COURS DE MÉTHODES DE FABRICATION Édition 2010, entièrement refondue TEXTE J.F.

COURS DE MÉTHODES DE FABRICATION Édition 2010, entièrement refondue TEXTE J.F. Debongnie 1er février 2010 2 Chapitre 1 Choix d'un acier 1.1 Introduction Les aciers ont toujours eu et conserveront sans doute longtemps un rôle central en construction mécanique en raison de leurs excellentes propriétés mé- caniques et de leur faible prix. Dans la pratique industrielle courante, le bu- reau d'études se contente de spéci er ses exigences quant à l'acier à utiliser : résistance, dureté, ductilité, résilience. C'est alors au bureau de méthodes qu'in- combe la tâche du choix eectif d'un acier convenable et aussi économique que possible. Le présent chapitre a pour seul but d'indiquer une voie pratique pour mener le choix d'un acier et de son traitement thermique. A ce titre, il ne fait qu'utiliser les résultats connus de métallographie et ne se substitue en rien aux cours spéci quement consacrés à la science des matériaux. 1.2 Traitements thermiques des aciers La gure 1 représente le diagramme d'équilibre fer-carbone des aciers, qui sert de base à la discussion qui suit. 1.2.1 Fer pur Le fer pur se présente sous deux formes :  Le fer α (T < 906◦C) a une structure cristalline cubique centrée. Il ne dissout pratiquement pas le carbone et il est doux et malléable.  Le fer γ (T > 906◦C) a une structure cristalline cubique à faces centrées. Il dissout facilement le carbone, dont les atomes trouvent aisément une place au centre des mailles du réseau. 1.2.2 Aciers Pour les aciers au carbone, on trouve les structures suivantes : 1. A haute température, on retrouve du fer γ, qui peut contenir jusqu'à 2, 06% de carbone : c'est l'austénite. L'extrémité droite de la zone d'aus- ténite constitue la frontière entre les aciers et les fontes. 2. Lors d'un refroidissement lent à partir de l'austénite, on pourra obtenir 3 4 CHAPITRE 1. CHOIX D'UN ACIER  De la ferrite, qui est du fer α contenant peu de carbone. La ferrite a peu de dureté (HB = 800...1000MPa) , peu de résistance (Rm ≈280MPa) et une grande ductilité (A = 35...40%).  De la cémentite, qui n'est autre que le carbure de fer Fe3C. La cémentite est très dure (HRC ≈65), très fragile et contient 6, 7% de carbone.  Un eutectoïde, appelé perlite, mélange hétérogène de ferrite et de cémen- tite, souvent sous forme lamellaire, à 0, 8% cde carbone. La perlite est re- lativement dure, (HB = 2000...2500MPa), résistante (Rm ≈880MPa) et assez ductile (A = 15...20%). 1.2.3 Trempe Le fer γ qui constitue la matrice de l'austénite est caractérisé par un réseau cubique à faces centrées. Le vide laissé au centre de chaque maille constitue un emplacement de choix pour des atomes de carbone. C'est ce qui explique la grande solubilité du carbone dans le fer γ. La situation est toute diérente dans le réseau cubique centré du fer α qui, bien que moins dense, ne possède pas de tels interstices : le carbone y est bien moins soluble. Lors d'un refroidissement lent faisant passer du réseau γ au réseau α, les atomes de carbone situés au centre des mailles γ diusent hors du réseau pour former ailleurs de la cémentite ( g. 2) [23]. Par contre, lors d'un refroidissement très rapide, les atomes de carbone n'ont pas le temps de diuser de la sorte et se placent tant bien que mal dans les maigres espaces laissés sur les faces et les arêtes du réseau α (f ig. 3) [23, 5]. Or, ceci n'est possible qu'au prix d'une déformation du réseau. La structure ainsi obtenue est la martensite. Pleine de contraintes internes, la martensite est la structure la plus dure que l'on puisse obtenir avec des aciers (HRC ≈50...65), mais elle est très fragile (A = 1...5%). Le traitement de trempe a précisément pour but de provoquer la réaction martensitique de manière à accroître la dureté. Il consiste à chauer la pièce jusqu'à obtenir de l'austénite, à maintenir cette température un certain temps pour obtenir une bonne dissolution du carbone, puis à le refroidir brutalement, par exemple en la trempant dans de l'eau ou de l'huile (d'où le nom de trempe). Une trempe est complète si tout le métal a été préalablement austénitisé. Sinon, elle est partielle. Pour les aciers hypoeutectoïdes, on pratique la trempe complète, c'est-à-dire que l'on chaue à A3 + 50◦C. En eet, entre A1 et A3, il resterait de la ferrite tendre. Par contre, pour les aciers hypereutectoïdes, l'austénite correspondante serait trop riche en carbone et on risquerait d'obtenir des tapures de trempe. Aussi se limite-t-on à chauer à A1 +50◦C, température où apparaissent une austénite pratiquement