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Comprendre le test Jominy End-Quench

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L'essai de trempe en bout Jominy est utilisé pour mesurer la trempabilité d'un acier, qui est une mesure de la capacité de l'acier à durcir en profondeur dans un ensemble donné de conditions. Cet article examine les concepts de base de la trempe et le test de Jominy.

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La connaissance de la trempe des aciers est nécessaire pour choisir la combinaison appropriée d'acier allié et de traitement thermique afin de minimiser les contraintes thermiques et les déformations dans la fabrication de composants de différentes tailles. L'essai de trempe en bout Jominy est la méthode standard pour mesurer la trempabilité des aciers. Il s'agit de la capacité de l'acier à être trempé en profondeur par trempe. La trempe dépend de la composition chimique de l'acier et peut également être influencée par les conditions de traitement préalables, telles que la température d'austénitisation. Il est nécessaire non seulement de comprendre les informations de base fournies par le test, mais aussi de déterminer comment les informations obtenues par le test Jominy peuvent être utilisées pour comprendre les effets de l'alliage dans les aciers et la microstructure de l'acier.

Durcissement

La trempe est la capacité de l'acier à se transformer partiellement ou complètement de l'austénite à une certaine fraction de martensite à une profondeur donnée sous la surface lorsqu'il est refroidi dans des conditions données à partir de températures élevées. Un traitement de trempe et revenu utilise cette transformation de phase pour durcir les aciers. Le revenu de la microstructure de la martensite confère à l'acier une bonne combinaison de résistance et de ténacité. Sans revenu, la martensite est dure mais cassante.

Pour choisir un acier pour un composant qui sera traité thermiquement, il est important de connaître sa trempabilité. L'alliage et la microstructure influent tous deux sur la trempabilité, ce qui permet de sélectionner l'acier et le taux de trempe corrects. Le traitement préalable de l'acier affecte également la microstructure et doit être pris en compte.

Le durcissement des aciers peut être compris en considérant que la phase austénitique de l'acier peut se transformer en martensite (Fig. 1a) ou en un mélange de ferrite et de perlite (Fig. 1b) lors du refroidissement à haute température.

La réaction ferrite/perlite implique une diffusion qui prend du temps. Cependant, la transformation de la martensite n'implique pas de diffusion et est essentiellement instantanée. Ces deux réactions sont compétitives et la martensite est obtenue si la vitesse de refroidissement est suffisamment rapide pour éviter la formation plus lente de ferrite et de perlite. Dans les aciers alliés, la réaction ferrite/perlite est encore ralentie, ce qui permet d'obtenir de la martensite à des vitesses de refroidissement plus lentes. La transformation vers une autre phase possible (bainite) peut être comprise de la même manière.

La trempabilité décrit la capacité de l'acier à durcir en profondeur dans un ensemble donné de conditions. Par exemple, un acier d'une trempe élevée peut se transformer en une fraction élevée de martensite à des profondeurs de plusieurs millimètres en refroidissant relativement lentement, comme une trempe à l'huile. En comparaison, un acier à faible trempabilité ne peut former qu'une fraction élevée de martensite jusqu'à une profondeur inférieure à 1 mm, même avec un refroidissement assez rapide, tel qu'une trempe à l'eau.

Les aciers à haute aptitude à la trempe sont nécessaires pour fabriquer des pièces de grande taille et à haute résistance mécanique (telles que de grandes vis d'extrusion pour le moulage par injection de polymères, des pistons pour brise-roche, des supports d'arbres de mine et des trains d'atterrissage d'avion) et de petites pièces de haute précision (comme des moules, perceuses et presses pour le moulage sous pression de pièces).

