Quel est le but de la trempe de l’acier de construction au carbone ?

Quel est le but de la trempe de l’acier de construction au carbone ?
Le processus de trempe de l'acier de construction au carbone consiste à chauffer l'acier à la température d'austénitisation (généralement 30-50 degrés au-dessus de Ac3, nécessitant une austénitisation complète pour l'acier hypoeutectoïde), à ​​maintenir l'acier à cette température pendant un certain temps pour permettre à la microstructure de se transformer complètement en austénite, puis à le refroidir rapidement dans un milieu de refroidissement tel que l'eau ou l'huile. Son objectif principal est d'obtenir une amélioration « révolutionnaire » des propriétés mécaniques en modifiant la microstructure interne de l'acier (transformant l'austénite en structures hors équilibre telles que la martensite ou la bainite), notamment pour les exigences de résistance et de dureté. Ce processus peut être classé selon les quatre objectifs principaux suivants :
1. Améliorer considérablement la dureté de l'acier et la résistance à l'usure
La microstructure d'équilibre de l'acier de construction au carbone (par exemple, perlite + ferrite) a une dureté relativement faible (par exemple, la dureté laminée à chaud-de l'acier Q235 est d'environ HB150-180, et celle de l'acier 45 est d'environ HB170-210). Cela le rend inadapté aux applications nécessitant une résistance à l'usure et aux rayures (par exemple, surfaces résistantes à l'usure sur les pièces mécaniques et les bords d'outils). Lors de la trempe, l'austénite se refroidit rapidement (la vitesse de refroidissement doit dépasser la « vitesse de refroidissement critique »). Les atomes n'ont pas le temps de diffuser et de former une perlite d'équilibre, et sont plutôt forcés de former de la martensite. La martensite est une solution solide sursaturée de carbone dans -Fe, avec une distorsion de réseau importante et de nombreuses dislocations internes. Cela augmente considérablement la dureté :
L'acier de construction à moyen-carbone (tel que l'acier 45) peut atteindre une dureté de HRC55-60 après trempe, dépassant de loin celle de l'acier laminé à chaud.
L'acier de construction à haute teneur en carbone (tel que l'acier 65) peut même atteindre une dureté de HRC60-65 après trempe, se rapprochant du niveau de l'acier à outils ordinaire.
Cette dureté élevée améliore efficacement la résistance à l'usure des pièces et réduit l'usure lors de l'utilisation (par exemple, trempe des guidages de machines-outils et des flancs de dents d'engrenages).
2. Améliore considérablement la résistance de l'acier et la résistance à la déformation
En plus de la dureté, la trempe augmente considérablement la résistance à la traction, la limite d'élasticité et la résistance à la déformation de l'acier de construction au carbone. La ferrite dans la structure d'équilibre a une plasticité élevée mais une faible résistance, tandis que la perlite a une résistance modérée. La martensite, cependant, peut atteindre une augmentation de résistance de 50 à 100 % en raison de la distorsion du réseau et du renforcement des dislocations.
Par exemple, l'acier 45 a une résistance à la traction-laminée à chaud d'environ 600 MPa. Après trempe (sans revenu), la résistance à la traction s'élève à plus de 1 000 MPa et la limite d'élasticité passe de 355 MPa à plus de 800 MPa.
Pour les pièces qui supportent des charges, résistent aux chocs ou à la déformation (telles que les arbres, les bielles et les boulons), la haute résistance après trempe garantit que les pièces ne se déforment pas ou ne se fracturent pas dans des conditions de fonctionnement complexes, répondant ainsi aux-exigences de charge structurelles. 3.. équilibre."
Bien que les aciers de construction au carbone atteignent une dureté et une résistance extrêmement élevées après trempe, ils présentent des inconvénients importants : des contraintes internes élevées dans la structure martensitique, une mauvaise ductilité et une ténacité extrêmement faible (sujet à la rupture fragile, avec une absorption d'énergie d'impact généralement de seulement 5-10J). Une utilisation directe peut facilement conduire à une défaillance en raison d'impacts mineurs ou de concentrations de contraintes. Par conséquent, la trempe est rarement utilisée comme « traitement thermique final », mais plutôt comme précurseur du processus de revenu. Sa fonction principale est de fournir une « structure de base à haute -dureté et haute résistance » pour les ajustements ultérieurs des performances.
Un revenu ultérieur à différentes températures (revenu à basse température de 150 à 250 degrés, revenu à moyenne température de 350 à 500 degrés et revenu à haute température de 500 à 650 degrés) peut éliminer la contrainte interne de la martensite et améliorer la ténacité tout en conservant la majeure partie de la résistance trempée.
Par exemple, après trempe et revenu à haute température (trempe et revenu) de l'acier 45, la dureté est réduite à HRC 28-32, tandis que la résistance à la traction reste supérieure à 800 MPa et l'absorption d'énergie d'impact est augmentée à plus de 50 J. Cela permet d'obtenir un équilibre idéal entre « haute résistance et haute ténacité », ce qui en fait la solution complète d'optimisation des performances la plus couramment utilisée dans la fabrication de machines.. 4. Améliorer les performances locales et répondre aux exigences de « renforcement local »
Certaines pièces en acier de construction au carbone ne nécessitent pas une résistance globale élevée (pour éviter une fragilité globale) et nécessitent uniquement un renforcement des zones de travail critiques (telles que les surfaces d'usure et les zones de contraintes concentrées). Dans ces cas, la trempe peut permettre d'obtenir des « améliorations locales des performances » grâce à une approche « chauffage local + refroidissement local ».
Par exemple, les rails de guidage des machines-outils nécessitent une résistance à l'usure de surface (dureté élevée), mais la matrice du rail de guidage doit maintenir sa ténacité (pour éviter la rupture par impact). Ceci peut être réalisé grâce à une « trempe de surface par chauffage par induction ». Cela implique de chauffer uniquement la surface du rail de guidage jusqu'à l'austénitisation et de la refroidir rapidement, formant de la martensite trempée (dureté HRC 50-55) sur la surface tout en conservant la structure d'équilibre d'origine de la matrice (maintien de la ténacité).
Pour un autre exemple, la tête ou la partie filetée d'un boulon nécessite une résistance au cisaillement et à l'usure. La trempe locale peut atteindre des performances critiques tout en évitant la fragilité globale et en réduisant le risque de défaillance des pièces.