En métallurgie, la trempe est un traitement thermique qui consiste à refroidir rapidement un métal, à une vitesse suffisante pour emprisonner des éléments chimiques qui ont diffusé dans le solide cristallin à haute température. Elle suit un traitement thermique à une température de changement de phase ou bien de mise en solution de composés chimiques, selon le matériau, appliqué pendant le temps nécessaire à la transformation de toute la masse chauffée. Dans le cas des aciers, la trempe peut permettre par exemple d'améliorer la limite d'élasticité du matériau.
Histoire Le traitement de trempe était, jusqu'au début du , l'apanage des forgerons. Ce traitement était généralement effectué juste avant l’affûtage des outils tranchants en acier forgé (lames, burins, haches). Il consistait à porter l'extrémité qui sera affûtée à la température du rouge cerise clair (plage de température : environ) puis à plonger très rapidement cette partie dans un fluide refroidissant, généralement de l'eau, parfois de l'huile. Dans ce cas, l'acier utilisé par le forgeron présente une transformation avec changement de phase à une température dite de transformation allotropique, c'est ce changement de phase et la présence du carbone qui sont les deux moteurs de l'effet de trempe.
Aujourd'hui, la trempe conserve le même intérêt en ce qui concerne les aciers mais est aussi utilisée sur d'autres matériaux pour restaurer des propriétés mécaniques perdues pendant certaines phases de travail, comme la malléabilité du duralumin perdue lors d'un écrouissage. Dans ce cas précis, le duralumin présente, lors de déformations plastiques, des réactions néfastes de précipitation aux joints de grains (voir zone de Guinier-Preston). Dans ce cas, la trempe est utilisée pour remettre en solution ces précipitations.
Principe de la trempe des métaux Un métal est formé d'une multitude de grains polyédriques limités par des surfaces appelées joints de grains. Chaque grain est en fait un monocristal constitué d'ions métalliques organisés en réseau régulier et dont la cohésion est assurée par un gaz d'électrons. Quand l'orientation du réseau est différente pour chaque grain, le métal est dit polycristallin, ce qui est le cas le plus courant. En général, chaque ensemble de cristaux de même composition et de même structure forme une phase distincte, le métal est dit polyphasé. Les propriétés macroscopiques d'un métal sont en liaison directe avec sa structure cristalline, la trempe consiste donc à chauffer un métal : soit à une température supérieure à un point de transformation de phase, puis de le refroidir selon une vitesse appropriée de façon à produire une phase hors équilibre à température ambiante. En règle générale la phase métallique ainsi obtenue est plus malléable que la phase qui aurait été obtenue en permettant à la transformation au refroidissement de rejoindre l'état d'équilibre thermodynamique. Cependant, en fonction de la composition chimique du matériau, il arrive que la phase hors équilibre soit plus dure, donc plus fragile, que la phase en équilibre. C'est notamment ce qui se passe dans les aciers selon la teneur en carbone. cette trempe n'a donc de sens que si le métal présente un changement de phase, c'est-à-dire au moins un point de transformation allotropique ; soit à une température de mise en solution d'un composé inter-métallique ou chimique, puis de le refroidir à une vitesse suffisamment rapide afin de maintenir ces composés à l'état dissout et, par la même occasion, d'éviter un séjour dans une plage de températures propice à la formation de nouveaux précipités chimiques ou phases inter-métalliques indésirables. Ce traitement thermique est souvent désigné par le terme d'hypertrempe. L'hypertrempe est préconisée lorsque le métal ne présente pas de point de transformation allotropique.
Les fluides utilisés par ordre de vitesse de refroidissement (de la plus élevée à la plus faible) sont : l'eau salée ; l'eau ; l'eau additivée (polymère par exemple) ; l'huile ; le brouillard d'eau ; les gaz (air, argon, azote).
La vitesse de refroidissement est conditionnée par trois facteurs : le transfert de chaleur dans le fluide de trempe ; le transfert de chaleur à l'interface métal-fluide de trempe ; le transfert de chaleur dans le métal.
Trempe avec transformation allotropique Le mécanisme de la trempe est lié aux changements de formes cristallines d'un métal en fonction de la température (les variétés allotropiques). Un métal est une forme cristalline au sein de laquelle des atomes peuvent venir se loger (composé interstitiel). La solubilité de ces atomes dans la maille dépend de la structure de celle-ci et de sa taille. Une variation brusque de température d'un cristal dans lequel est dissoute une grande quantité d'un composant, passant d'une maille munie de sites importants vers une maille plus serrée, emprisonne ces atomes dans le nouveau cristal et crée une contrainte dans celle-ci.
Cas de l'acier vignette|upright|Transformations allotropiques du fer pur. vignette|upright|Trempe d'un acier C45 (acier non allié à 0,45 % de carbone) : mise en parallèle du diagramme fer-carbone (gauche) et des diagrammes de transformation (linéaires). À basse température, l'acier est biphasé à l'état stable : il est composé de cristaux de fer avec du carbone en solution solide (structure ferritique ou α), et de cristaux de carbures de fer . L'acier présente une transformation allotropique : il est cubique centré à basse température () et cubique à faces centrées à haute température (structure austénitique ou γ). Cette température de transformation dépend de la teneur en carbone ; ceci est représenté par la du diagramme binaire fer-carbone. La trempe des aciers comporte donc un chauffage jusqu’au-delà de la température d'austénitisation, un maintien à cette température pendant le temps nécessaire à la transformation de toute la masse suivi d'un refroidissement à une température déterminée en vue d'éviter le retour à une structure d'équilibre.
