Le traitement thermique est un processus qui modifie la structure interne des matériaux métalliques par chauffage, maintien et refroidissement afin d'obtenir les propriétés souhaitées. Au cours de ce processus, en raison des changements de température inégaux, des transformations structurelles et des contraintes au sein du matériau, la contrainte de traitement thermique est générée, ce qui a un impact significatif sur les performances du matériau, la stabilité dimensionnelle et le traitement ultérieur.
La contrainte de traitement thermique fait référence à la contrainte interne générée par la dilatation/contraction thermique inégale, les changements de volume non coordonnés lors des transformations structurelles et les contraintes externes (par exemple, moules, fixations) ou internes (par exemple, différences de propriétés dans différentes régions) au sein du matériau.
Son essence est la force mutuelle entre les atomes ou les grains lorsque l'arrangement atomique ou les changements de volume macroscopiques sont entravés, se manifestant comme une tendance à la déformation élastique ou plastique.
La génération de contrainte de traitement thermique est principalement liée à deux processus principaux :
Lorsque les matériaux sont chauffés ou refroidis, des changements de température inégaux dans différentes parties de la pièce (par exemple, surface par rapport au cœur, parois minces par rapport aux parois épaisses) entraînent des degrés variables de dilatation ou de contraction du volume :
- Phase de chauffage: La surface chauffe et se dilate en premier, tandis que le cœur reste plus froid avec une dilatation plus lente. La surface est contrainte par le cœur, générant une contrainte de compression, et le cœur est étiré par la surface, générant une contrainte de traction.
- Phase de refroidissement: La surface refroidit et se contracte en premier, tandis que le cœur reste plus chaud avec une contraction plus lente. La surface est contrainte par le cœur, générant une contrainte de traction, et le cœur est comprimé par la surface, générant une contrainte de compression.
Des vitesses de refroidissement plus rapides (par exemple, la trempe) créent des gradients de température plus importants, intensifiant la contrainte thermique.
Lors des transformations de phase à l'état solide (par exemple, austénite en martensite ou perlite), différentes structures ont des volumes spécifiques variables (par exemple, la martensite a un volume spécifique plus important que l'austénite). Les changements de phase asynchrones sur la pièce génèrent une contrainte structurelle :
- Par exemple, lors de la trempe, la surface subit d'abord la transformation austénite→martensite (dilatation de volume), tandis que le cœur reste austénitique. La dilatation de la surface est contrainte par le cœur, générant une contrainte de compression. Lorsque le cœur se dilate plus tard lors de la transformation de phase, la surface—déjà transformée et éventuellement durcie—contraint le cœur, entraînant une contrainte de traction dans le cœur et une contrainte de traction supplémentaire dans la surface.
Des différences plus importantes dans la vitesse et l'étendue de la transformation (par exemple, la formation concentrée de martensite à la surface lors de la trempe) augmentent la contrainte structurelle.
- Contraintes externes: La fixation par des pinces ou le contact avec des moules restreint la dilatation/contraction libre, exacerbant la contrainte.
- Contraintes internes: Les structures de pièces complexes (par exemple, rainures, angles vifs) ou la composition inégale des matériaux provoquent des différences de propriétés entre les régions, amplifiant la concentration de contrainte.
En fonction de l'étape de génération et de l'état d'existence, la contrainte de traitement thermique est classée en trois types :
Contrainte présente dynamiquement pendant le chauffage, le maintien ou le refroidissement, changeant avec la température ou la transformation de phase. Les exemples incluent :
- Contrainte thermique due aux gradients de température pendant le chauffage ;
- Contrainte structurelle instantanée due aux changements de volume lors des transformations de phase de refroidissement.
Si la contrainte transitoire dépasse la limite d'élasticité du matériau à cette température, une déformation plastique se produit ; le dépassement de la résistance à la rupture entraîne une fissuration immédiate (par exemple, fissures de trempe).
