Tratamentul termic al unei piese de metalic constă în supunerea acestuia la transformări structurale datorită încălzirii predeterminate și cicluri de răcire , în scopul de a îmbunătăți caracteristicile mecanice: duritate , ductilitate , limita elastică , etc.
Acest proces este adesea cuplat cu utilizarea unei atmosfere controlate atunci când piesa este adusă la temperatură, fie pentru a evita oxidarea acesteia , fie pentru a efectua o adăugare sau schimbare moleculară a suprafeței ( tratament de suprafață ).
În metale, atomii sunt organizați sub formă de cristale : formează o structură ordonată. Atomii străini - impurități, elemente de aliere - pot fi introduși în această rețea, fie prin substituirea atomilor „de bază”, fie prin inserție, aceasta este noțiunea de soluție solidă .
În plus, pot exista cristale de mai multe tipuri, cum ar fi incluziuni de exemplu. Cristalele minoritare sunt numite „ precipitate ”.
Odată cu creșterea temperaturii, atomii cristalului se agită în jurul poziției lor și se îndepărtează unul de celălalt, provocând dilatarea . Acest lucru are mai multe consecințe:
Acestea sunt mecanismele care intră în joc în timpul tratamentelor termice.
Un material ductil este un material care poate fi deformat plastic ; acest lucru este utilizat pentru formarea ( rulare , desen , forjare , etc. ). Această deformare provoacă defecte organizaționale în atomii din cristal, ceea ce întărește materialul: acest fenomen se întărește .
Dacă încălzim metalul moderat, dăm mobilitate atomilor, aceștia se reorganizează și elimină defectele de organizare. Acest lucru înmoaie materialul. Acest proces se numește recoacere .
Precipitatele au ca efect întărirea materialului, care se numește întărire structurală . Când metalul este încălzit suficient, precipitatele se dizolvă, această fază se numește „dizolvare”. Dacă metalul este lăsat să se răcească încet, precipitații se reformează. Pe de altă parte, dacă unul se răcește rapid - stingând - atunci atomii nu au timp să se miște pentru a reforma precipitatele, rămân în soluție. Odată ajunsi la temperatura camerei, atomii nu mai au suficientă mobilitate pentru a forma precipitate.
Dacă încălzim metalul moderat, restabilim mobilitatea atomilor și formăm precipitați. Acest proces, numit maturare, este utilizat pentru aliajele de aluminiu și pentru oțelurile cu limită elastică ridicată.
Pentru unele metale, organizarea atomilor se schimbă peste o anumită temperatură. Dacă ne răcim rapid prin stingere, atunci atomii nu au timp să se miște pentru a-și relua structura la temperatură scăzută. Acest lucru poate produce efecte diferite în funcție de aliaj. Putem juca pe viteza de răcire pentru a permite atomilor să se reorganizeze parțial.
Stingerea se efectuează după dizolvarea anumitor compuși: Aceasta implică menținerea materialului care trebuie stins la o temperatură suficientă și o perioadă suficientă de timp. Piesa este apoi scufundată într-un lichid (baie de ulei, apă, plumb topit etc.) sau este răcită cu un gaz (azot, aer etc.).
La temperatură scăzută, oțelul este bifazat într-o stare stabilă: este compus din cristale de fier cu carbon în soluție solidă (structură feritică sau α) și cristale de carbură de fier Fe 3 C.
Oțelul prezintă o transformare alotropică: este cubic centrat la temperatură scăzută ( ferită α) și cubic centrat pe față la temperatură ridicată (structură austenitică sau γ). Structura austenitică prezintă site-uri de inserție mai mari. Când oțelul este încălzit în zona de temperatură austenitică, carburile se dizolvă (soluție).
Dacă conținutul de carbon este suficient, răcirea rapidă permite atomilor de fier să se reorganizeze ( transformarea γ → α ) - așa-numita transformare displacivă - dar nu și atomii de carbon pentru a se muta în reformarea carburilor - așa-numita transformare difuzivă. S-a format o structură de carbon suprasaturată care întărește oțelul. Acest fenomen este favorizat de prezența elementelor de aliere cu conținut scăzut (crom, nichel, molibden). În funcție de rata de răcire, se formează martensită sau bainită .
Dacă rata de răcire este foarte rapidă - hipertringere - structura γ este înghețată. Se obține un oțel austenitic la temperatura camerei. Acesta este cazul multor oțeluri inoxidabile.
Anumite aliaje de aluminiu prezintă întărire prin formarea precipitatelor cu elemente de aliere: Al 2 Cupentru aliajele care conțin cupru, Mg 2 Sipentru aliajele care conțin magneziu și siliciu etc. Acest fenomen se numește întărire structurală .
