Traitements thermiques et de surface des aciers : recuit, revenu, trempe, cémentation et nitruration

Microstructures : perlite, bainite et martensite

Perlite : structure eutectoïde formée de ferrite et de cémentite. Le refroidissement détermine la vitesse et l'espacement intralamellaire de la perlite (perlite fine ou perlite grossière).

Bainite : constituée d'aiguilles ou de lamelles, mélange de ferrite et de carbures (cémentite) formés selon des mécanismes de transformation différents de la perlite.

Martensite : solution solide sursaturée de carbone dans la ferrite (structure tétragonale), obtenue par trempe (refroidissement très rapide) après austénitisation. La martensite est très dure mais plus fragile ; elle n'implique pas de diffusion significative pendant la transformation.

Transformation de l'austénite et facteurs influents

L'austénite (structure cubique à faces centrées, cfc) peut se transformer en différentes phases (perlite, bainite, martensite) selon la température et la vitesse de refroidissement. Les mécanismes de production et la diffusion déterminent la formation de précipités et la sursaturation en carbures (ex. ferrite sursaturée).

On distingue des effets macroscopiques importants : dureté et ténacité. On parle souvent de deux zones dans les pièces trempées : supérieure (proche de la surface) et inférieure (noyau).

Influence des éléments d'alliage

• Stabilisateurs de l'austénite (ex. Ni, Mn) : abaissent la température A3 et favorisent la stabilité de l'austénite.
• Stabilisateurs de la ferrite (alpha) (ex. Ti, Mo, Si, W) : influencent la transformation et peuvent retarder certaines réactions de précipitation.
• Les éléments d'alliage modifient les courbes de transformation (diagrammes TTT), la dureté finale et la sensibilité aux fissures.

Diagrammes TTT et taille de grain

Les diagrammes TTT (Time-Temperature-Transformation) permettent de visualiser les domaines de transformation de l'austénite en perlite, bainite ou martensite selon le refroidissement. Une plus grande vitesse de transformation favorise des structures plus fines et plus dures.

La taille des grains a un effet significatif : une taille de grain plus grande augmente la température à laquelle l'austénite est stable et influence la résistance mécanique et la ténacité. À température plus basse : austénite et homogénéisation plus difficiles.

Recuit : objectifs et types

Le recuit vise principalement à adoucir la pièce, réduire les contraintes résiduelles, homogénéiser la composition chimique et améliorer la structure pour des opérations ultérieures. Plusieurs variantes existent selon l'objectif :

Recuit d'adoucissement (soft annealing)

• Objectif : adoucir la pièce, réduire les tensions générées lors des traitements antérieurs et améliorer l'usinabilité.
• Méthode : chauffage à température d'austénitisation partielle puis refroidissement contrôlé.

Homogénéisation

• But : égaliser la composition chimique et réduire les différences locales de matériau par diffusion à haute température.
• Procédé : maintien prolongé à température élevée pour favoriser la diffusion.

Recuit de régénération

• Permet de régénérer la microstructure et de réduire la taille de grain. Chauffage à environ 50 °C au-dessus de la température d'austénitisation (A3 ou ACm) selon le matériau, suivi d'un refroidissement contrôlé.
• Effet : assouplissement du matériau et élimination des tensions internes. Recommandé pour les aciers non hypereutectoïdes.

Recuit isotherme et globulisation

• Isothermique : austénitisation partielle ou contrôlée pour obtenir une transformation contrôlée.
• Sphéroïdisation (globulisation) : transformation de la cémentite en particules globulaires pour améliorer l'usinabilité ; utile surtout pour aciers à graphitisation ou hypereutectoïdes.

Procédés de recuit alternés

Deux procédés courants :

1. Chauffage et refroidissement rapides autour de A1 pour obtenir un recuit partiel et une structure à grain fin.
2. Chauffage au-dessus de A1, maintien prolongé, puis refroidissement contrôlé : permet d'obtenir un grain fin et une bonne homogénéisation.

Un recuit bien conduit (RCOC fin + perlite fine) donne une structure favorable pour la traction et la limite d'élasticité, tout en maintenant une dureté et une ténacité équilibrées.

Revenu

Objectif : réduire les contraintes résiduelles et la fragilité induite par la trempe, diminuer la dureté excessive et améliorer la ténacité.

