* Comprendre "La Trempe" sans se prendre la tête *

  • Vous trouverez sur cette page des explications simples sur "La Trempe" vous permettant de comprendre un phénomène connu depuis l'antiquité mais seulement optimisé depuis les trois dernières décennies. Toutes les lames de couteau sont trempées sauf les lames en acier H1. C'est pour cela qu'il est impératif de comprendre l'étape de trempe des lames de nos couteaux.

  • Le fer, constituant majeur  de l'acier possède , à température ambiante, une maille cristalline appelé "Ferrite" ou Fer(a). Ce fer est organisé en réseau cubique centré. Il est important de bien visualiser ce cube où il y a un atome de fer à chaque sommet du cube + 1 atome de fer au centre du cube. Chauffer maintenant une barre d'acier sur du charbon, coke etc...jusqu'à temps que cette barre devienne couleur rouge cerise. Le fer devient alors malléable. A cette température, le fer(a) se transforme en fer(g) appelé austénite, autre forme allotropique du fer. Dans cette structure l'atome central du fer migre vers l'extérieur, ce qui explique la malléabilité du fer(g). La maille cubique du fer(g) est creux et peut absorber les atomes de carbone "C". Les atomes de carbone peuvent migrer à l'intérieur même des cristaux de fer(g). Lorsque la ferrite se transforme en austénite , les atomes de carbone vont se placer en solution solide à l'intérieur de la structure cristalline austénitique .
  • Lorsque l'acier se refroidit lentement , l'austénite se transforme de nouveau en ferrite. Les atomes de carbone présent à l'intérieur de la structure du fer(g) sont chassés par un atome de fer qui reprendra sa place au centre du cube de fer(a). Par contre, si ce refroidissement est rapide les atomes de carbone dissous à l'intérieur du réseau cubique de l'austénite n'auront pas le temps de migrer à l'extérieur de cette structure cubique, formant ainsi une nouvelle structure appelée "Martensite", structure très dure. 
  • En conclusion , la trempe est destinée à donner à l'acier une micro-structure très dure appelée la "MARTENSITE" .La "Martensite" est en fait de la "Ferrite" dont la maille cristalline est déformée pour laisser de la place aux atomes de carbone qui sont dissous à l'intérieur de la structure cubique du fer.
  • En résumé : On se procure de l'acier dans une aciérie : Cet acier sera de structure "Ferrite" . On chauffe cet acier à 950-1100°C (selon l'acier) pendant 30 minutes minimum et en conséquence on transforme la structure "Ferrite" en structure "Austénite" . On refroidie rapidement cette structure "Austénite" et on obtient de la "Martensite" de structure très dure . C'est la trempe martensitique .


- FERRITE Fe(a)  + T°élevée (950-1100°C) ============>  AUSTENITE Fe(g)

  • L'Austénite absorbe les atomes de carbone qui se "nichent" à l'intérieur de la structure cubique du fer(g).

- AUSTENITE + Trempe adaptée    =============>  MARTENSITE


  • Une petite parenthèse à ce thème: On connaît le fer depuis des millénaires et l'usage des armes est connu depuis l'antiquité; Or l'étude de ces armes nous démontre que les épées, lances et pointes divers étaient réalisées en acier peu carburé. En prenant du fer, et en le laissant chauffer au "rouge cerise" pendant une heure sur un foyer de houille, on produisait de l'austénite fer(g) qui absorbait le carbone en provenance de la houille du foyer. On fabriquait ainsi de l'acier sans le savoir. La qualité de cet acier martensitique était très médiocre mais c'était de l'acier et non du fer.


