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Traitements thermiques des aciers

Ces considérations sur la structure de l'acier, fonction des conditions de refroidissement, ont une grande importance pratique. Elles sont, en effet, à la base des divers traitements thermiques qui permettent d'attribuer à un acier un large éventail de propriétés.

Le plus simple de ces traitements est le recuit, qui comporte soit un chauffage au-dessus du point de transformation Ac1 – avec un maintien à cette température pendant une durée fonction de la massivité de la pièce à traiter – suivi d'un refroidissement contrôlé, soit un chauffage un peu au-dessous de ce point de transformation, avec un maintien prolongé à cette température, suivi d'un refroidissement qui peut être à l'air, par exemple. La vitesse du refroidissement, et la durée du maintien du chauffage, sont fonction de la composition de l'acier et de la massivité des pièces. Le recuit fait disparaître toutes les contraintes qui pouvaient subsister dans l'acier à la suite des déformations et des traitements thermiques ou mécaniques qu'il avait antérieurement subis. Il le ramène dans un état voisin de l'état d'équilibre avec une structure de cémentite, souvent globulaire, dispersée dans la ferrite. C'est l'état d'adoucissement maximal, qui est parfois le plus favorable pour l'usinage.

Un autre traitement thermique souvent pratiqué est la normalisation : celle-ci comporte un chauffage au-dessus du point de transformation Ac3, correspondant à la fin de la transformation de la ferrite en austénite, suivi d'un refroidissement à l'air. Il en résulte une homogénéisation de la structure et l'élimination d'une grande partie des contraintes, à condition que le refroidissement soit suffisamment lent pour ne pas développer des structures de trempe. La structure et les propriétés, à température ambiante, dépendent de la composition de l'acier, qui influe sur sa trempabilité, et des dimensions de la pièce, qui jouent sur sa vitesse de refroidissement. La normalisation permet cependant de mettre le métal dans un état bien reproductible, compte tenu de ces réserves.

Mais le durcissement par trempe est peut-être le traitement thermique le plus utilisé. Il consiste à chauffer l'acier au-dessus du point de transformation Ac3 – c'est ce que nous avons appelé l'austénitisation – et à le refroidir brusquement par immersion dans un liquide, eau ou huile, ou même simplement à l'air pour certains aciers (dits parfois autotrempants). L'alliage acquiert alors une grande dureté, d'autant plus grande qu'il est plus riche en carbone et/ou que sa teneur en éléments d'alliage est plus élevée (fig. 3). Rappelons que, dans cet état, la structure de l'acier est dite martensitique ; elle comporte parfois des restes d'austénite non transformée, ce qui explique la dureté moindre des aciers alliés très riches en carbone. Cette structure est fondamentalement instable, le carbone se trouvant en sursaturation dans la ferrite.

Acier trempé : dureté et teneur en carbone

Dessin : Acier trempé : dureté et teneur en carbone

La figure montre la variation de dureté de l'acier trempé en fonction de la teneur en carbone. On voit que la dureté est aussi accrue, dans une certaine mesure, par les éléments d'alliages. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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La déformation du réseau cubique centré de la ferrite en un réseau quadratique est la cause de la dureté élevée de la martensite. Mais elle provoque également une fragilité, d'autant plus grande que la teneur en carbone est plus élevée. Le durcissement par trempe est donc accompagné d'une fragilisation. C'est pour cette raison que le traitement de trempe est habituellement suivi d'un revenu, qui est un chauffage avec maintien plus ou moins prolongé à une température supérieure au point de transformation Ac1. Ce revenu a pour effet un adoucissement avec, simultanément, une diminution de la fragilité. Il permet d'ajuster les caractéristiques de résistance et de ductilité de l'acier à celles qui conviennent pour l'emploi envisagé.

Les phénomènes se produisant au cours du revenu sont parfois très complexes. Dans le cas des aciers non alliés, la cémentite précipite puis se « coalesce » à mesure que la température s'élève ou que la durée du revenu s'accroît : la dureté diminue progressivement. En présence d'éléments d'alliage, la précipitation de carbures alliés autres que la cémentite complique beaucoup les phénomènes. Il peut même se produire, dans certaines zones de température, des durcissements secondaires. Il faut tenir compte, enfin, de la décomposition de l'austénite résiduelle éventuelle, soit au cours du revenu, soit pendant le refroidissement consécutif à ce traitement. Les conditions du revenu, c'est-à-dire la température atteinte et la durée du maintien, doivent être fixées, suivant le but visé, en t [...]

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Découpe d’un tuyau en acier

Découpe d’un tuyau en acier
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Teneur en carbone

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Austénite : transformation

Austénite : transformation
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Acier trempé : dureté et teneur en carbone

Acier trempé : dureté et teneur en carbone
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Écrit par :

  • : docteur ès sciences, ancien directeur de recherche à la Compagnie des ateliers et forges de la Loire
  • : ingénieur call centre à l'Office technique pour l'utilisation de l'acier (O.T.U.A.)
  • : ingénieur en chef à l'Institut de recherches de la sidérurgie française, adjoint au directeur de l'Institut de recherches de la sidérurgie française
  • : directrice générale de l'Office technique pour l'utilisation de l'acier (O.T.U.A.)

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Pour citer l’article

Louis COLOMBIER, Gérard FESSIER, Guy HENRY, Joëlle PONTET, « ACIER - Technologie », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 16 janvier 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/acier-technologie/