Le traitement thermique d'une pièce consiste à lui faire subir des transformations de structure grâce à des cycles prédéterminés de chauffage et de refroidissement afin d'en améliorer les caractéristiques mécaniques : dureté, ductilité, limite d'élasticité, ...
Ce procédé est souvent couplé avec l'emploi d'une atmosphère contrôlée lors de la mise en température de la pièce, soit pour éviter son oxydation, soit pour effectuer un apport moléculaire à sa surface.
Les traitements thermiques jouent également un rôle important dans le domaine de la tribologie, voir le chapitre spécialisé du Wikilivre consacré à ce sujet (lien).
La trempe s'effectue après une mise en solution de certains composés : Il s'agit de maintenir le matériaux à tremper à une température suffisante et suffisamment longtemps. On plonge ensuite la pièce dans un liquide (bain d'huile, eau, plomb fondu, etc ) ou on le refroidit avec un gaz (azote, air, etc).
Dans le cas des aciers, le but est d'éviter la précipitation de certains composés et ainsi augmenter la dureté du matériau. Pour d'autres métaux, la trempe peut avoir l'effet inverse, par exemple avec les alliages d'aluminium ou aciers inoxydables.
La trempe des aciers comporte un chauffage jusqu’au-delà de la température d’austénitisation, un maintien à cette température pendant un temps déterminé et un refroidissement à une vitesse déterminée. Dans ce procédé intervient la mise en solution de précipités qui ont, de manière générale, des dimensions trop importantes pour obtenir finalement un durcissement optimal. C’est ici que le procédé d’austénitisation joue son rôle principal. Cette température doit être choisie de manière à assurer une bonne répartition des éléments d'alliage, ce qui assure un durcissement homogène. C'est pour cela qu'il est important, lors de la conception de pièces destinées à être trempées, de veiller à avoir une forme homogène de la pièce, afin d'éviter des concentrations de matière en certaines parties, qui peuvent poser problème lors du traitement thermique. Dans le domaine austénitique, le fer a une structure cubique à faces centrées (fer γ) qui possède des sites interstitiels plus grands que dans la structure cubique centrée (fer α), ce qui permet au carbone de se dissoudre beaucoup mieux dans le fer γ que dans le fer α. Si on le soumet maintenant à un refroidissement lent et en équilibre, il y aura précipitation du carbone et on retournera à l’état initial avant l’austénitisation, chose qui ne nous intéresse pas car on n’aura pas obtenu le durcissement souhaité. Par contre, si le refroidissement se produit à une vitesse assez rapide (gouvernée par différentes variables qu’on abordera plus tard), la précipitation est empêchée et en conséquence la matrice de fer est contrainte par les atomes de carbone. De cette façon, on obtient le durcissement. Ce traitement de trempe transforme l’austénite en martensite, qui présente une dureté proportionnelle à la teneur en carbone. De même, en fonction de la teneur en carbone du matériau, d'autres éléments peuvent apparaître, comme la bainite. En même temps, ce durcissement provoque aussi des effets indésirables comme par exemple une augmentation de la fragilité du matériau (résilience). C’est pour cette raison qu'après la trempe martensitique, on effectue toujours un revenu (au minimum un revenu de détente aux environs de 200°C). Après une trempe bainitique (ou trempe isotherme), le revenu est inutile.
De nombreuses variables influencent la qualité et les propriétés mécaniques de l’acier trempé et elles sont toutes importantes à maîtriser:
De plus, au cours de la trempe il apparaît certains problèmes qu’on doit éviter ou contrôler selon la qualité du produit final à obtenir. Au cours du chauffage la température n’est pas homogène dans la pièce (plus chaude sur la peau et plus froide au cœur). Ce gradient de température provoque des contraintes internes qui peuvent entraîner des déformations élastiques voire plastiques.
Pendant le refroidissement il existe aussi un gradient de température, mais de sens contraire. La transformation allotropique dont nous avons parlé ci-dessus (fer γ => fer α) implique aussi une déformation. À ce moment on assiste à une contraction volumique importante. On doit prêter beaucoup d’attention à ce point parce que comme la déformation est importante, elle peut provoquer des fissures en surface de la pièce. La résistance à la compression n’est pas la même qu’à la traction et le risque de fissuration est donc différent. C’est pour cette raison que le risque est présent particulièrement pendant le chauffage (il engendre des efforts de traction à la surface), mais on doit aussi contrôler le refroidissement (il engendre des contractions à la surface). C’est le liquide de trempe (entre autres) qui détermine la vitesse de refroidissement.
Un autre type de problèmes possibles lors de la réalisation d’une trempe sont les réactions avec l’atmosphère. Si on met l’acier en contact avec l’air, il peut y avoir décarburation et formation de calamine. L’acier peut être exposé à ces conditions non seulement pendant le chauffage mais aussi pendant le refroidissement (l’air libre est aussi un milieu de trempe). En connaissant les avantages et inconvénients de la trempe à l’air, on peut décider s’il vaut mieux choisir un liquide de trempe qui ne présente pas ces effets et en assumer les coûts. Voici quelques arguments qui justifient l’importance que les liquides de trempe ont dans les procédés de refroidissement.
