C A R N O T L a r e c h e r c h e pour les entreprises Guide de choix des trait

C A R N O T L a r e c h e r c h e pour les entreprises Guide de choix des traitements superficiels version à jour en janvier 2018 Performances Sommaire Performances Guide de choix des traitements superficiels version à jour en janvier 2018 C A R N O T L a r e c h e r c h e pour les entreprises Auteurs : Marc BUVRON, Cetim Christian TOURNIER, CHTC © CENTRE TECHNIQUE DES INDUSTRIES MÉCANIQUES (CETIM), 2018 ISSN 1767-2546 ISBN 978-2-36894-123-2 « Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit de cet ouvrage faite sans l’autorisation du CETIM est illicite. Elle constitue une contrefaçon. Seules sont autorisées, d’une part les reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective et, d’autre part, les analyses et courtes citations justifiées par le caractère scientifique ou d’information de l’œuvre dans laquelle elles sont incorporées. » (Code de la propriété intellectuelle, articles L. 122-5 et L. 335-2) Sommaire Présentation du guide .................................................................................................................................................................7 1 Introduction ...................................................................................................................................................................................................8 2  Aspects métallurgiques du choix des traitements superficiels et des aciers ....................................................................................................................................................10 2‑1 Le traitement de cémentation ......................................................................................................................................10 2‑1-1 Principe de la cémentation ........................................................................................................................................10 2‑1-2 Principaux domaines d’application ...................................................................................................................10 2‑1-3 La structure des couches cémentées............................................................................................................10 2‑1-4  Comportement des structures obtenues par cémentation vis-à-vis des sollicitations de service.....................................................................................................................................13 2‑1-5  Influence de la nature de l’acier sur la structure des pièces cémentées ................17 2‑1-6 Réalisation de la cémentation ................................................................................................................................19 2‑1-7  Cémentation (et nitruration) des aciers inoxydables à haute température (850‑1150 °C) ..................................................................................................................24 2‑1-8 Pour en savoir plus sur la cémentation .......................................................................................................26 2‑2 Le traitement de carbonitruration.........................................................................................................................28 2‑2-1 Principe de la carbonitruration .............................................................................................................................28 2‑2-2 Principaux domaines d’application ...................................................................................................................28 2‑2-3 Structure des couches carbonitrurées.........................................................................................................28 2‑2-4  Comportement des structures obtenues par carbonitruration vis-à-vis des sollicitations de service............................................................................................................29 2‑2-5  Influence de la nature de l’acier sur la structure des pièces carbonitrurées ............33 2‑2-6 Réalisation de la carbonitruration .....................................................................................................................36 2‑2-7  Nitrocarburation austénitique ou carbonitruration à basse température (600‑710 °C)....................................................................................................................40 2‑2-8 Pour en savoir plus sur la carbonitruration............................................................................................41 2‑3 Les traitements de « nitrurations » .....................................................................................................................42 2‑3-1 Principe..........................................................................................................................................................................................42 2‑3-2 Principaux domaines d’application ...................................................................................................................42 2‑3-3 Structure des couches nitrurées .........................................................................................................................43 2‑3-4  Comportement des structures obtenues par nitruration vis‑à‑vis des sollicitations de service............................................................................................................44 2‑3-5  Influence de la nature de l’acier sur la structure des pièces nitrurées....................50 2‑3-6 Réalisation..................................................................................................................................................................................52 2‑3-7  Les nitrurations des aciers inoxydables à basse température (500‑600 °C) ............56 2‑3-8  Les traitements (cémentation, nitruration, nitrocarburation) en phase S.............58 2‑3-9 Pour en savoir plus sur les nitrurations.....................................................................................................67 2‑4 Le traitement de trempe après chauffage superficiel................................................................70 2‑4-1 Principe..........................................................................................................................................................................................70 2‑4-2 Principaux domaines d’application ...................................................................................................................70 2‑4-3 Structure des pièces traitées ..................................................................................................................................70 2‑4-4  Comportement des structures obtenues vis-à-vis des sollicitations de service.....................................................................................................................................................................................72 2‑4-5 Influence de la nature de l’acier sur la structure ..............................................................................75 4 2‑4-6 Réalisation de la trempe après chauffage superficiel .....................................................................................................76 2‑4-7 Trempe après chauffage superficiel des aciers inoxydables ....................................................................................80 2‑4-8 Pour en savoir plus sur la trempe après chauffage superficiel ............................................................................82 3  Méthode de choix des traitements superficiels........................................................................................................84 3‑1  Les grandes étapes du choix des traitements superficiels....................................................................................84 3‑2  Choix global d’une solution acier-traitement en fonction des sollicitations de service..............................................................................................................................................................................85 3‑2-1 Rappel sur les sollicitations superficielles .................................................................................................................................85 3‑2-2  Choix des aciers de construction mécanique et de leurs traitements ...........................................................91 3‑2-3 Choix des aciers inoxydables et de leurs traitements thermiques ....................................................................94 3‑3 