Complet et détaillé ! Connaissance approfondie de la trempe de l'acier !

Définition et objectif de l'extinction
L'acier est chauffé à une température supérieure au point critique Ac3 (acier hypoeutectoïde) ou Ac1 (acier hypereutectoïde), maintenu à cette température pendant un certain temps afin de le rendre totalement ou partiellement austénitisé, puis refroidi à une vitesse supérieure à la vitesse critique de trempe. Le traitement thermique qui transforme l'austénite surfondue en martensite ou en bainite inférieure est appelé trempe.

La trempe a pour but de transformer l'austénite surfondue en martensite ou en bainite afin d'obtenir une structure martensitique ou de bainite inférieure. Combinée à un revenu à différentes températures, cette transformation permet d'améliorer considérablement la résistance, la dureté, la tenue à l'usure, la résistance à la fatigue et la ténacité de l'acier, répondant ainsi aux exigences d'utilisation de diverses pièces mécaniques et outils. La trempe peut également être employée pour conférer à certains aciers spéciaux des propriétés physico-chimiques particulières, telles que le ferromagnétisme et la résistance à la corrosion.

Lorsque des pièces en acier sont refroidies dans un milieu de trempe avec des changements d'état physique, le processus de refroidissement est généralement divisé en trois étapes : l'étape du film de vapeur, l'étape d'ébullition et l'étape de convection.

Trempabilité de l'acier
La trempabilité et la ductilité sont deux indicateurs de performance qui caractérisent l'aptitude de l'acier à subir une trempe. Elles constituent également un critère important pour le choix et l'utilisation des matériaux.

1. Les concepts de trempabilité et de trempabilité

La trempabilité est l'aptitude d'un acier à atteindre sa dureté maximale après trempe et durcissement dans des conditions idéales. Le principal facteur déterminant la trempabilité de l'acier est sa teneur en carbone. Plus précisément, il s'agit de la quantité de carbone dissous dans l'austénite lors de la trempe et du chauffage. Plus la teneur en carbone est élevée, plus la trempabilité de l'acier est importante. Les éléments d'alliage ont peu d'influence sur la trempabilité, mais leur impact sur la dureté de l'acier est significatif.

La trempabilité désigne les caractéristiques qui déterminent la profondeur de trempe et la distribution de dureté de l'acier dans des conditions spécifiées. Autrement dit, il s'agit de la capacité à obtenir une certaine profondeur de couche trempée lors de la trempe de l'acier. C'est une propriété intrinsèque de l'acier. La trempabilité reflète la facilité avec laquelle l'austénite se transforme en martensite lors de la trempe. Elle est principalement liée à la stabilité de l'austénite surfondue de l'acier, ou à la vitesse critique de refroidissement lors de la trempe.

Il convient également de souligner que la trempabilité de l'acier doit être distinguée de la profondeur de trempe effective des pièces en acier dans des conditions de trempe spécifiques. La trempabilité de l'acier est une propriété intrinsèque de ce matériau. Elle dépend uniquement de ses facteurs internes et est indépendante des facteurs externes. La profondeur de trempe effective, quant à elle, dépend non seulement de la trempabilité de l'acier, mais aussi du matériau utilisé. Elle est liée à des facteurs externes tels que le milieu de refroidissement et les dimensions de la pièce. Par exemple, dans des conditions d'austénitisation identiques, la trempabilité d'un même acier peut être supérieure après trempe à l'eau qu'après trempe à l'huile, et ce, pour les petites pièces. On ne peut donc pas en conclure que la trempe à l'eau offre une meilleure trempabilité que la trempe à l'huile, ni que les petites pièces présentent une meilleure trempabilité que les grandes. Il apparaît clairement que, pour évaluer la trempabilité de l'acier, il est nécessaire d'éliminer l'influence de facteurs externes tels que la forme, la taille et le milieu de refroidissement de la pièce.

De plus, comme la trempabilité et la ductilité sont deux concepts différents, un acier à haute dureté après trempe n'a pas nécessairement une trempabilité élevée ; et un acier à faible dureté peut également avoir une trempabilité élevée.

