Premièrement, la contrainte de trempe subit un changement dimensionnel et un changement de forme.
La déformation due à la trempe présente deux types : la variation dimensionnelle et la déformation de forme. La variation dimensionnelle est la modification des dimensions causée par la dilatation ou la contraction induite par le changement de phase lors de la trempe. Elle se manifeste principalement par des déformations similaires telles que l’allongement, le raccourcissement, l’épaississement et l’amincissement. La déformation de forme, quant à elle, est principalement due à l’affaissement causé par le poids propre des pièces et à la distorsion de forme causée par les contraintes. Elle se manifeste par des déformations non similaires telles que le gauchissement, le pliage et la torsion. Bien entendu, si la taille change, la forme change également. Il est donc fréquent de confondre variation dimensionnelle et déformation, et ces deux phénomènes se chevauchent souvent. Il est plus approprié de les exprimer de manière figurative en utilisant le terme de déformation de trempe. En métallurgie, la déformation de trempe est définie comme l’état où la somme des contraintes générées dans les pièces après traitement thermique tend vers zéro.
L'apparition de la contrainte de trempe comporte trois étapes :
① Chauffage (basé sur l’élimination des contraintes internes) ;
② Isolation (affaissement dû au poids propre, c'est-à-dire flexion affaissée) ;
③ Refroidissement (basé sur un refroidissement non uniforme et une transformation de phase). Ces trois étapes se chevauchent et finissent par entraîner des contraintes de trempe dans les pièces.
Deuxièmement, 6 questions sur les changements dimensionnels
1. Causes des variations dimensionnelles : Les variations dimensionnelles sont généralement dues à des changements d'organisation, c'est-à-dire à une dilatation et une contraction causées par une transformation de phase. La dilatation se produit lors de la trempe, qui génère de la martensite, tandis que la contraction se produit lors de la formation d'austénite résiduelle. L'amplitude de la contraction est proportionnelle à la quantité d'austénite résiduelle. Lors du revenu, il s'agit généralement d'une contraction, tandis que les aciers alliés ayant subi plusieurs revenus et trempes subissent une dilatation. De plus, lors d'un traitement thermique à froid, la martensite issue de l'austénite résiduelle se dilate, entraînant des variations dimensionnelles. Le volume spécifique de ces structures augmente avec la teneur en carbone. Plus la teneur en carbone est élevée, plus la variation dimensionnelle est importante.
2. Modifications dimensionnelles et matérielles : La variation dimensionnelle (déformation de trempe) induite par la trempe dépend de la nature de l'acier. Le phosphore (P), le molybdène (Mo), le chrome (Cr), le carbone (C) et le manganèse (Mn) ont une influence importante sur cette variation, tandis que le silicium (Si) et le nickel (Ni) ont une influence moindre. Les aciers SKS3 et SKS31 (acier à outils W-Cr-Mn) utilisés pour les calibres et les outils de coupe présentent une faible déformation de trempe et sont même considérés comme inexistants. Par ailleurs, l'orientation des lignes de déformation plastique de l'acier influe fortement sur la variation dimensionnelle due à la trempe. Dans le sens longitudinal de ces lignes, la variation est importante ; perpendiculairement à ce sens, c'est-à-dire transversalement, elle est faible. Il est donc essentiel, lors du choix des matériaux, de veiller à la cohérence de l'orientation des lignes de déformation plastique. Enfin, la ségrégation linéaire des carbures influe également sur la variation dimensionnelle.
3. Trempe et modification dimensionnelle
(1) Variation dimensionnelle due uniquement aux changements d'organisation : Lors de la trempe de pièces en acier, diverses transformations d'organisation se produisent. Ces transformations entraînent des variations dimensionnelles. Lorsque la structure austénitique se transforme en structure martensitique (trempe complète), la variation dimensionnelle (dilatation) de la pièce est maximale ; lorsque la structure austénitique se transforme en structure bainitique, la variation dimensionnelle est environ trois fois plus faible ; et lorsqu'elle se transforme en structure perlitique (recuit), elle est environ quatre fois plus faible. De plus, la dilatation due à la martensite augmente avec la teneur en carbone de l'acier.
