Les matériaux métalliques les plus utilisés en mécanique ont la propriété d’offrir la possibilité de modifier leurs propriétés mécaniques par l’application de traitements thermiques. C’est en quelque sorte un moyen de fabriquer des caractéristiques mécaniques.
Pour l’essentiel ces traitements se divisent en deux catégories : les traitements d’adoucissement destinés à faciliter la mise en œuvre et les traitements de durcissement destinés à augmenter la résistance pour supporter les contraintes d’emploi.
S’ajoutent à ces deux domaines les traitements d’élimination des contraintes résiduelles : traitements de relaxation, de détensionnement ou de stabilisation dont la température de maintien dépend des alliages (500 à 600°C sur les aciers et fontes, 120 à 150°C sur les alliages d’aluminium, 500 à 600°C sur les alliages de titane) et les traitements de mise en solution appelés improprement hypertrempe des aciers austénitiques destinés à éliminer les carbures précipités qui pourraient affecter la résistance à la corrosion.
Les traitements d’adoucissement appartiennent à la famille des recuits qui ont pour effet soit d’éliminer les effets d’un écrouissage par recristallisation, soit de régénérer des structures en mettant en jeu des changements de phase, soit de modifier la morphologie des constituants durs comme les carbures en les faisant évoluer sous forme de particules sphériques (globulisation ou coalescence) ou encore d’obtenir des tailles de grain souhaitées comme dans le cas des recuits magnétiques des alliages à haute perméabilité magnétique.
Les traitements de dégazage comme la déshydrogénation sont également pratiqués, le plus souvent après un revêtement de surface.
Les traitements de durcissement passent par une mise en solution (austénitisation sur les alliages fer-carbone) suivi d’un refroidissement rapide, trempe des aciers et fontes ainsi que des alliages d’aluminium. Le durcissement s’obtient directement par maîtrise de la vitesse de refroidissement (trempe martensitique) et fera l’objet d’un éventuel ajustement par revenu ou après une précipitation conduisant à un durcissement secondaire ou structural par maturation – vieillissement ou par revenu. Ce mécanisme de durcissement secondaire se rencontre sur de nombreux alliages : aciers dits à durcissement structural, super-alliages base nickel, certains alliages cuivreux, alliages d’aluminium. Les gains en résistance sont d’un facteur 2 à 3.
La prévision des mécanismes de transformation est donnée par les diagrammes d’équilibre et les courbes transformation – temps en refroidissement continu (courbes TRC) ou en refroidissement par palier (courbes TTT). Ces dernières permettent de réaliser des cycles de refroidissement interrompu pendant lesquels une transformation souhaitée est obtenue (recuit isotherme, trempe bainitique des aciers et fontes GS).
Les alliages fer-carbone reçoivent également des traitements thermiques superficiels permettant de durcir et d’induire des contraintes de compression sur une profondeur de l’ordre du mm (0,1 à 10 mm selon les procédés). Ces traitements se réalisent :
- soit par voie thermochimique : apport de carbone en cémentation sur les aciers (900 à 1000°C), apport de carbone et azote en carbonitruration (800 à 900°C) sur les aciers, apport d’azote en nitruration (500 à 580°C), apport d’azote et carbone en nitrocarburation ( 550 à 600°C) suivie d’une éventuelle post-oxydation sur les aciers et fontes
- soit par transformation structurale après chauffage superficiel par des moyens à haute énergie : induction électromagnétique, flamme, faisceau laser.
Les trois paramètres principaux des traitements thermiques sont la température qui doit être maîtrisée à quelques degrés près, le temps et la vitesse de refroidissement qui va soit maintenir des transformations d’équilibre (vitesse lente) soit conduire à des transformations hors d’équilibre. Ces trois paramètres pilotent les transformations de phase, les variations de solubilité et la diffusion qui intervient sur tous les mécanismes.
Ainsi un traitement thermique se représente par un cycle comprenant un chauffage (selon une allure imposée ou non), un maintien d’une durée déterminée et un refroidissement selon une allure imposée.
Le milieu de traitement est également un paramètre important soit parce qu’il protège l’alliage durant le traitement en créant un milieu neutre (vide ou atmosphère raréfiée, gaz neutre) ou un milieu réactif destiné à échanger avec la surface (atmosphère, sels fondus, lit fluidisé gazeux, poudres minérales) pour faire diffuser un ou des éléments contenus dans le milieu vers la surface (cémentations) ou pour faire diffuser vers le milieu un élément contenu dans l’alliage (décarburation).
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