On commence par une martensite tétragonale obtenue par trempe ; le revenu consiste à chauffer à une température toujours inférieure à A1 afin de permettre la diffusion du carbone sur le réseau, puis refroidir à température ambiante. La décarburation et la précipitation carbureuse se déroulent selon la température de revenu :

• Étape 1 (T < 200 °C) : la martensite tétragonale commence à diminuer, formation partielle de martensite cubique et précipitation de carbures epsilon.
• Étape 2 (~200 °C) : l'austénite retenue peut se transformer en bainite ou martensite ; apparition d'une dureté secondaire.
• Étape 3 (> 200 °C) : disparition progressive de la martensite cubique et des carbures epsilon ; baisse de la résistance et augmentation de la ténacité.

Trempe (obtention de la martensite)

Pour obtenir la martensite, on réalise une austénitisation complète (chauffage à température adéquate) puis un refroidissement approprié (très rapide). Plus la proportion de martensite est élevée, plus la dureté est importante.

Les cas suivant sont distingués :

• Austénitisation totale (hypoeutectoïde) : après trempe, on obtient perlite, ferrite, martensite selon la composition et le refroidissement.
• Austénitisation partielle (hypereutectoïde) : mélange d'austénite et de carbures, transformation incomplète selon le refroidissement.

Les pièces trempées présentent une zone superficielle plus froide (dure, cassante) et un noyau plus chaud (ductile). Les facteurs à considérer : effet de la taille de grain, vitesse de refroidissement et courbes TTT.

Procédés isothermes et mixtes

Différents procédés de trempe/treatment thermique permettent de contrôler la microstructure :

• Martempring (martempering) : homogénéise la température, empêche les fissures, vise une transformation martensitique contrôlée à la sortie d'un bain de maintien ; refroidissement continu jusqu'à température ambiante.
• Austempring (austempering) : maintien à température intermédiaire pour obtenir bainite au lieu de martensite ; on obtient un bon compromis dureté/ténacité.
• Mixte isotherme : transformation partielle en bainite puis maintien et refroidissement pour transformer le reste en martensite ; permet d'obtenir une combinaison bainite/martensite selon la teneur initiale en austénite.

Pour les traitements superficiels, des trempes partielles de surface permettent d'obtenir une couche martensitique déterminée en profondeur, en jouant sur la géométrie de chauffe et la durée d'austénitisation.

Traitement de surface : objectifs

Les traitements de surface visent à augmenter la dureté et la résistance à l'usure en conservant un noyau ductile. Ils sont couramment utilisés pour arbres et pièces soumises à frottement et usure superficielle.

Deux grandes familles :

Traitements thermo-chimiques : cémentation et nitruration

Principe : modification de la composition chimique en surface par diffusion d'éléments (C, N, B, etc.). Ces procédés sont généralement plus coûteux mais offrent d'excellentes propriétés de surface.

Cémentation

• Diffusion du carbone à la surface d'un acier faiblement allié en carbone.
• Surface : perlite + carbures enrichis en carbone ; intérieur : perlite + ferrite.
• Étapes : enrichissement en carbone, trempe de la couche superficielle, puis revenu.
• Ne pas dépasser ~0,9 % de carbone en surface (couche trop dure peut fragiliser) ; la ténacité du noyau est importante pour résister aux fissures.
• Acier recommandés : faiblement alliés en Cr, Mo (éviter formation excessive de carbures dans le réseau). Ni et Mn aident à limiter les distorsions d'austénite lors de la trempe.

Nitruration

• Objectif : atteindre une dureté élevée de surface par introduction d'azote.
• Méthode : ammoniac ou autres sources d'azote ; l'azote forme des nitrures avec les éléments d'alliage (Al, Cr, Mo, V, etc.).
• Température typique : environ 590–600 °C, plus faible que la cémentation ; temps de traitement plus long.
• Avantages : couche de surface dure sans nécessiter une trempe massive du noyau. La couche obtenue est généralement mince ; il faut cependant contrôler les impuretés et la fragilité potentielle de la couche.

Remarques finales

Le choix du traitement thermique et de surface dépend fortement de la composition de l'acier, de la géométrie de la pièce et des propriétés mécaniques recherchées (dureté, ténacité, résistance à l'usure). Une bonne maîtrise des paramètres (températures d'austénitisation, vitesses de refroidissement, maintien isotherme, éléments d'alliage) permet d'optimiser la microstructure et les performances finales.