Les vitesses de refroidissement plus lentes qui peuvent être utilisées pour les aciers à haute limite d'élasticité peuvent réduire les contraintes thermiques et la déformation. Les aciers à faible trempabilité peuvent être utilisés pour des pièces plus petites, comme les burins et les cisailles, ou pour des pièces trempées en surface, comme les engrenages, où l'on souhaite maintenir une microstructure ferrite/perlite à l'âme pour améliorer la ténacité. L'essai de trempe finale Jominy est la méthode standard pour mesurer la trempabilité des aciers[1]

Détails de l'essai

L'échantillon d'essai est un cylindre de 100 mm (4 po) de long x 25,4 mm (1 po) de diamètre (figure 2a). L'échantillon d'acier est normalisé (pour éliminer les différences de microstructure dues au travail à chaud antérieur) puis austénitisé habituellement à une température de 800-925°C (1470-1700°F). La prise d'essai est rapidement transférée au dispositif d'essai (fig. 2b), qui trempe l'acier en pulvérisant un débit d'eau contrôlé sur une extrémité de l'échantillon (fig. 2c). La vitesse de refroidissement varie le long de la longueur de l'échantillon, de très rapide à l'extrémité trempée où l'eau frappe l'échantillon à des vitesses plus lentes qui sont équivalentes au refroidissement par air à l'autre extrémité.

L'échantillon rond est ensuite rectifié à plat sur sa longueur sur les côtés opposés jusqu'à une profondeur d'au moins 0,38 mm (0,015 pouce) pour éliminer le matériau décarburé. Il faut veiller à ce que le broyage ne chauffe pas l'échantillon car cela peut provoquer un revenu qui peut ramollir l'acier.

La dureté est mesurée à intervalles réguliers à partir de l'extrémité trempée, généralement à intervalles de 1,5 mm (0,062 pouce) pour les aciers alliés et de 0,75 mm (0,031 pouce) pour les aciers au carbone, en commençant aussi près que possible de l'extrémité trempée. La dureté diminue avec la distance de l'extrémité trempée. Une dureté élevée se produit là où se développent des fractions de martensite à grand volume. Une dureté plus faible indique une transformation en bainite ou en microstructures de ferrite/perlite.

La mesure de la dureté est généralement effectuée à l'aide d'un duromètre Rockwell ou Vickers[1-3] Des tableaux de conversion sont disponibles pour relier les différentes échelles de dureté[4,5] si nécessaire, mais il faut prendre soin d'utiliser les bons tableaux pour l'acier. Les essais de dureté Rockwell et Vickers déforment le métal différemment, et les résultats sont influencés par le durcissement au travail. La trempe est décrite par une courbe de dureté de l'acier (Fig. 3) ou plus couramment par référence à la valeur de dureté à une certaine distance de l'extrémité trempée.

Utilisations des valeurs de trempabilité

Les données de l'essai de trempe en bout Jominy peuvent être utilisées pour déterminer si un acier particulier peut être suffisamment durci dans différents milieux de trempe, pour différents diamètres de section. Par exemple, la vitesse de refroidissement à une distance de 10 mm (0,390 pouce) de l'extrémité trempée est équivalente à la vitesse de refroidissement au centre d'une barre de 28 mm (1,1 pouce) de diamètre trempée à l'huile. La transformation complète en martensite dans l'échantillon de Jominy à cette position indique qu'une barre de 28 mm de diamètre peut être trempée à cœur (c'est-à-dire durcie sur toute son épaisseur).

La trempe à cœur de pièces de grandes dimensions nécessite une grande aptitude à la trempe à cœur. Ces données peuvent être présentées à l'aide de diagrammes CCT (Continuous Cooling Transformation)[6], qui sont utilisés pour sélectionner les aciers en fonction de la taille du composant et du milieu de trempe (Fig. 4). Des vitesses de refroidissement plus lentes se produisent au cœur des composants de plus grande taille, comparativement à la vitesse de refroidissement plus rapide à la surface. Dans l'exemple de la figure 3, la surface sera transformée en martensite, mais le noyau aura une structure bainitique avec de la martensite. Des vitesses de trempe lentes sont souvent sélectionnées pour réduire la déformation et les contraintes résiduelles dans les composants. La référence 6 contient de plus amples informations sur le traitement thermique et les propriétés des aciers.