Choix des traitements superficiels..........................................................................................................................................................97 3‑3-1 Aciers de construction mécanique .......................................................................................................................................................97 3‑3-2 Aciers inoxydables..............................................................................................................................................................................................100 3‑4  Expression du choix du traitement superficiel et rédaction du plan ou de la spécification technique ................................................................................................................................................................103 3‑4-1 Choix et risques de déformation après traitement ..........................................................................................................104 3‑4-2 Les épaisseurs de traitement .................................................................................................................................................................104 3‑4-3 Le dessin des toiles fines ............................................................................................................................................................................104 3‑4-4 Prise en compte des contraintes résiduelles au niveau du dessin .................................................................104 3‑4-5  Les recouvrements dans les traitements de trempe après chauffage superficiel......................................................................................................................................................................105 3‑4-6 Spécification des traitements superficiels partiels........................................................................................................106 3‑4-7  Définition du contour de traitement sur les plans et spécifications.............................................................109 3‑4-8 Spécification matière et traitement.................................................................................................................................................109 3‑5  Pour en savoir plus sur le choix des traitements superficiels ........................................................................110 4  Traitements complémentaires couramment appliqués après traitement superficiel........................................................................................................................................................................111 Annexe A..................................................................................................................................................................................................................................................115 A1 Introduction...........................................................................................................................................................................................................................116 A2  Généralités sur la notion de structure ..............................................................................................................................................116 A2‑1 Description de la structure.........................................................................................................................................................................116 A2‑2 Relation entre structure et propriétés............................................................................................................................................120 A3  Microstructure des aciers de construction mécanique..............................................................................................121 A3‑1 Les solutions solides.........................................................................................................................................................................................121 A3‑2 Les carbures...............................................................................................................................................................................................................122 A3‑3  Domaine d’existence des différentes phases : diagrammes d’équilibre ....................................................122 A3‑4 Changements de phases dans les aciers .....................................................................................................................................123 A3‑5 Les transformations hors d’équilibre dans les aciers...................................................................................................126 A3‑6 Le revenu et les structures de revenu .............................................................................................................................................128 A3‑7 Notion de grain dans les aciers ..............................................................................................................................................................130 A3‑8 Changement de volume lors des transformations............................................................................................................130 A4  Microstructure des aciers et propriétés d’emploi .............................................................................................................130 A5  Prévision des microstructures des aciers : les courbes TRC et TTT ........................................................132 A5‑1 Les courbes TRC....................................................................................................................................................................................................132 A5‑2 Les courbes TTT ......................................................................................................................................................................................................134 A6  La trempabilité..................................................................................................................................................................................................................135 5 A7  La pratique du traitement thermique .................................................................................................................................................136 A7‑1 Les moyens de chauffage.............................................................................................................................................................................137 A7‑2 Les milieux de chauffage..............................................................................................................................................................................139 A7‑3 Les moyens de refroidissement .............................................................................................................................................................140 A8  Les différentes familles de traitement thermique...........................................................................................................141 A8‑1 Classification..............................................................................................................................................................................................................141 A8‑2 Les recuits....................................................................................................................................................................................................................141 A8‑3 Autres traitements dans la masse......................................................................................................................................................143 A8‑4 Le durcissement par trempe et revenu ..........................................................................................................................................144 A8‑5 Le durcissement par précipitation......................................................................................................................................................145 A8‑6  Les traitements de trempe après chauffage superficiel.............................................................................................146 A8‑7  Les traitements de diffusion ou traitements thermochimiques ..........................................................................146 A8‑8  Les dépôts ou revêtements