Problèmes posés par les traitements thermiques

Les traitements thermiques, chargés d’améliorer les propriétés des alliages, peuvent apporter néanmoins quelques défauts indésirables : on les rencontre au niveau des variations de forme ou de dimensions des pièces traitées, des contraintes résiduelles et de diverses altérations.

Pour cette raison, les traitements thermiques offrent certaines difficultés de réalisation, et l’utilisation des pièces traitées demande souvent des précautions.

Lors du refroidissement ou du chauffage, les vitesses de variations de la température au sein d’une pièce métallique sont limitées par la diffusivité thermique du matériau. Il s’ensuit des hétérogénéités de température dans la pièce, qui provoquent des hétérogénéités de variations dimensionnelles dont il résulte des contraintes.

Ces hétérogénéités sont essentiellement d’origine thermique ou d’origine structural.

Les hétérogénéités d’origine thermique sont remarqués dans des pièces qui ont des dimensions très grandes et des dimension relativement petites : comme les pièces longues ou les pièces qui possèdent une massivité et des rétrécissements de sections. En effet, il y aura une grande variation de températures, lors du refroidissement, entre les différents endroits de la pièce ce qui peut causer des distorsions (pour les pièces longues) ou des voiles (pour les pièces minces).

Pour cela, il faut souvent positionner soigneusement les pièces dans des montages convenables (montage vertical pour les pièces longues par exemple)

Lors de changement des phases au cours du refroidissement, la pièce ne subit pas le même changement dans touts ses endroits en même temps. Car la température est variable (gradient de température) et les structures internes dépendent de la température. Ce changement de structure cause aussi un changement de volume. Ceci cause donc des variations dimensionnelles, plus importantes le long des plus grandes dimensions, dues aux contraintes (causées par les changements de phases).

Dans les aciers, ces variations volumiques à la trempe sont de l’ordre de 1 %. Elles sont difficilement contrôlables et doivent être réparées par rectification sur des aciers durcis par trempe martensitique.

Ces phénomènes sont aussi souvent la cause de contraintes résiduelles et parfois même de tapures de trempe dans les aciers très chargés en carbone. Leur association avec l’effet des gradients thermiques décrits précédemment, peut devenir très dangereuse et conduire parfois à la rupture complète d’une pièce traitée. C’est particulièrement ennuyeux quand il s’agit d’une pièce très compliquée, soigneusement usinée, très chère et qui reçoit, en fin de fabrication, un traitement thermique pour lui conférer ses bonnes propriétés définitives.

Solutions :

Il faut donc limiter les gradients de température. Pour cela il faudrait que les transformations se fassent en même temps en tout point de la pièce. Cela nécessite donc des chauffages ou des refroidissements à vitesses modérées. Dans le cas d’une trempe nécessaire pour éviter une transformation dans un certain domaine de température, il sera judicieux de tremper dans un fluide à une température juste inférieure à cette zone de température pour assurer un refroidissement suffisant puis de refroidir ensuite plus lentement (à l’air par exemple) pour assurer une transformation plus régulière, dans la masse de l’alliage : c’est le principe des trempes étagées des aciers.