Les alliages d'aluminium, comme les aciers, voient leurs caractéristiques augmentées par un traitement thermique.
En ce qui concerne les pièces de fonderie, les deux grandes familles d'alliages sont les AS (Aluminium-Silicium) et les AU (Aluminium-Cuivre) pour lesquels le cycle de traitement thermique est différent.
Dans tous les cas, les cycles précis sont donnés par des normes ou des spécifications particulières, en fonction de l'alliage.
La vitesse de refroidissement peut provoquer la formation de contraintes internes. On observe souvent une déformation des pièces lors de la trempe. Ce qui oblige à intercaler une opération appelée le redressage entre la trempe et le revenu (ou juste après la trempe dans le cas de certains AU). Cette opération, qui est réalisée sur un marbre en fonte, à l'aide de maillets, marteaux, masses ou même des presses pour les grandes pièces. Pour obtenir la bonne géométrie, l'opérateur utilise souvent un calibre de redressage ou des règles, équerres, vés, etc. Cette opération doit être effectuée le plus rapidement possible car au bout de quelques heures, il y a risque de casse de la pièce à cause de la l'augmentation de la dureté provoqué par la maturation de l'alliage.
A titre d'exemple, sur un alliage AS7G06 (environ 7% de Silicium, 0,6% de Magnésium),
(ces résultats sont des valeurs couramment observées et non des valeurs imposées par les normes).
Pour les alliages d'aluminium, la trempe a pour effet de diminuer la dureté au lieu de l'augmenter. Après trempe, par phénomène de maturation, les caractéristiques mécaniques augmentent naturellement à la température ambiante. Certains alliages pouvent atteindre leurs caractéristiques mécaniques d'usages. Ce phénomène est utilisé lors de la pose des rivets.
Voir l'article complet sur la trempe.
Le revenu se pratique après une trempe, par chauffage à une température inférieure à celle de la trempe. Il permet d'améliorer la résistance mécanique des pièces traitées en diminuant la dureté (en favorisant la dissolution de certains composés fragiles tels que les carbures) et les contraintes thermiques internes obtenues lors de la trempe. On chauffe à une température inférieure à celle d'austénitisation, puis on refroidit plus ou moins rapidement. Dans certains cas (alliages à durcissement structural) le revenu permet après trempe d'augmenter les caractéristiques mécaniques.
Le recuit se fait après un traitement mécanique, une opération de soudage, etc. afin de rendre plus homogène le matériau et lui rendre une partie de ses propriétés antérieures. On chauffe jusqu'à austénitisation totale de la pièce, puis on laisse refroidir lentement, ce qui lui fait retrouver ses anciennes propriétés.
Pour aider les métallurgistes et concepteurs à la réalisation de pièces destinées à la trempe, il existe des abaques de refroidissement qui permettent de savoir en fonction de la teneur en carbone, du temps et du type de refroidissement (huile, eau...), de connaître les constituants métallographiques présent lors de la transformation, et une fois la pièce froide, ce qui permet de s'assurer que les caractéristiques obtenues correspondent à celles recherchées. Il existe deux types de courbes de refroidissement. Tout d'abord les courbes obtenues en refroidissement continu. Ensuite les courbes obtenues avec des paliers isothermes.
Les mises en température sont effectuées dans des fours le plus souvent à atmosphère contrôlée ou à bain de sel.
Les atmosphères contrôlées permettent soit de protéger le matériau , contre l'oxydation par exemple, soit d'apporter une couche supplémentaire au matériau (par exemple, du carbone ou de l'azote pour l'acier pour améliorer les caractéristiques mécaniques externes).
Les systèmes de fabrication d'atmosphère sont appelés générateurs qui peuvent être exothermiques ou endothermiques. Les générateurs exothermiques sont constitués de brûleurs qui appauvrissent en oxygène l'atmosphère du four et évitent ainsi l'oxydation du matériau. Les générateurs endothermiques sont des systèmes qui produisent des atmosphères actives (par exemple du monoxyde de carbone fixant du carbone sur l'acier). Les risques liés à l'utilisation de ces techniques sont considérablement réduits par l'utilisation de fours à basse pression (dits "fours à vide") qui nécessitent peu de quantités de gaz d'atmosphère.
Les fours à bain de sels permettent une autre technique d'apport de molécules actives en surface du matériau , par contact avec un liquide. Par exemple , les bains de cyanure permettent d'apporter des atomes d'azote pour effectuer une nitruration. Les fours à basse pression remplacent avantageusement les bains de sels de ce type en permettant un apport d'azote sous forme gazeuse et en faible quantité, ce qui est beaucoup moins dangereux que l'emploi du cyanureou autre.