réalisés par voie thermique ............................................................................................147 A9  Métallurgie et microstructures des différentes familles d’aciers inoxydables .........................147 A10  Traitement thermique des aciers inoxydables...................................................................................................................150 A10‑1 Aciers martensitiques...................................................................................................................................................................................150 A10‑2  Aciers martensitiques à durcissement par précipitation........................................................................................151 A10‑3 Aciers inoxydables austénitiques......................................................................................................................................................152 A10‑4 Aciers ferritiques................................................................................................................................................................................................153 A10‑5 Aciers austéno-ferritiques ........................................................................................................................................................................154 A10‑6  Les traitements superficiels des différentes familles d’aciers inoxydables.......................................154 A11  Métallurgie des traitements superficiels ..................................................................................................................................154 A11‑1 La trempe après chauffage superficiel.......................................................................................................................................155 A11‑2  Cémentation et carbonitruration à haute température.............................................................................................157 A11‑3  Les nitrurations et nitrocarburations à basse température .................................................................................160 A12  Les contraintes résiduelles ..........................................................................................................................................................................166 A12‑1 Origine des contraintes................................................................................................................................................................................166 A12‑2  Influence des contraintes résiduelles sur les propriétés d’emploi..............................................................168 A12‑3  Contraintes résiduelles et traitement thermique............................................................................................................169 A12‑4  Les contraintes en trempe après chauffage superficiel...........................................................................................170 A12‑5  Les contraintes dans les traitements thermochimiques.........................................................................................173 A12‑6 Conclusion sur les contraintes............................................................................................................................................................177 A13  Pour en savoir plus sur la métallurgie.........................................................................................................................................177 Annexe B ...................................................................................................................................................................................................................................................179 B1  Introduction............................................................................................................................................................................................................................180 B2  La prévision des caractéristiques de dureté après trempe et revenu par la lecture des normes et des catalogues des producteurs........................................................................181 B3  Prévision de la dureté et de la structure après trempe par exploitation des caractéristiques jominy garanties dans les normes ou contractuellement .......................185 B4  La prévision des structures et des duretés lors de la trempe ou du recuit par l’utilisation des courbes TTT ou TRC..................................................................................................187 B5  Méthode PREVERT .........................................................................................................................................................................................................188 B5‑1 Les principes de base.......................................................................................................................................................................................188 B5‑2 Application....................................................................................................................................................................................................................190 B6  La prise en compte du revenu pour la prévision des caractéristiques..................................................190 B6‑1 Les sources utilisables ....................................................................................................................................................................................190 B6‑2  L’équivalence temps/température lors du revenu et ses conséquences sur le choix ..................191 6 B7  Exemple de choix d’acier réalisé en utilisant les courbes de Wyss ...........................................................192 B7‑1  Détermination de la distance jominy équivalente à la distance sous la surface de la pièce considérée comme le « cœur »....................................................................................192 B7‑2  Détermination de la dureté de l’acier que l’on souhaite obtenir à l’état brut de trempe.........194 B7‑3  Choix de l’acier ayant une trempabilité permettant d’obtenir la dureté h à la distance j [8, 9]..............................................................................................................................................................................................194 B7‑4 Cas pratique................................................................................................................................................................................................................195 B8  Pour en savoir plus sur le choix des aciers en fonction de la taille de la pièce .........................197 7 Présentation du guide L a première édition du Guide de choix des traitements superficiels a été réa- lisée en 1985. Son but était alors de mettre à disposition des mécaniciens les raisonnements métallurgiques qui conduisent au choix d’un acier et de son traitement adapté à la réalisation d’une pièce mécanique. Récemment, la commission traitement thermique du Cetim a souhaité que ce guide, dont la logique est toujours valable, soit actualisé. Un groupe de travail a été constitué pour définir le contenu de cette nouvelle édition qui constitue une complète refonte du guide initial. Plusieurs grandes orientations ont ainsi été déterminées : ◗ 1/ L’approche structurale pour la présentation et le choix des traite- ments a été conservée et enrichie. En effet, un mode de raisonnement sur une base métallurgique est le seul qui permette des choix techniques pertinents, indé- pendants des considérations commerciales, celles-ci pouvant intervenir ensuite sur des bases claires. Pour favoriser la compréhension de cette approche, il a paru utile d’ajouter, dans une annexe, une présentation des bases de la métallurgie, dans la mesure où celles-ci ne sont pas toujours bien connues des mécaniciens. ◗ 2/ Les dernières évolutions de la recherche et de l’industrie ont été intégrées grâce à une importante étude bibliographique. ◗ 3/ Le champ d’application des aciers concernés par les traitements superficiels a été élargi aux aciers inoxydables et des méthodes de choix ont été définies pour les différentes familles d’aciers. Participants du groupe de travail : Stéphane CHOMER (THERMI-LYON) uploads/Ingenierie_Lourd/ guide-choix-traitements-thermiques.pdf

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• Publié le Aoû 13, 2021
• Catégorie Heavy Engineering/...
• Langue French
• Taille du fichier 20.2573MB