Dans le domaine austénitique, le fer a une structure cubique à faces centrées (fer γ) qui possède des sites interstitiels plus grands que dans la structure cubique centrée (fer α), ce qui permet au carbone de se dissoudre beaucoup mieux dans le que dans le . Les carbures (cémentite et perlite) formés lors du refroidissement sont donc dissous. Si on le soumet maintenant à un refroidissement lent et en équilibre, il y aura précipitation de carbures et on retournera à l’état initial avant l’austénitisation, chose qui ne nous intéresse pas car on n’aura pas obtenu le durcissement souhaité. Par contre, si le refroidissement se produit à une vitesse assez rapide (gouvernée par différentes variables qu’on abordera plus tard), les atomes de carbone n'ont pas le temps de diffuser, la précipitation est empêchée ; en conséquence, lorsque les atomes de fer reprennent leur , la matrice de fer est contrainte par les atomes de carbone. De cette façon, on obtient le durcissement.
Ce traitement de trempe transforme l’austénite en martensite, qui présente une dureté proportionnelle à la teneur en carbone. De même, en fonction de la teneur en carbone du matériau et de la vitesse de refroidissement, d'autres phases peuvent apparaître, comme la bainite.
Les paramètres principaux d'une trempe sont le taux de composants étrangers dissous dans le cristal, la vitesse de traversée de la zone de changement de variété allotropique ainsi que les proportions de certains additifs. Cette vitesse va déterminer quelle proportion de composant intrus va avoir le temps de migrer à l'extérieur du cristal sous l'effet des contraintes.
Pour les aciers, la zone de températures de doit être franchie sans arrêt sinon une forme spécifique du métal pourrait se former. Si le passage de la zone de recristallisation est trop lent, celle-ci suit à l'intérieur de chaque grain des lignes de potentiels énergétiques correspondant à des plans dont la géométrie est liée aux plans de compacité maximale du cristal, créant des particularités non isotropes et rendant la pièce fragile (structure de Widmanstätten).
Dans le cas de certains aciers contenant des éléments gammagènes (le nickel, le manganèse, l'azote), si la vitesse de trempe est très élevée (hypertrempe), on parvient à conserver la structure austénitique à température ambiante (austénite métastable). C'est le cas en particulier des aciers inoxydables de (304L), X5CrNi18-10 (304), X2CrNiMo17-12-2 (316L) et X5CrNiMo17-12-2 (316).
Dans ce procédé, intervient également la mise en solution de précipités d'éléments d'alliage qui ont, de manière générale, des dimensions trop importantes pour obtenir finalement un durcissement optimal. C’est ici que le procédé d’austénitisation joue son rôle principal. Cette température doit être choisie de manière à assurer une bonne répartition des éléments d'alliage, ce qui assure un durcissement homogène. C'est pour cela qu'il est important, lors de la conception de pièces destinées à être trempées, de veiller à avoir une forme homogène de la pièce, afin d'éviter des concentrations de matière en certaines parties, qui peuvent poser problème lors du traitement thermique.
En même temps, ce durcissement provoque aussi des effets indésirables, par exemple une augmentation de la fragilité du matériau (diminution de la résilience). C’est pour cette raison qu'après la trempe martensitique, on effectue toujours un revenu (au minimum un revenu de détente à environ ). Après une trempe bainitique (ou trempe isotherme), le revenu est inutile.
De nombreuses variables influencent la qualité et les propriétés mécaniques de l’acier trempé et elles sont toutes importantes à maîtriser : la température de trempe ; le temps de trempe ; la vitesse de refroidissement ; la composition chimique de l'acier.
De plus, au cours de la trempe il apparaît certains problèmes qu’on doit éviter ou contrôler selon la qualité du produit final à obtenir. Au cours du chauffage, la température n’est pas homogène dans la pièce (plus chaude sur la peau et plus froide au cœur). Ce gradient de température provoque des contraintes internes qui peuvent entraîner des déformations élastiques voire plastiques.
Pendant le refroidissement il existe aussi un gradient de température, mais de sens contraire. La transformation allotropique dont nous avons parlé ci-dessus () implique aussi une déformation. À ce moment on assiste à une contraction volumique importante. On doit prêter beaucoup d’attention à ce point parce que comme la déformation est importante, elle peut provoquer des fissures en surface de la pièce. La résistance à la compression n’est pas la même qu’à la traction et le risque de fissuration est donc différent. C’est pour cette raison que le risque est présent particulièrement pendant le chauffage (il engendre des efforts de traction à la surface), mais on doit aussi contrôler le refroidissement (il engendre des contractions à la surface). C’est le liquide de trempe (entre autres) qui détermine la vitesse de refroidissement.
Un autre type de problèmes possibles lors de la réalisation d’une trempe sont les réactions avec l’atmosphère. Si on met l’acier en contact avec l’air, il peut y avoir décarburation et formation de calamine. L’acier peut être exposé à ces conditions non seulement pendant le chauffage mais aussi pendant le refroidissement (l’air libre est aussi un milieu de trempe). En connaissant les avantages et inconvénients de la trempe à l’air, on peut décider s’il vaut mieux choisir un liquide de trempe qui ne présente pas ces effets et en assumer les coûts. Voici quelques arguments qui justifient l’importance que les liquides de trempe ont dans les procédés de refroidissement. Pour éviter les problèmes de décarburation il est possible de traiter certains aciers alliés dans des fours sous vide.
Trempe sans transformation allotropique Cas des alliages d'aluminium Objectif et principes