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Le traitement thermique est l'une des nombreuses opérations contrôlées de chauffage et de refroidissement utilisées pour provoquer un changement souhaité dans les propriétés physiques d'un métal. Son but est d'améliorer les propriétés structurelles et physiques du métal pour une utilisation particulière ou pour un travail futur. Il existe cinq procédés de base de traitement thermique :
Bien que chacun de ces procédés donne des résultats différents pour le métal, ils comportent tous trois étapes de base :
Le chauffage est la première étape d'un processus de traitement thermique. De nombreux alliages changent de structure lorsqu'ils sont chauffés à des températures spécifiques. La structure d'un alliage à température ambiante peut être soit un mélange mécanique, soit une solution solide, soit une combinaison.
Un métal sous forme de mélange mécanique à température ambiante se transforme souvent en une solution solide ou partielle lorsqu'il est chauffé. Une telle modification de la composition chimique entraîne certaines modifications prévisibles de la taille et de la structure des grains. Cela conduit à la deuxième étape du processus de traitement thermique : le trempage.
Une fois qu'une pièce métallique a été chauffée à la température à laquelle les changements souhaités dans sa structure se produiront, elle doit rester à cette température jusqu'à ce que la pièce entière ait été chauffée de manière uniforme sur toute sa longueur. C'est ce que l'on appelle le trempage. Plus la pièce a de masse, plus elle doit être trempée longtemps.
Une fois que la pièce a été correctement trempée, la troisième étape consiste à la refroidir. Là encore, la structure peut changer d'une composition chimique à l'autre, elle peut rester la même, ou elle peut revenir à sa forme initiale. Par exemple :
Tous ces changements sont prévisibles. C'est pourquoi de nombreux métaux peuvent être rendus conformes à des structures spécifiques afin d'augmenter leur dureté, leur ténacité, leur ductilité, leur résistance à la traction, etc.
Toutes les opérations de traitement thermique impliquent le chauffage et le refroidissement des métaux. Les formes courantes de traitement thermique des métaux ferreux sont la trempe, le revenu, le recuit, la normalisation et la cémentation.
Un métal ferreux est normalement durci
La plupart des aciers doivent être refroidis rapidement pour les durcir. Le processus de durcissement augmente la dureté et la résistance du métal, mais aussi sa fragilité.
L'acier est généralement plus dur que nécessaire et trop cassant pour un usage pratique après avoir été trempé. De fortes contraintes internes se créent lors du refroidissement rapide du métal. Après avoir été trempé, l'acier est revenu pour soulager les tensions internes et réduire sa fragilité.
Le revenu consiste à chauffer le métal à une température donnée, puis à le laisser refroidir.
La vitesse de refroidissement n'a généralement aucun effet sur la structure du métal pendant la trempe. Par conséquent, le métal est généralement refroidi à l'air ambiant. Les températures utilisées pour le revenu sont normalement beaucoup plus basses que les températures de durcissement. Plus la température de trempe est élevée, plus le métal devient mou.
Les métaux sont recuits pour soulager les tensions internes, les ramollir, les rendre plus ductiles et affiner la structure de leurs grains. Le métal est recuit :
La vitesse à laquelle le métal est refroidi à partir de la température de recuit varie considérablement. L'acier doit être refroidi très lentement pour obtenir une douceur maximale. Cela peut se faire en enterrant la partie chaude dans du sable, des cendres ou une autre substance qui ne conduit pas facilement la chaleur (garnissage), ou en fermant le four et en laissant le four et la pièce refroidir ensemble (refroidissement du four).
Les métaux ferreux sont normalisés afin de réduire les contraintes internes produites par l'usinage, le forgeage ou la soudure. Les aciers normalisés sont plus durs et plus résistants que les aciers recuits. L'acier est beaucoup plus dur à l'état normalisé qu'à tout autre état. Les pièces qui seront soumises à des chocs et les pièces qui nécessitent une ténacité et une résistance maximales aux contraintes externes sont généralement normalisées. La normalisation avant le durcissement est bénéfique pour obtenir la dureté souhaitée, à condition que l'opération de durcissement soit effectuée correctement.
Les aciers à faible teneur en carbone n'ont généralement pas besoin d'être normalisés, mais la normalisation de ces aciers n'entraîne aucun effet néfaste. La normalisation est obtenue
La cémentation est un traitement thermique idéal pour les pièces qui nécessitent une surface résistante à l'usure et un noyau dur, telles que les engrenages, les cames, les chemises de cylindre, etc. Les procédés de cémentation les plus courants sont :
Au cours du processus de cémentation, un acier à faible teneur en carbone (soit un acier au carbone droit, soit un acier allié à faible teneur en carbone) est chauffé à une température spécifique en présence d'un matériau (solide, liquide ou gazeux) qui se décompose et dépose davantage de carbone à la surface de l'acier. Ensuite, lorsque la pièce est refroidie rapidement, la surface extérieure ou le boîtier devient dur, laissant l'intérieur de la pièce souple mais très dur.
Deux types d'opérations de traitement thermique peuvent être effectués sur les métaux non ferreux. Il s'agit :
La plupart des métaux non ferreux peuvent être recuits. Le processus de recuit consiste à :
La température et la méthode de refroidissement dépendent du type de métal. Le recuit est souvent effectué après diverses opérations de travail à froid car de nombreux métaux non ferreux deviennent durs et cassants après le travail à froid. Le recuit est également utilisé pour éliminer les effets du traitement thermique de mise en solution afin d'améliorer les qualités d'usinage ou de travail.
La résistance à la traction de nombreux alliages non ferreux peut être augmentée en faisant passer les matériaux contenus dans l'alliage dans une solution solide, puis en contrôlant le taux et l'étendue du retour à un mélange mécanique modifié. Cette opération est appelée traitement thermique de mise en solution. Après qu'un alliage a été chauffé à une température spécifiée, il est "trempé" ou refroidi rapidement, ce qui piège les matériaux dans la solution solide atteinte pendant le processus de chauffage. À partir de ce point, le processus varie fortement en fonction du métal. Pour s'assurer que les matériaux de l'alliage ne retrouvent pas leur configuration initiale après un certain temps, un processus de maturation ou de durcissement par précipitation doit suivre. Au cours de ce processus, les matériaux de l'alliage peuvent changer ou précipiter hors de la solution solide.
Ce processus se déroule dans des conditions contrôlées, de sorte que la structure granulaire résultante produira une résistance à la traction du métal plus élevée que dans son état initial. Selon l'alliage, ce processus de précipitation peut aussi consister simplement à faire maturer l'alliage à température ambiante pendant une durée déterminée, puis à le refroidir à l'air ; c'est ce qu'on appelle le vieillissement artificiel.
Le flux des grains est une orientation directionnelle des grains métalliques et de toute inclusion qui a été déformée par la forge. Les grains individuels sont allongés dans la direction de l'écoulement du métal ou de la déformation plastique.
Plus important encore, les inclusions non métalliques, les particules et autres imperfections héritées du processus de moulage (forgeage vs moulage) sont allongées dans la direction de l'écoulement des grains.
Il convient de noter que l'écoulement des grains se produit dans une certaine mesure dans tous les procédés de formation des métaux, et pas seulement dans le forgeage.
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