TP n°3 : Trempe des aciers TP BM1

Materials Engineering and Technology (BM1) /12 1

Département génie mécanique

ENISO matériaux

TP n° 3

Trempe des aciers

Durée :

3 h

Objectifs :

Etudier l’influence du milieu de la trempe sur certaines caractéristiques

mécaniques et structurales des aciers ;

Etudier l’influence de la vitesse de refroidissement, en utilisant les diagrammes

TRC, sur la structure de l’acier après trempe.

Documents ressources et matériels :

1. Annexe 1 : Notes de cours, trempe des aciers ;

2. Annexe 2 : Diagrammes TRC et Micrographies après transformation

en refroidissement continu de l’acier C45 ;

3. Annexe 3 : lois de refroidissement à l’eau, à l’huile et à l’air ;

4. Annexe 4 : diagramme d’équilibre Fer-Carbone et microstructure

de quelques alliages ;

5. Matériels utilisés :

Eprouvettes en acier ; Polisseuse ; Duromètre ;

Four électrique ; Bains de trempes ;

.

I. Introduction

Les traitements thermiques des métaux et alliages on pour but de modifier les propriétés

de ces corps uniquement par variation de température. Les catégories de traitement

thermique :

- La trempe ;

- Le revenu ;

- Le recuit.

La détermination des traitements thermiques à imposer à un métal est basée sur :

- L’observation des points critiques du métal (diagramme fer-carbone) ;

- La température de chauffage ;

- L’étude du refroidissement.

II. APERCU THEORIQUE (Document réponse)

II.1. Quel est le but de trempe ;

II.2. Déterminer la vitesse critique de l’acier étudié ;

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III. TRAVAIL EXPERIMENTAL

Partie 1

Trempe de l’acier

On dispose de quatre échantillons en acier de même nuance (C45).

1- Un échantillon sera prix comme un échantillon de référence (Etat initial) il ne sera pas

mis dans le four. Polir une de ces faces avec un papier abrasif 120 (utiliser la

polisseuse) et mesurer sa dureté Brinell HB (utiliser un duromètre et un pénétrateur

Brinell : bille de 2,5 mm de diamètre.

2- Prendre les trois autres échantillons et les mettre au four à une température de

chauffage de 850°C pendant 30 mn phase d’austénitisation.

3- Sortir du four les trois échantillons et trempe chacun dans un milieu de trempe (un dans

l’eau, l’autre dans l’huile et le dernier à l’air libre). Utiliser une pince pour saisir les

échantillons.

4- Polir une des faces de chaque échantillon avec un papier abrasif de 400 et mesurer la

dureté Rockwell de chacun HRC : utiliser un duromètre avec un pénétrateur Rockwell

qui est un cône de 120° au sommet.

Travail demandé :

1- Compléter le document réponse.

Partie 2 Examen métallographique

But : Identifier les structures relatives à chaque bain de trempe (chaque milieu de trempe).

Reprendre les échantillons déjà trempés (eau, huile, air) et procéder au polissage de

l’autre face (sur la première face que vous avez poli et vous avez mesuré la dureté) en

utilisant du papier abrasif dans l’ordre suivant :

1. 120, 240, 400, 600, 800,1000 et attention il ne faut pas que l’échantillon se chauffe.

2. Interrompre l’opération de polissage si vous sentez que la chaleur de la pièce s’élève.

3. Reprendre cette opération de polissage après refroidissement. (Ne jamais refroidir les

pièces à l’eau).

Mettre le disque feutre sur la polisseuse, arroser avec une solution d’alumine en

suspension et continuer l’opération de polissage jusqu'à ce que la surface ressemble à un

miroir (vous pouvez voir votre visage dans la surface polie) ;

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Attaque chimique pour l’observation microscopique :

1. Verser un peu de Nitral 5% en volume (5% d’acide nitrique+95% Ethanol) dans le

récipient en verre ;

2. Mettre la surface préalablement polie dans le Nitral et la faire remuer pendant 30 à 1

mn (prendre pour notre cas 45 secondes) ;

3. Pour arrêter l’attaque chimique arroser la pièce à l’eau ;

4. Sécher la pièce avec un chiffon propre sans frotter ;

5. Observer la structure de la surface à l’aide de microscope optique (Objectif 100) ;

6. Représenter schématiquement vos observations au microscope, identifier les

constituants et les comparer avec les images types.

Compléter le document réponse.

IV. COMPTE RENDU (Document réponse)

Le rapport doit contenir une partie expérimentale décrivant brièvement ce qui a été fait

pendant la séance et une partie théorique est nécessaire. Il doit également contenir une

discussion des résultats obtenus. Il ne s’agit pas simplement d’observer et de décrire les

échantillons séparément, mais de comprendre et d’expliquer les phénomènes à partir de

groupes d’échantillons que l’on comparera pour mettre en évidence l’influence de tel ou tel

paramètre.

C’est aussi dans cette partie que l’étudiant mettre les réponses aux éventuelles questions

posées par l’assistant. On peut mettre un résumé des résultats principaux, ce que vous

avez appris, une critique de la méthode etc., dans une conclusion.

L’étudiant est appelé à faire un exposé oral à la fin de chaque TP et doit

préparer pour la réponse à toute question posée par l’enseignant.

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(Document réponse)TP3 : trempe des aciers …………………….… ……….………….…… ……..…………………

APERCU THEORIQUE

1. But de trempe :

…………………………………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………………………………….

…………………….………………………………………………………………………………

2. Déterminer la vitesse critique de l’acier étudié :

…………………………………………………………………………………………………….

…………………….………………………………………………………………………………

TRAVAIL DEMANDE

Partie 1 : Trempe de l’acier

1. En utilisant le diagramme fer carbone, justifier le choix de la

température d’austénitisation de l’acier utilisé:

…………………………………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………………………………….