(2) Influence de l'austénite résiduelle : Sous l'effet de la trempe, même une faible quantité d'austénite résiduelle réduit d'autant la variation dimensionnelle due à la dilatation. Ainsi, la présence d'austénite résiduelle limite la variation dimensionnelle. Cependant, cette présence diminue la dureté après trempe et provoque une déformation due au vieillissement à température ambiante.
(3) Influence des carbures non dissous : lors de la trempe, moins de carbures sont dissous dans l’austénite ; autrement dit, plus il reste de carbures, plus la variation dimensionnelle est faible. Les modifications de la morphologie et du type des carbures résiduels n’entraînent pas de variations de volume et sont donc sans incidence sur les variations dimensionnelles.
(4) Effet du traitement à froid : Lorsque le traitement à froid est effectué, la quantité d'austénite résiduelle diminue et la quantité de martensite augmente, de sorte qu'un changement dimensionnel expansif se produit.
4. Trempe et modification dimensionnelle
(1) Décomposition de la martensite : La décomposition de la martensite induite par le revenu est à l’origine du retrait. L’amplitude de ce retrait dépend de la teneur en carbone de la martensite : plus cette teneur est élevée, plus le retrait est important. Toutefois, si l’on prend comme référence l’état initial avant trempe, le retrait dimensionnel global après trempe et revenu reste finalement positif.
(2) Effet des carbures non dissous : S'il y a des carbures non dissous, la teneur en carbone de l'austénite diminue et les carbures eux-mêmes n'affectent pas le changement dimensionnel, donc le changement dimensionnel dans la première étape du revenu (revenu en dessous de 200) est un retrait.
(3) Effet de l'austénite résiduelle : En présence d'austénite résiduelle, la variation dimensionnelle induite par le revenu est faible. Lorsque la température de revenu dépasse 200 °C, l'austénite résiduelle se transforme en bainite, provoquant une dilatation. Par conséquent, en début de revenu (en dessous de 200 °C), l'austénite résiduelle induit un rétrécissement. Au-delà de cette température, l'augmentation de la température de revenu entraîne la décomposition de l'austénite résiduelle, provoquant une dilatation.
5. Variations dimensionnelles de l'acier allié
Les carbures présents dans l'acier allié dissolvent souvent certains éléments, mais leur volume spécifique reste quasiment inchangé. Par conséquent, le traitement de l'acier allié est identique à celui décrit précédemment. Seule la quantité d'austénite résiduelle varie selon la nature et la quantité des éléments d'alliage, de même que la quantité de carbures. Il est donc nécessaire de tenir compte des variations dimensionnelles.
6. Comment réduire les variations de taille
Les variations dimensionnelles sont dues à des modifications de la structure après trempe ou revenu. Il est donc impossible de les éliminer complètement. Seules des méthodes de traitement thermique permettent de les réduire.
(1) L'expansion est due à la martensite ; la contraction est due à l'austénite résiduelle. Il convient donc de réduire la quantité de martensite et la teneur en carbone dissous dans la martensite, et d'augmenter la quantité d'austénite résiduelle. Cependant, il est important de noter que l'augmentation de l'austénite résiduelle entraîne une déformation due au vieillissement.
(2) Augmenter la quantité de carbures non dissous (carbures résiduels). (3) Utiliser une structure autre que la martensite pour durcir l'acier ; la bainite est la plus appropriée. Un acier composé à 50 % de bainite et à 50 % de martensite est dur et présente de faibles variations dimensionnelles, ce qui facilite le contrôle des dimensions.
(4) Le trempage doit être effectué.
Date de publication : 5 novembre 2024