Odată cu creșterea temperaturii, către 500 ° C , aceste precipitate se dizolvă, este dizolvarea. Stingerea previne reformarea precipitatelor. Spre deosebire de oțeluri, întărirea are ca rezultat o înmuiere a aliajului.
Călirea se practică după o stingere, pentru a reduce tensiunile interne create în timpul acesteia. Calirea trebuie făcută în decurs de 4 ore după tratamentul termic. Temperarea face posibilă îmbunătățirea rezistenței mecanice a pieselor tratate, pentru a restabili valorile de rezistență și pentru a face oțelul mai puțin fragil și mai ductil. Duritatea scade, de asemenea, oarecum (dizolvarea anumitor compuși fragili, cum ar fi carburile, favorizată).
Metoda constă în încălzirea piesei la o temperatură mai mică decât cea a austenitizării, o temperatură determinată în funcție de tipul de material și răcirea acestei părți foarte lent.
Notă Utilizarea unui cuptor sub vid permite materialului să rămână pur și să evite decarburarea la suprafață, ceea ce slăbește oțelul prin reducerea conținutului de carbon.„Acest tratament constă în încălzirea oțelului la o temperatură adecvată și apoi trecerea prin domeniul de transformare prin răcire lentă, de preferință efectuată în cuptor sau în orice altă instalație bine izolată termic. Răcirea lentă continuă de obicei la temperaturi scăzute. Scopul recoacerii poate fi rafinarea bobului, înmuierea aliajului, îmbunătățirea prelucrării. "
- Sidney H. Avner, Introducere în metalurgia fizică, Collegial Center for the Development of Educational Materials, p. 281
Recuocarea se face după tratament mecanic, operație de sudare etc. pentru a face materialul mai omogen și pentru a restabili unele dintre proprietățile sale anterioare. Pentru oțeluri, există două tipuri de recoacere:
Recocirea face posibilă și reducerea densității dislocării rezultate din deformarea plastică suferită de material în timpul tratamentului mecanic. Prin creșterea temperaturii, creștem difuzia atomilor și, prin urmare, mobilitatea luxațiilor, care astfel se pot combina și dispărea. Pot apărea apoi două fenomene: o înmuiere, numită și restaurare, care corespunde unei scăderi simple a densității dislocării sau unei recristalizări atunci când densitatea de dislocare prezentă depășește un prag critic.
Maturarea este o încălzire moderată. Scopul său este de a oferi mobilitate atomilor pentru a le permite să formeze precipitate. Uneori se folosește termenul „îmbătrânire”, o traducere literală a termenului englezesc îmbătrânire .
Scopul maturării este de a induce întărirea structurală . Se folosește pe oțeluri cu o limită elastică ridicată numită „ maraging ” și pe anumite aliaje de aluminiu.
Pentru a ajuta metalurgii și proiectanții în producția de piese destinate stingerii, există diagrame de răcire care permit să se cunoască în funcție de conținutul de carbon, timpul și tipul de răcire (ulei, apă ...), să cunoască constituenții metalografici prezenți în timpul prelucrării și odată ce piesa a fost rece, ceea ce face posibil să se asigure că caracteristicile obținute corespund cu cele căutate. Există două tipuri de curbe de răcire:
Reglajele de temperatură sunt efectuate în cuptoare cel mai adesea cu o atmosferă controlată sau cu o baie de sare.
Atmosferele controlate fac posibilă fie protejarea materialului, de exemplu împotriva oxidării, fie furnizarea unui strat suplimentar materialului (de exemplu, carbon sau azot pentru oțel pentru a îmbunătăți caracteristicile mecanice externe).
Sistemele de fabricație a atmosferei se numesc generatoare Care pot fi exoterme sau endotermice. Generatoarele exoterme sunt formate din arzătoare care epuizează atmosfera cuptorului cu oxigen și astfel previn oxidarea materialului. Generatoarele endoterme sunt sisteme care produc atmosfere active (de exemplu, carbonul care fixează monoxidul de carbon pe oțel). Aceste atmosfere, active sau pasive, prezintă riscuri semnificative (otrăvire cu monoxid de carbon, explozie la utilizarea hidrogenului). Riscurile asociate cu utilizarea acestor tehnici sunt considerabil reduse prin utilizarea cuptoarelor de joasă presiune (numite „cuptoare cu vid”) care necesită puține cantități de gaz atmosferic.
La cuptoarele de baie de sare permit o altă tehnică de aportul de molecule active pe suprafața materialului, în contact cu un lichid. De exemplu, băile cu cianură permit furnizarea atomilor de azot pentru a efectua nitrurarea . Cuptoarele de joasă presiune înlocuiesc în mod avantajos băile de sare de acest tip, permițând furnizarea de azot în formă gazoasă și în cantități mici, ceea ce este mult mai puțin periculos decât utilizarea compușilor de azot lichid pe bază de cianură .