…………………….………………………………………………………………………………

2. Comparer les duretés avant trempe (dureté de l’échantillon

de référence) et les duretés après trempe pour chaque milieu

(eau, air, huile).:

Dureté

Hmoy 1ère Mesure 2ème Mesure 3ème Mesure

Eprouvette de référence Ei

Ep1 : Refroidissement à l’eau

Ep2 : Refroidissement à l’huile

Ep3 : Refroidissement à l’air

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…………………………………………………………………………………………………….

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(Document réponse)TP1 : trempe des aciers

3. En se servant de diagramme TRC de l’acier étudié et des lois

de refroidissement des milieux de trempe, pour le même diamètre

de l’échantillon utilisé, déterminer qualitativement

la constitution de l’acier après trempe.

…………………….………………………………………………………………………………

…………………….………………………………………………………………………………

…………………….………………………………………………………………………………

4. Relever les différentes duretés relatives à chaque milieu de

trempe (Diagramme TRC) et les comparer avec celles obtenues

expérimentalement. Conclure.

…………………….………………………………………………………………………………

…………………….………………………………………………………………………………

…………………….………………………………………………………………………………

…………………….………………………………………………………………………………

…………………….………………………………………………………………………………

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Annexe1

Notes de cours, trempe des aciers

1.1- la trempe :

Etude de mécanisme de la trempe : la trempe est utilisée pour donner à l’acier une

ténacité convenable. L’opération de trempe consiste à porter l’acier à une température dite

température d’austénitisation puis à le refroidir suffisamment vite par immersion dans un

milieu convenable (eau, air, huile….).

1.2- facteurs de trempe :

composition chimique de l’acier

température de la trempe

loi de refroidissement pour un acier de composition chimique donnée, seuls les deux

facteurs température et loi de refroidissement qui régissent le mécanisme de la

trempe.

1.3- influence de la vitesse de refroidissement :

Refroidissement lent (de l’ordre de 100°C par heure : correspond à une pièce laissée

à l’intérieure d’un four éteint), le métal est à l’état de perlite (HB=125 à 225).

Refroidissement moyennement rapide (100° par minute pièce abandonnée à l’air), le

métal est à l’état de troostite, constituant dont la composition physico-chimique est

identique à celle de la perlite, mais qui en diffère par la structure : les lamelles de

ferrite et de cémentite sont plus rapprochées.

Refroidissement rapide (de l’ordre de 100° par seconde correspond à celui des petites

pièces trempes à l’eau), le métal est à l’état de martensite constituant très dur.

1.4 Etats structuraux des aciers trempés :

Bainite : formée par la transformation de l’austénite dans un intervalle de température

comprise entre celle ou se forme la perlite et celle ou apparait la martensite.

Entre 400°C et 500°C sa structure est composée d’agrégat assez grossier de ferrite dans

laquelle la cémentite a précipité en bâtonnets ou plaquettes. Elle est nommée Bainite

supérieure.

Entre 300°C et 400°C elle est composée de ferrite plus au moins sous forme d’aiguilles,

contenant une cémentite très finement précipitée. C’est la bainite inférieure.

Martensite : c’est une solution sursaturée en atomes de carbone bloqués dans l

réseau cristallin subit une distorsion et est le siège de tensions très élevées qui rendent ce

constituants d’autant plus dur et cassant que sa teneur en carbone est plus grande.

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La martensite est généralement obtenue par une vitesse de refroidissement assez rapide,

variable avec la composition chimique de l’acier.

L’austénite : les constituants précédents sont issus de la transformation de

l’austénite. Une transformation incomplète laisse subsister à la température

ambiante de l’austénite résiduelle (r)

1.5- Etat des grains :

Le but d’un traitement thermique c’est d’affiner les grains (obtenir des grains fins). Un

gros grain facilite la transmission de la chaleur et le refroidissement, par contre il fragilise

l’acier en facilitant la propagation de la cassure, réduit la résistance aux chocs et à la fatigue.

On détermine la grosseur de grain par un examen métallographique : on compte le nombre

de grains par unité de surface (mm2) et on définit l’indice de grain G, plus le nombre de grain

par mm2 est grand plus le grain est fin. G est défini par :

M=8.2 G ou m représente le nombre de grain par mm2.

Exemple : G=2 grain grossier d =175 mm

G= 6 grain moyen d = 45mm

G=11 grain fin d =7.5 mm

d : diamètre moyen du grain

Gros grains ……… Grains fins 1.6- Chauffage :

La montée en température doit être suffisamment lente pour éviter les tapures et les

déformations, en principe elle doit être d’autant plus lente que le métal est plus dur, plus

riche en carbone et en éléments d’additions tel que (Mn,W, Cr), que la section à chauffer est

importante et massive, que la conductivité du métal est plus faible. Le remède consiste à

faire un préchauffage.

Remarque.

On ne préchauffe pas des pièces de petites dimensions, de forme simple, de sections

uniformes conçues en aciers doux ou mi-durs de construction.

Par contre on préchauffe toujours les pièces en aciers durs, aciers à outils, aciers rapides.

La température de trempe est de Ac3+50°C pour les aciers hypoeutectoides (<0.85%de

carbone) et est de Ac1 pour les aciers hypereutectoides.

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Cycle de chauffage pour une trempe

Exemple (Diagramme TRC, 35 CD 4)

Diagrammes TRC de l’acier 35 CD4 (exemple)

T°C

Ac3

Ac1

Ac3+50°C

Temps de

maintien

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Annexe 2

Diagrammes TRC de l’acier C45 (XC48)

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Annexe 3

Lois de refroidissement à l’eau

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Lois de refroidissement à l’huile

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Lois de refroidissement à l’air