Traitement thermique

Traitement thermique

Le traitement thermique d'un matériaux (par le chaud ou le froid) vise à en modifier certaines propriétés de (résistance en général). Il peut concerner des matériaux tels que le verre, le bois, le métal, ou des aliments.

Les traitements thermiques jouent également un rôle important dans le domaine de la tribologie, voir le chapitre spécialisé du Wikilivre Tribologie consacré à ce sujet .

Sommaire

Traitement thermique du verre

La recuisson du verre, dans certaines conditions, peut renforcer sa résistance au bris

Traitements thermiques du bois

Il permet[1]  :

  1. de rendre le bois plus foncé tout en lui donnant une couleur plus homogène ;
  2. de donner une meilleure stabilité dimensionnelle au bois ;
  3. d'offrir une meilleure résistance aux champignons (en portant le bois au-delà d'une certaine température, ce qui dégrade le glucose), mais en affectant sa résistance ou son aspect (aspect pelucheux parfois), plus chez les feuillus que chez les résineux.
Article détaillé : rétification.

En métallurgie

Le traitement thermique d'une pièce de métal 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 ou changement moléculaire de surface (traitement de surface).


Généralités

Solution solide de substitution (haut) et d'insertion (bas) dans un cristal.

Dans les métaux, les atomes sont organisés sous la forme de cristaux : ils forment une structure ordonnée. Des atomes étrangers — impuretés, éléments d'alliage — peuvent s'introduire dans ce réseau, soit en substitution des atomes « de base », soit en insertion, c'est la notion de solution solide.

Par ailleurs, il peut y avoir des cristaux de plusieurs types, comme des inclusions par exemple. Les cristaux minoritaires sont appelés « précipités ».

Avec l'élévation de la température, les atomes du cristal s'agitent autour de leur position et s'écartent les uns des autres, provoquant la dilatation. Cela a plusieurs conséquences :

  • l'espace entre les atomes augmente, ce qui permet d'accueillir plus d'atomes en solution d'insertion, et des atomes plus gros ;
  • par conséquent, on peut avoir une dissolution des précipités : les atomes de ces cristaux passent en solution solide ;
  • les atomes s'agitant, ils deviennent mobiles et peuvent se déplacer dans le cristal, phénomène appelé diffusion ;
  • dans certains cas, les atomes du cristal se réorganisent en une autre phase cristallographique, on parle d'allotropie.

Ce sont ces mécanismes qui entrent en jeu lors des traitements thermiques.

Cas des matériaux ductiles

Un matériau ductile est un matériau pouvant se déformer plastiquement ; ceci est utilisé pour la mise en forme (laminage, tréfilage, forgeage, …). Cette déformation provoque des défauts d'organisation des atomes dans le cristal, ce qui durcit la matière : ce phénomène est l'écrouissage.

Si l'on chauffe de manière modérée le métal, on donne de la mobilité aux atomes, ils se réorganisent et éliminent les défaut d'organisation. On adoucit ainsi la matière. Ce procédé est appelé recuit.

Cas des précipités

Les précipités ont pour effet de durcir la matière, ce que l'on nomme le durcissement structural. Lorsque l'on chauffe suffisamment le métal, les précipités se dissolvent, cette phase est appelée « mise en solution ». Si l'on laisse le métal se refroidir lentement, les précipités se reforment. Par contre, si l'on refroidit rapidement — trempe —, alors les atomes n'ont pas le temps de bouger pour reformer les précipités, ils restent en solution. Une fois à température ambiante, les atomes n'ont plus assez de mobilité pour former les précipités.

Si l'on chauffe modérément le métal, on redonne de la mobilité aux atomes et l'on forme des précipités. Ce procédé, appelé maturation, est utilisé pour les alliages d'aluminium et pour les aciers à haute limite élastique.

Cas des transformations allotropiques

Pour certains métaux, l'organisation des atomes change au dessus d'une certaine température. Si l'on refroidit rapidement par une trempe, alors les atomes n'ont pas le temps de bouger pour reprendre leur structure à basse température. Cela peut produire des effets divers selon l'alliage. On peut jouer sur la vitesse de refroidissement pour laisser les atomes se réorganiser partiellement.

La trempe

La trempe s'effectue après une mise en solution de certains composés : Il s'agit de maintenir le matériau 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).

Article détaillé : Trempe.