2. Facteurs affectant la trempabilité

La trempabilité de l'acier dépend de la stabilité de l'austénite. Tout facteur susceptible d'améliorer la stabilité de l'austénite surfondue, de décaler la courbe C vers la droite et, par conséquent, de réduire la vitesse de refroidissement critique, peut améliorer la trempabilité des aciers à haute résistance. La stabilité de l'austénite dépend principalement de sa composition chimique, de la taille de ses grains et de son homogénéité, lesquelles sont liées à la composition chimique de l'acier et aux conditions de chauffage.

3. Méthode de mesure de la trempabilité

Il existe de nombreuses méthodes pour mesurer la trempabilité de l'acier ; les plus couramment utilisées sont la méthode de mesure du diamètre critique et la méthode d'essai de trempabilité en bout.

(1) Méthode de mesure du diamètre critique

Après trempe de l'acier dans un milieu donné, le diamètre maximal auquel le cœur présente une structure entièrement martensitique ou à 50 % de martensite est appelé diamètre critique, noté Dc. La méthode de mesure du diamètre critique consiste à fabriquer une série de barres rondes de différents diamètres, puis, après trempe, à mesurer la courbe de dureté U le long du diamètre de chaque échantillon. On repère la barre présentant une structure semi-martensitique en son centre. Le diamètre de cette barre ronde correspond au diamètre critique. Plus le diamètre critique est grand, plus la trempabilité de l'acier est élevée.

(2) Méthode d'essai d'extinction finale

La méthode d'essai de trempe axiale utilise une éprouvette de dimensions standard (Ф25 mm × 100 mm). Après austénitisation, de l'eau est pulvérisée sur une extrémité de l'éprouvette à l'aide d'un dispositif spécifique afin de la refroidir. Après refroidissement, la dureté est mesurée axialement, à partir de l'extrémité refroidie. Cette méthode permet d'établir la courbe de dureté en fonction de la distance. L'essai de trempe axiale est une méthode de détermination de la trempabilité de l'acier. Ses avantages résident dans sa simplicité de mise en œuvre et sa large gamme d'applications.

4. Contraintes de trempe, déformation et fissuration

(1) Contraintes internes de la pièce pendant la trempe

Lors du refroidissement rapide d'une pièce dans un milieu de trempe, un gradient de température se crée au sein de sa section interne, du fait de ses dimensions et de son coefficient de conductivité thermique. La température de surface est basse, celle du cœur est élevée, et inversement. Il existe donc une différence de température. Ce refroidissement s'accompagne de deux phénomènes physiques : la dilatation thermique, qui entraîne une contraction de la pièce, et la transformation de l'austénite en martensite lorsque la température atteint son point de transformation, ce qui augmente le volume spécifique. Ces différences de température induisent des dilatations thermiques variables selon les points de la section transversale, générant ainsi des contraintes internes. Enfin, certaines zones peuvent présenter une chute de température plus rapide que le point de transformation martensitique. Lors de la transformation, le volume se dilate et les zones à haute température restent au-dessus du point de trempe et sont encore à l'état austénitique. Ces différentes zones génèrent également des contraintes internes dues aux variations de volume spécifiques. Par conséquent, deux types de contraintes internes peuvent apparaître lors de la trempe et du refroidissement : des contraintes thermiques et des contraintes tissulaires.

Selon leur durée de vie, les contraintes internes peuvent être classées en contraintes instantanées et contraintes résiduelles. Les contraintes internes générées par la pièce à un instant donné lors du refroidissement sont appelées contraintes instantanées ; après refroidissement complet, les contraintes restantes dans la pièce sont appelées contraintes résiduelles.

La contrainte thermique désigne la contrainte causée par une dilatation thermique (ou une contraction à froid) incohérente due aux différences de température dans différentes parties de la pièce lorsqu'elle est chauffée (ou refroidie).