Contrainte restant dans la pièce après refroidissement à température ambiante, la contrainte résiduelle après libération partielle (par exemple, déformation plastique) de la contrainte transitoire. Sa répartition dépend des processus de traitement thermique :
- Les pièces trempées ont généralement une contrainte de compression résiduelle en surface (en raison de la dilatation de la martensite contrainte par le cœur) et une éventuelle contrainte de traction résiduelle dans le cœur ;
- Le recuit ou le revenu réduit la contrainte résiduelle, mais des processus inappropriés peuvent provoquer une nouvelle accumulation de contrainte.
- Contrainte thermique: Contrainte due à la seule dilatation/contraction thermique inégale, sans rapport avec la transformation structurelle (par exemple, dans les métaux purs ou les alliages non transformateurs).
- Contrainte structurelle: Contrainte due aux seuls changements de volume lors des transformations de phase, sans rapport avec les gradients de température (par exemple, contrainte de transformation de phase sous température uniforme idéale).
En pratique, les contraintes thermiques et structurelles coexistent souvent, formant collectivement une contrainte de traitement thermique.
La contrainte de traitement thermique (en particulier la contrainte résiduelle) a de multiples impacts sur les performances, le traitement et l'application des matériaux, avec des effets à la fois néfastes et bénéfiques lorsqu'elle est régulée.
- La contrainte résiduelle dépassant la limite d'élasticité du matériau provoque une déformation plastique (par exemple, flexion, gauchissement, écarts dimensionnels) ;
- Une contrainte résiduelle excessive (en particulier une contrainte de traction de surface) peut directement entraîner une fissuration (par exemple, « fissuration retardée » si le revenu est retardé après la trempe).
Exemple : L'acier à haute teneur en carbone peut se fissurer le long des joints de grains s'il n'est pas revenu après la trempe en raison de la contrainte de traction de surface.
- La contrainte résiduelle se libère progressivement lors du traitement ou de l'utilisation ultérieurs (par exemple, coupe, soudure, changements de température), provoquant une déformation secondaire et affectant les pièces de précision (par exemple, roulements, moules).
Exemple : Une contrainte résiduelle non relâchée dans les engrenages de précision peut provoquer des écarts de profil de denture après une utilisation à long terme en raison de la libération de la contrainte.
- La contrainte de traction résiduelle réduit la résistance à la fatigue (les fissures se déclenchent facilement aux points de concentration de contrainte sous charge cyclique) ;
- Une contrainte interne excessive peut augmenter la fragilité et réduire la ténacité au choc.
- Une répartition inégale de la contrainte résiduelle provoque une déformation incohérente lors de la coupe (par exemple, gauchissement des pièces à parois minces après l'usinage) ;
- Les régions de concentration de contrainte peuvent développer des fissures de rectification lors de la rectification ou du polissage.
Toutes les contraintes résiduelles ne sont pas néfastes ; des processus appropriés peuvent l'utiliser pour améliorer les performances :
- La contrainte de compression résiduelle de surface améliore la résistance à la fatigue (par exemple, les engrenages cémentés et trempés avec une contrainte de compression de surface ont une durée de vie plus longue) ;
- La précontrainte (par exemple, le maintien d'une contrainte de compression appropriée dans les ressorts après la trempe et le revenu) améliore la résistance à la déformation.
Pour atténuer les effets indésirables, la génération de contrainte doit être contrôlée par l'optimisation des processus, et la contrainte résiduelle éliminée par des traitements ultérieurs :
- Contrôler les vitesses de chauffage/refroidissement: Utiliser un chauffage par étapes (augmentation lente de la température) ou un refroidissement progressif (par exemple, trempe isotherme) pour réduire les gradients de température ;
- Optimiser la structure de la pièce: Éviter les angles vifs ou l'épaisseur de paroi inégale pour minimiser la concentration de contrainte ;
- Sélectionner les milieux appropriés: Utiliser le refroidissement à l'huile (plus lent que l'eau) pendant la trempe pour réduire la contrainte thermique ;
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