Panorama métallurgique des traitements thermiques

L’article introductif a montré que, pour fabriquer une pièce déterminée, les performances du matériau utilisé sont évidemment un premier élément de dimensionnement, mais que le coût de la gamme d’élaboration, qui dépend notamment d’un dessin judicieux des parties fonctionnelles, de leur facilité de mise en forme et de leurs modes de liaison est souvent un élément décisif de choix industriel.

Les traitements thermiques interviennent dans cette problématique du choix des matériaux soit en élargissant les possibilités de mise en forme de la pièce, soit en améliorant les propriétés d’emploi du matériau, pendant ou après la mise en forme.

Au plan métallurgique, les traitements thermiques des alliages métalliques reposent sur des évolutions structurales en phase solide qui ont été souvent étudiées en premier sur les aciers spéciaux susceptibles de présenter des transformations allotropiques. Toutes les familles d’aciers ne sont évidemment pas traitées en faisant intervenir le passage par une transformation allotropique soit que la composition retenue ne le permette du point de vue thermodynamique, soit que la métallurgie du traitement visé n’en ait cure. Les objectifs assignés aux traitements des aciers peuvent concerner en effet des secteurs aussi variés que l’homogénéisation compositionnelle à chaud, une recristallisation après écrouissage à faibles températures, un adoucissement par transformation allotropique lente au refroidissement ou par revenu, un durcissement par trempe et revenu, un durcissement « structural », un durcissement superficiel par enrichissement en éléments interstitiels...

Pour la plupart des familles d’alliages, comme ceux de l’aluminium, on ne peut pas profiter de transformations allotropiques et les possibilités de durcissement se limitent à l’écrouissage ou au durcissement structural.

Par ailleurs, pour tirer le meilleur parti de tenues en service particulières, les traitements thermiques peuvent être relativement sophistiqués : c’est le cas des superalliages à base nickel, dont la tenue à chaud (plus de 1 000 ˚C) repose sur la maîtrise simultanée d’un durcissement par solution solide de la matrice, d’une morphologie de précipitation optimale séquentielle de plusieurs phases judicieuses et d’un contrôle des joints de grains.

Dans des cas plus rares, on peut utiliser les possibilités d’un durcissement par décomposition spinodale pour obtenir des caractéristiques relativement intéressantes (ex. : alliage Cu-15 Ni-8 Sn), ou encore mettre à profit les effets de mémoire de forme au passage d’une phase à l’autre (ex. : laiton à 20 % Zn et 5 % Al).

Dans tous les cas, on sait associer – au moins de manière semi-quantitative – à chaque type de structure métallurgique après traitement, un ensemble de propriétés caractérisant soit la mise en forme, soit l’état d’emploi final.

Nous allons dans cet article résumer les aspects métallurgiques principaux des traitements thermiques abordés dans l’article d’introduction , sachant que les bases métallurgiques présidant à la mise au point de ceux-ci sera plus détaillée dans l’article suivant . Autrement dit, dans les rappels sur les bases métallurgiques des traitements thermiques des alliages métalliques, le présent article résumera les structures visées par traitement et famille d’alliages, tandis que le suivant reprendra les notions thermodynamiques et cinétiques indispensables à la compréhension des évolutions structurales correspondantes.