  • 1) La vitesse critique de trempe  : On peut définir pour une nuance d'acier donnée , la vitesse à partir de laquelle la trempe est "martensitique"  . Il faut que cette vitesse soit suffisante pour obtenir une transformation complète de l'austénite en martensite mais le traitement de trempe ne doit pas être trop agressif pour ne pas "casser" la structure cristalline. Les principales techniques de trempe sont : Trempe à l'air , trempe à l'air pulsé , trempe à l'huile , trempe à l'eau . Les trempes à l'air sont simples mais peu efficaces sur des aciers très carburés . Les trempes à l'huile sont les plus généralisées mais de sérieuses études doivent être réalisées en fonction des pièces à tremper ; en effet projeter une lame d'acier à 1050°C dans de l'huile peut provoquer l'inflammation de cette dernière. L'eau à l'avantage de n'être pas inflammable ; par contre la trempe à l'eau pose deux problèmes : L'eau possède un pouvoir calorifique élevé ce qui produit une trempe agressive pouvant produire dans la structure cristalline des failles appelées "Tapures" . Autre problème critique: Le phénomène de "Caléfaction" : Lorsqu'une pièce à la température de trempe est immergée dans de l'eau , l'eau est vaporisée au contact de la pièce en formant une gaine de vapeur "isolante" qui ralentit considérablement le refroidissement .
  • 2) La vitesse de refroidissement à laquelle l'acier se transforme intégralement en martensite est dite de "Refroidissement critique" . A une vitesse moindre , la trempe donne un mélange de martensite et d'autres produits intermédiaires qui diminuent la qualité de l'acier trempé . Dans la pratique , la vitesse à laquelle se refroidit une pièce trempée dépend de sa masse , de sa forme , de l'état de sa surface tout autant que de la technique de trempe . Quand les pièces d'acier ne durcissent pas comme il faut , c'est que la vitesse de refroidissement est inférieure à la vitesse critique . Il faut alors trouver une technologie de trempe plus appropriée . 
  • 3) TREMPE A L'EAU : Cette méthode fut longtemps la plus utilisée pour la trempe des lames de couteaux ; l'eau des ruisseaux était captée par les coutelleries afin de réaliser les opérations de trempe . Ainsi à Laguiole , les eaux de la Layollette étaient utilisées pour la trempe du fameux "Laguiole" ! Avec l'arrivée des aciers high-tech d'aujourd'hui l'opération de trempe est devenue beaucoup plus critique ; la trempe à l'huile est de plus en plus utilisée . L'eau possède un pouvoir calorifique élevé ce qui produit une trempe agressive pouvant produire des "TAPURES" . Un autre phénomène négatif est celui de la "CALEFACTION" car très complexe , non reproductible et donc un phénomène difficilement maîtrisable . Lorsque qu'une pièce à une T° élevée (>1000°C) est plongée dans de l'eau , celle-ci est vaporisée au contact de la pièce en formant une gaine de vapeur qui ralentit son refroidissement ; c'est la "Caléfaction" ; le problème majeur est que ce phénomène complexe n'est pas reproductible. Cette technique économique ne permet pas de tremper les aciers modernes.
  • 4) TREMPE A L'HUILE : La méthode de trempe à l'huile peut aller du simple bac au dispositif entièrement automatisé . La plupart du temps , la température optimale de l'huile de trempe se situe entre 50 et 90°C . Il faut vérifier que le processus de trempe n'augmente pas la température de l'huile à une température voisine du point d'éclair de l'huile (Température à laquelle une substance s'enflamme spontanément en présence d'oxygène) . Une bonne agitation du bain de trempe doit maintenir la température du bain , à moins de 50°C du point d'éclair de l'huile . Des essais de trempe montrent qu'on atteint la vitesse de refroidissement maximale quand la température de l'huile se situe entre 50 et 90°C . Pour obtenir un durcissement uniforme et des résultats constants , il faut que l'huile circule durant la trempe . L'agitation de l'huile a pour effet de distribuer uniformément la chaleur dans le bac et de réduire le risque d'inflammation et d'incendie en empêchant la formation d'une couche d'huile chaude en surface . Pour un bac muni d'un bon circuit de refroidissement , on conseille d'utiliser un à deux gallons d'huile par livre d'acier trempé à l'heure . Dans certains cas de températures d'austénitisation très élevées (1150-1200°C) , l'utilisation de bain d'huile à 150-175°C est conseillée pour la trempe .  