eutectoïde et de la cémentite. Le produit de la trempe est donc dans ce cas un mélange martensite + cémentite, mais de toute façon, la cémentite est elle-même très dure. Pour des vitesses de refroidissement moindres, on obtient des structures de dureté intermédiaire, troostite et bainite. On appelle vitesse critique inférieure de trempe la plus petite vitesse de re- froidissement pour laquelle la transformation martensitique apparaît. La vitesse critique supérieure de trempe est la vitesse de refroidissement à partir de laquelle toute l'austénite se transforme en martensite. Lorsque la vitesse de trempe est exagérément rapide, l'acier conserve sa structure austénitique. On dit alors qu'il est hypertrempé. (C'est l'état normal des aciers Had eld). 1.2. TRAITEMENTS THERMIQUES DES ACIERS 5 Un acier est dit d'autant plus trempable que la vitesse nécessaire pour le durcir est plus faible. Les aciers très doux (C < 0, 2%) ne sont pas du tout trempables. La trempabilité peut être augmentée à l'aide d'éléments d'alliage. Les plus e caces sont, par ordre décroissant d'in uence, C, Mo, V a, Cr, Mn, Ni, Si Comme la vitesse de refroidissement, dans une pièce donnée, est d'autant plus faible que le point considéré est plus distant de la surface en contact avec le milieu trempant, la trempabilité d'un acier se traduit aussi par son aptitude à acquérir par trempe une dureté en profondeur. Un acier très trempant aura donc, après trempe, une dureté à c÷ur plus proche de sa dureté en surface qu'un acier moins trempant. C'est ce qui justi e l'essai Jominy dont nous parlerons plus loin. On dit qu'un acier est autotrempant quand sa dureté après trempe ne dépend pratiquement pas de la vitesse de refroidissement. De tels aciers peuvent se tremper à l'air, et leur dureté à c÷ur est voisine de leur dureté en surface. La transformation martensitique s'accompagne d'une augmentation de vo- lume et d'une déformation du réseau cristallin. Il en résulte des déformations plus ou moins notables des pièces, qu'il convient de corriger par recti cation. A l'origine, c'est d'ailleurs dans ce but que le procédé de recti cation a été dé- veloppé. Signalons cependant qu'à l'heure actuelle, il est possible de couper les aciers les plus durs avec des outils en nitrure de bore cubique. 1.2.4 Revenu Pour atténuer l'eet néfaste de fragilisation de la trempe, on pratique le revenu, qui consiste à chauer la pièce à une température très inférieure à A1, puis à la refroidir. Il faut être bien conscient que cette opération, si elle diminue la fragilité, ce qui est heureux, fait aussi décroître la dureté, ce qui l'est moins, et ce, d'autant plus que la température de revenu est plus élevée. La température de revenu est généralement choisie entre 500◦C et 650◦C. Il faut éviter , pour un certain nombre d'aciers alliés, les température situées entre 300◦C et 500◦C qui peuvent amener à la fragilité de revenu encore appelée fragilité au bleu. Quelle est l'in uence de la durée du revenu ? L'expérience montre que la dureté diminue rapidement pendant la première demi-heure de traitement, puis n'évolue plus que très lentement. Il existe donc une durée limite de revenu, au- delà de laquelle il n'est pas nécessaire de prolonger le traitement. C'est pourquoi on préconise souvent une heure comme durée minimale du revenu. La vitesse de refroidissement en n d'opération n'a en principe pas d'im- portance, car il ne se produit pas de transformation cristalline en-dessous de A1. On est donc tenté de refroidir la pièce aussi rapidement que possible en la trempant dans l'eau, de manière à accélérer la production. Il existe une seconde raison de refroidir rapidement la pièce : éviter de rester trop longtemps dans la zone de fragilité du revenu. La seule limitation à la vitesse de refroidissement est liée aux contraintes thermiques qui ne doivent pas être destructives. Cette limitation est surtout vraie pour les pièces de forme tourmentée. Signalons encore que la littérature allemande appelle améliorés (vergütet) les aciers trempés et revenus. Nous adopterons cette terminologie et appellerons par la suite aciers d'amélioration les aciers conçus pour un traitement thermique 6 CHAPITRE 1. CHOIX D'UN ACIER de trempe et revenu. Notons en n qu'en anglais, trempé se dit quenched et que dans cette langue, tempered signi e revenu et non trempé, comme on pourrait le croire. 1.2.5 Recuit On appelle généralement recuit un traitement consistant à chauer une pièce à une température assez uploads/Ingenierie_Lourd/ cours-methodes-de-fabrication.pdf

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