Cas des aciers

À basse température, l'acier est biphasé à l'état stable : il est composé de cristaux de fer avec du carbone en solution solide (structure ferritique ou α), et de cristaux de carbures de fer Fe3C.

L'acier présente une transformation allotropique : il est cubique centré à basse température (ferrite α), et cubique à faces centrées à haute température (structure austénitique ou γ). La structure austénitique présente des sites d'insertion plus grands. Lorsque l'on chauffe dans la zone austénitique, les carbures se dissolvent (mise en solution).

Si la teneur en carbone est suffisante, alors un refroidissement rapide permet aux atomes de fer de se réorganiser (transformation γ → α) — transformation dite displacive — mais pas aux atomes de carbone de bouger pour reformer des carbures — transformation dite diffusive. On a formation d'une structure sursaturée en carbone qui durcit l'acier. Ce phénomène est favorisé par la présence d'éléments d'alliage en faible teneur (chrome, nickel, molybdène). Selon la vitesse de refroidissement, on forme de la martensite ou de la bainite.

Si la vitesse de refroidissement est très rapide — hypertrempe —, on fige la structure γ. On obtient un acier austénitique à température ambiante. C'est le cas de nombreux aciers inoxydables.

Article détaillé : Trempe#Cas de l'acier.

Cas des alliages d'aluminium

Certains alliages d'aluminium présentent un durcissement par formation de précipités avec des éléments d'alliage : Al2Cu pour les alliages contenant du cuivre, Mg2Si pour les alliages contenant du magnésium et du silicium, … Ce phénomène est appelé durcissement structural.

Avec l'élévation de température, vers 500 °C, ces précipités se dissolvent, c'est la mise en solution. La trempe empêche la reformation des précipités. À l'inverse des aciers, la trempe a donc pour conséquence un adoucissement de l'alliage.

Le revenu (tempering)

Température de traitement thermique des aciers en fonction de la teneur en carbone
  1. recuit de recristallisation ;
  2. recuit de détensionnement ;
  3. température de trempe ;
  4. recuit complet ;
  5. recuit d'homogénisation.

Le revenu se pratique après une trempe, pour réduire les contraintes internes créées durant celle-ci. Le revenu permet d'améliorer la résistance mécanique des pièces traitées, de rétablir les valeurs de résilience et de rendre l'acier moins fragile, plus ductile. La dureté diminue également quelque peu (Dissolution de certains composés fragiles tels que les carbures favorisées).

La méthode consiste à chauffer la pièce à une température inférieure à celle d'austénitisation, température déterminée en fonction du type de matériau, et de refroidir cette pièce très lentement.

Remarque 
L'utilisation d'un four à vide permet à la matière de rester pure et exempte d'oxydation.
Article détaillé : Revenu (métallurgie).

Le recuit complet

« Ce traitement consiste à chauffer l'acier à une température appropriée et à traverser ensuite le domaine de transformation par un refroidissement lent effectué de préférence dans le four ou toute autre installation bien isolée thermiquement. Le refroidissement lent se poursuit généralement aux basses températures. Le but du recuit peut être d'affiner le grain, d'adoucir l'alliage, d'améliorer l'usinabilité. »

— Sidney H. Avner, Introduction à la métallurgie physique, Centre collégial de développement de matériel didactique, p. 281

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. Pour les aciers, on a deux types de recuits :

  • soit on chauffe jusqu'à austénitisation totale de la pièce mais sans laisser les grains trop grossir, puis on laisse refroidir lentement, ce qui lui fait retrouver ses anciennes propriétés ; on « rejoue » en quelque sorte la solidification, les grains de ferrite et de cémentite sont recréés à partir de l'austénite ;
  • soit on chauffe en dessous de la température d'austénitisation, juste pour activer la mobilité des atomes.

On le fait aussi pour diminuer les dislocations, et donc relaxer l'énergie élastique stockée pendant la déformation : en augmentant la température, on augmente aussi la diffusion et donc les dislocations vont disparaître. On fait un adoucissement du métal ; ce phénomène porte le nom de restauration. Si le taux de déformation est important et la température suffisamment élevée, on peut même avoir une recristallisation.

Article détaillé : recuit.

La maturation

La maturation est un chauffage modéré. Son but est de donner de la mobilité aux atomes pour leur permettre de former des précipités. On utilise parfois le terme « vieillissement », traduction littérale du terme anglais aging.