Pour la trempe industrielle on emploie des huiles minérales spécialement conçues pour cet effet . La gamme des huiles de trempe présente des caractéristiques de rendement couvrant tous les types de trempe . Selon la viscosité de l'huile , la vitesse de trempe varie de 9 à 25 secondes avec des vitesses de refroidissement optimales entre 96°C et 50°C par seconde . Les huiles utilisées pour la trempe industrielle sont fabriquées à partir d'huiles paraffiniques de haute qualité , peu volatiles et avec un point éclair élevé (200-260°C).
  • 5) TREMPE A L'AIR : La trempe est obtenue uniquement si la vitesse de trempe est supérieure à la "Vitesse critique de trempe" . Dans le cas d'une trempe à l'air atmosphérique on ne peut pas tremper les aciers alliés modernes d'aujourd'hui . On a recourt à de l'air pressurisé pour augmenter la vitesse de refroidissement , mais si l'acier a une température supérieure à 900°C , le fer brûle ! Pour éviter ce phénomène d'oxydation on a recourt au "GAZ PULSE" généralement de l'argon ou de l'azote qui sont inertes . Dans la trempe à l'huile , les pièces trempées doivent subir des opérations de lavage et l'huile doit être filtrée , puis recyclée . Ces opérations ont un coût industriel . Il a été mis au point dernièrement , une technologie de trempe d'avant garde , à l'azote pressurisé et à température variable ; L'azote pulsé est d'abord projeté à température ambiante puis réfrigéré par de l'azote liquide ; En variant pression , vitesse et température de l'azote gazeux projeté sur les pièces d'acier à tremper , on arrive parfaitement à obtenir des vitesses de refroidissement supérieures à la vitesse CRITIQUE de trempe . Si les phénomènes physiques liés à la trempe sont bien connus les divers solutions technologiques modernes de ces techniques innovantes sont maintenues secrètes .
  • Dès que la trempe (et le traitement cryogénique) est terminée, il faut procéder  immédiatement au traitement de "Revenu" afin de stabiliser l'acier.
  • 6) Problèmes liés à la trempe : A la lecture de ces quelques lignes, il est facile de se rendre comptes des multiples pièges liés à la trempe. Comment être sûr que la vitesse de trempe obtenue à été supérieure à la vitesse critique de trempe ? Pour des pièces importantes le problème majeur est de s'assurer que la trempe ait été homogène. Pour des lames d'une taille importante, comment être sûr que la baisse de température ait été la même à tous les endroits de la lame ? La trempe artisanale la plus utilisé est la trempe à l'huile; Elle est performante pour descendre rapidement les lames de 1050°C à 400°C où les vitesse de descente peut atteindre 40-80°C/s. En 10-12 secondes les lames passent de 1050°C à 400°C . Si la trempe à l'huile est performante pour descendre rapidement la température des lames de 1050°C à 400°C, c'est tout le contraire pour descendre la température des lames de 400°C à 80°C . En effet les vitesses de descente de température des lames à partir de 400°C est de seulement 10°C/s ce qui rend peut performante la trempe à l'huile pour certains aciers haut de gamme modernes. Des essais de trempe mixte Huile + Eau furent réalisés avec succès; mais cette technique de trempe mixte ne se prête pas à la trempe simultanée de lames divers à grande échelle !  Les entreprises modernes d'aujourd'hui utilisent des trempes à gaz pulsé (Argon + Azote) à température et pression contrôlées, grâces à l'utilisation massive de circuit d'azote liquide (-195°C). Cette technique moderne permet de descendre d'une manière contrôlée un lot de lames de 1080°C à -80°C à une vitesse moyenne de -75°C/seconde ce qui permet de tremper efficacement tous les aciers modernes d'aujourd'hui. Cette technique n'est accessible qu'aux entreprises industrielles performantes. Pour des entreprises artisanales, il est très difficile de tremper des aciers techniques comme l'ATS-34 ou le 154CM.

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