cœur est similaire à la cémentation car elle améliore la dureté du matériau. Cependant, contrairement à la cémentation, ce processus de traitement thermique durcit le matériau dans tout l'échantillon et pas seulement à l'extérieur.
Processus de traitement thermique - Spécifications
Habituellement, lors de l'exécution du processus de traitement thermique, la technique de traitement n'est pas suffisante pour comprendre complètement le produit. Certaines spécifications sont nécessaires pour bien appréhender les propriétés finales souhaitées. Ces spécifications sont :
- Cémentation:
Généralement, lors de l'exécution du processus de traitement thermique de cémentation, il existe deux types de spécifications, à savoir la profondeur de cémentation effective et la profondeur de cémentation totale.
Pour les boîtiers plus minces après traitement thermique, des spécifications de profondeur de boîtier efficaces sont utilisées. Ils mentionnent la profondeur de diffusion du carbone depuis la surface. Pour les boîtiers plus épais, la profondeur totale du boîtier est spécifiée. Cela mesure la distance entre l'extérieur et le boîtier et exprime le niveau de dureté. Ces niveaux de dureté sont généralement exprimés sur l'échelle Rockwell B (HRB). - Par durcissement
La trempe à cœur est généralement spécifiée par les niveaux de dureté. Ces niveaux sont généralement exprimés sous forme de plage de tolérance car l'obtention d'un niveau de dureté uniforme est difficile à modifier dans la géométrie. Il utilise l'échelle de dureté Rockwell C (HRC) pour enrôler les niveaux de dureté. - Recuit
Le recuit est également spécifié par l'échelle de dureté Rockwell C (HRC).