Le but de la maturation est de provoquer un durcissement structural. Il est utilisé sur les acier à haute limite élastique dits « maraging », et sur certains alliages d'aluminium.

Courbes de refroidissement

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 :

  • les courbes obtenues en refroidissement continu, ou diagrammes TRC ;
  • les courbes obtenues avec des paliers isothermes, ou diagrammes TTT.

Les technologies de mise en température et de traitement

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). Ces atmosphères , actives ou passives, présentent des risques importants (intoxication au monoxyde de carbone, explosion en cas d'utilisation d'hydrogène). 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 des composés azotés liquides à base de cyanure.

Voir aussi

Bibliographie

  • (fr) R. Fayolle, B. Courtois, Ateliers de traitement thermique — Hygiène et sécurité, INRS [1], 2001 
  • (fr) J. Barralis, G. Maeder, Précis de métallurgie — Élaboration, structures-propriétés et normalisation, Nathan/Afnor, 1991 (ISBN 2-09-194017-8), p. 70-104, 125-127 

Articles connexes

Références

  1. Bächle F., Niemz P. [2011]. Traitement thermique du bois. WSL : 19/01/2011.

Liens externes

Sur les autres projets Wikimedia :


Wikimedia Foundation. 2010.

Contenu soumis à la licence CC-BY-SA. Source : Article Traitement thermique de Wikipédia en français (auteurs)

Игры ⚽ Нужно решить контрольную?

Regardez d'autres dictionnaires:

  • Traitement thermique — ● Traitement thermique opération thermique que l on effectue sur un métal ou un alliage à l état solide afin de modifier sa structure …   Encyclopédie Universelle

  • traitement thermique — terminis apdorojimas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. baking; heat treatment; thermal processing vok. Wärmebehandlung, f rus. тепловая обработка, f; термическая обработка, f; термообработка, f pranc. traitement à chaud, m; traitement… …   Fizikos terminų žodynas

  • traitement thermique — šiluminis apdorojimas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. baking; heat treatment; thermal processing vok. thermische Behandlung, f; Wärmebehandlung, f rus. термическая обработка, f pranc. traitement thermique, m …   Automatikos terminų žodynas

  • traitement thermique — terminis apdorojimas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Medžiagos arba gaminio savybių keitimas kaitinant. atitikmenys: angl. heat treatment; thermal processing vok. thermische Behandlung, f; Wärmebehandlung, f rus.… …   Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

  • Traitement thermique superficiel — Les traitements thermiques superficiels sont des techniques visant à conférer à certaines pièces mécaniques des caractéristiques mécaniques différentes à cœur ou en surface. En effet, dans de nombreux cas, les pièces mécaniques sont soumises à… …   Wikipédia en Français

  • traitement thermique au four microhertzien — mikrobanginis kepinimas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. microwave baking vok. Härtung im Mikrowellenofen, f; Mikrowellenhärtung, f; Sinterung im Mikrowellenofen, f rus. микроволновое спекание, n pranc. traitement thermique… …   Radioelektronikos terminų žodynas

  • traitement thermique microhertzien — mikrobanginis kepinimas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. microwave baking vok. Härtung im Mikrowellenofen, f; Mikrowellenhärtung, f; Sinterung im Mikrowellenofen, f rus. микроволновое спекание, n pranc. traitement thermique… …   Radioelektronikos terminų žodynas

  • traitement thermique de trempe — grūdinimas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Staigus įkaitintos medžiagos ataušinimas. atitikmenys: angl. hardening vok. Abschrecken, n; Abschreckung, f; Härten, n; Härtung, f rus. закалка, f pranc. traitement de trempe …   Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

  • traitement thermique de trempe — grūdinimas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. chilling; hardening vok. Abschreckung, f; Härtung, f rus. закалка, f pranc. traitement de trempe, m; traitement thermique de trempe, m; trempe, f …   Fizikos terminų žodynas

  • traitement thermique après exposition — iškaitinimas po eksponavimo statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. postexposure bake vok. Ausglühen nach der Belichtung, n rus. термообработка после экспонирования, f pranc. traitement thermique après exposition, m …   Radioelektronikos terminų žodynas

Share the article and excerpts

Direct link
Do a right-click on the link above
and select “Copy Link”