Effets de l'alliage et de la microstructure

L'essai de trempe finale Jominy mesure les effets de la microstructure, comme la granulométrie et l'alliage, sur la trempe des aciers. Les principaux éléments d'alliage qui influent sur la trempe sont le carbone, un groupe d'éléments comprenant Cr, Mn, Mo, Si et Ni, et le bore[7] La référence 7 contient des informations supplémentaires sur la microstructure et la métallurgie des aciers.

Carbone

Le carbone contrôle la dureté de la martensite ; l'augmentation de la teneur en carbone augmente la dureté des aciers jusqu'à environ

0.6 % en poids de carbone. Cependant, à des niveaux de carbone plus élevés, la température critique pour la formation de la martensite est abaissée à des températures plus basses. La transformation de l'austénite en martensite peut alors être incomplète lorsque l'acier est trempé à température ambiante, ce qui entraîne la rétention de l'austénite. Cette microstructure composite de martensite et d'austénite donne une dureté de l'acier inférieure, bien que la dureté de la phase de martensite elle-même soit encore élevée (Fig. 5).

Le carbone augmente également la trempe des aciers en retardant la formation de perlite et de ferrite. Le ralentissement de cette réaction favorise la formation de martensite à des vitesses de refroidissement plus lentes. Cependant, l'effet est trop faible pour être utilisé couramment pour le contrôle de la dureté. De plus, les aciers à haute teneur en carbone sont sujets à la déformation et à la fissuration pendant le traitement thermique et peuvent être difficiles à usiner à l'état recuit avant traitement thermique. Il est plus courant de contrôler la dureté à l'aide d'autres éléments et d'utiliser des teneurs en carbone inférieures à 0,4 % en poids.

Autres éléments d'alliage

Cr, Mo, Mn, Si, Ni et V retardent la transformation de phase de l'austénite en ferrite et perlite. Les éléments les plus couramment utilisés sont Cr, Mo et Mn. Le retard est dû à la nécessité de redistribuer les éléments d'alliage pendant la transformation en phase de diffusion de l'austénite en ferrite et perlite. La solubilité des éléments varie d'une phase à l'autre, et l'interface entre la nouvelle phase de croissance ne peut se déplacer sans la diffusion des éléments en mouvement lent. Il existe des interactions assez complexes entre les différents éléments, qui affectent également les températures de la transformation de phase et la microstructure résultante. Les compositions d'acier allié sont donc parfois décrites en termes d'équivalent carbone, qui décrit l'ampleur de l'effet de tous les éléments sur la trempe. Les aciers d'un même équivalent carbone ont une trempe similaire.

Bore

Le bore est un élément d'alliage très puissant, nécessitant généralement 0,002-0,003 % en poids pour avoir l'effet équivalent de 0,5 % en poids de Mo. L'effet du bore est indépendant de la quantité de bore, à condition qu'une quantité suffisante soit ajoutée. L'effet du bore est plus important lorsque la teneur en carbone est faible et il est généralement utilisé avec les aciers à faible teneur en carbone.

Le bore a une très forte affinité pour l'oxygène et l'azote, avec lesquels il forme des composés. Par conséquent, le bore ne peut affecter la trempe des aciers que s'il est en solution. Ceci nécessite l'ajout d'éléments "gettering", tels que l'aluminium et le titane, pour réagir préférentiellement avec l'oxygène et l'azote de l'acier.

Taille des grains

L'augmentation de la granulométrie de l'austénite augmente la trempe des aciers. La nucléation de la ferrite et de la perlite se produit sur des sites hétérogènes tels que les limites des grains d'austénite. Par conséquent, l'augmentation de la taille des grains d'austénite diminue les sites de nucléation disponibles, ce qui retarde le rythme de la transformation de la phase ferrite/perlite (Fig. 6). Cette méthode d'augmentation de la dureté est rarement utilisée parce que l'augmentation substantielle de la dureté nécessite une grande taille de grain d'austénite, qui est obtenue par des températures d'austénitisation élevées. La microstructure résultante est assez grossière, avec une ténacité et une ductilité réduites. Cependant, la granulométrie de l'austénite peut être affectée par d'autres étapes de la transformation de l'acier. Par conséquent, la trempabilité d'un acier dépend également des étapes précédentes utilisées dans sa production.