1. Définition
La contrainte structurelle, également appelée contrainte de transformation, est un type de contrainte interne générée lors du traitement thermique de l'acier, notamment la trempe. Cela résulte d’une transformation de phase asynchrone et de différences de volume spécifiques entre les microstructures. La restriction mutuelle des changements de volume dans les différentes sections de la pièce en fait une cause majeure de déformation et de fissuration lors du traitement thermique.
2. Mécanisme d'essence et de génération
Causes principales
Différentes phases dans l'acier ont un volume spécifique distinct (volume par unité de masse) :
Austénite (γ) < Ferrite (α) < Perlite < Bainite < Martensite (M)
La transformation de l'austénite en martensite apporte une expansion volumique significative de 3 à 5 %.
La surface et le noyau des pièces ont des vitesses de refroidissement incohérentes, conduisant à une transformation de phase asynchrone et à une variation de volume non coordonnée, ce qui finit par induire des contraintes structurelles.
Processus de trempe typique
Étape de refroidissement précoce (au-dessus du point Ms)
La surface refroidit plus rapidement et atteint d'abord la température Ms, se transformant de l'austénite en martensite avec expansion volumique. Le noyau reste austénitique sans expansion. Contrainte par le noyau, la surface supporte des contraintes de compression tandis que le noyau supporte des contraintes de traction.
Étape de refroidissement tardive (en dessous du point Ms)
Le noyau se refroidit jusqu'au point Ms et se transforme en martensite avec expansion de volume. La surface est devenue dure et cassante avec une capacité de déformation limitée. Le noyau en expansion comprime la surface, provoquant une inversion des contraintes.
Répartition des contraintes finales : contrainte de traction superficielle, contrainte de compression du noyau (opposée à la contrainte thermique).
3. Principaux facteurs d'influence des contraintes structurelles
Composition chimique
Une teneur en carbone plus élevée élargit la différence de volume spécifique de la martensite et augmente les contraintes structurelles.
Les éléments d'alliage tels que Cr, Ni et Mo abaissent la température Ms, augmentent la différence de température de transformation de phase, améliorent la trempabilité et intensifient la transformation de section non uniforme, augmentant ainsi les contraintes structurelles.
Taille et forme de la pièce
Une section plus grande, une épaisseur inégale, des coins et des rainures plus pointus aggravent la transformation de phase asynchrone, augmentant les contraintes structurelles et la concentration des contraintes. Les petites pièces sont dominées par les contraintes structurelles, tandis que les grandes pièces sont dominées par les contraintes thermiques.
Paramètres du processus
Une température de trempe plus élevée homogénéise la composition de l'austénite et grossit les grains, amplifiant l'effet volume de la transformation de phase et des contraintes. Une vitesse de refroidissement plus rapide inférieure à Ms et une trempabilité plus élevée augmentent la différence de temps de transformation de phase et le gradient de transformation de la martensite, augmentant ainsi les contraintes structurelles.
Microstructure initiale
La perlite lamellaire et la structure en bandes provoquent une transformation de phase inégale et des contraintes plus élevées. La microstructure de recuit sphéroïdisée permet une transformation de phase uniforme et réduit les contraintes structurelles.
4. Résumé
La contrainte structurelle est un résultat inévitable de la transformation de phase asynchrone et de la différence de volume spécifique, caractérisée par la tension superficielle et la compression du noyau. C'est la principale cause de déformation et de fissuration par trempe.
Mesures de contrôle : réduisez la vitesse de refroidissement dans la région Ms, homogénéisez la transformation de phase, effectuez un revenu en temps opportun et optimisez la structure de la pièce et la sélection des matériaux. En production, il est nécessaire d’équilibrer contraintes structurelles et contraintes thermiques pour concilier performances, risques de déformation et de fissuration.