Prenons l'exemple d'un cylindre plein pour illustrer la formation et l'évolution des contraintes internes lors de son refroidissement. Seules les contraintes axiales sont abordées ici. Au début du refroidissement, la surface refroidit rapidement, sa température est basse et elle se contracte fortement, tandis que le cœur refroidit plus lentement, sa température est élevée et sa contraction est faible. De ce fait, la surface et l'intérieur sont mutuellement contraints, ce qui engendre des contraintes de traction en surface et des contraintes de compression au cœur. À mesure que le refroidissement progresse, l'écart de température entre l'intérieur et l'extérieur augmente, et les contraintes internes augmentent en conséquence. Lorsque ces contraintes dépassent la limite d'élasticité à cette température, une déformation plastique se produit. L'épaisseur du cœur étant supérieure à celle de la surface, c'est toujours le cœur qui se contracte axialement en premier. Suite à cette déformation plastique, les contraintes internes cessent d'augmenter. Après un certain temps de refroidissement, la baisse de température en surface ralentit progressivement, et la contraction du cœur diminue également. À ce stade, le noyau continue de se rétracter, ce qui entraîne une diminution progressive des contraintes de traction en surface et de compression à l'intérieur du noyau, jusqu'à leur disparition. Cependant, à mesure que le refroidissement se poursuit, l'humidité superficielle diminue et la rétraction se réduit, voire s'arrête. La température à l'intérieur du noyau restant élevée, celui-ci continue de se rétracter, ce qui finit par engendrer des contraintes de compression en surface et des contraintes de traction à l'intérieur du noyau. Toutefois, la déformation plastique étant difficile à cause de la basse température, ces contraintes augmentent avec le refroidissement. Elles continuent d'augmenter et finissent par subsister à l'intérieur de la pièce sous forme de contraintes résiduelles.

On constate que les contraintes thermiques lors du processus de refroidissement provoquent initialement un étirement de la couche superficielle et une compression du noyau, et que les contraintes résiduelles restantes entraînent une compression de la couche superficielle et un étirement du noyau.

En résumé, les contraintes thermiques générées lors de la trempe sont dues aux différences de température au sein de la pièce pendant le refroidissement. Plus la vitesse de refroidissement et la différence de température sont importantes, plus les contraintes thermiques sont élevées. À fluide de refroidissement identique, plus la température de chauffage de la pièce est élevée, plus ses dimensions sont importantes, plus la conductivité thermique de l'acier est faible, plus les différences de température internes sont grandes et plus les contraintes thermiques sont importantes. Un refroidissement non uniforme à haute température peut entraîner des déformations. Si la contrainte de traction instantanée générée pendant le refroidissement dépasse la résistance à la traction du matériau, des fissures de trempe apparaissent.

La contrainte de transformation de phase désigne la contrainte causée par le décalage temporel de la transformation de phase dans différentes parties de la pièce au cours du processus de traitement thermique, également connue sous le nom de contrainte tissulaire.

Lors de la trempe et du refroidissement rapide, lorsque la couche superficielle atteint le point Ms, une transformation martensitique se produit, entraînant une dilatation volumique. Cependant, du fait de l'obstruction du cœur non transformé, la couche superficielle génère une contrainte de compression, tandis que le cœur est soumis à une contrainte de traction. Lorsque cette contrainte devient suffisamment importante, elle provoque une déformation. Lorsque le cœur atteint le point Ms, il subit également une transformation martensitique et se dilate. Toutefois, en raison des contraintes liées à la faible plasticité et à la haute résistance de la couche superficielle transformée, la contrainte résiduelle finale se présente sous forme de tension superficielle, et le cœur est soumis à une pression. On constate ainsi que l'évolution et l'état final de la contrainte de transformation de phase sont exactement inverses à ceux de la contrainte thermique. De plus, comme la contrainte de transformation de phase se produit à basse température et en présence d'une faible plasticité, la déformation est difficile dans ces conditions, ce qui augmente le risque de fissuration de la pièce.

De nombreux facteurs influencent l'amplitude des contraintes de transformation de phase. Plus la vitesse de refroidissement de l'acier est rapide dans la plage de températures de transformation martensitique, plus la pièce d'acier est grande, plus sa conductivité thermique est faible, plus le volume spécifique de martensite est important et plus les contraintes de transformation de phase sont élevées. Par ailleurs, ces contraintes sont également liées à la composition et à la trempabilité de l'acier. Par exemple, un acier fortement allié à haute teneur en carbone présente un volume spécifique de martensite accru du fait de sa teneur élevée en carbone, ce qui devrait augmenter les contraintes de transformation de phase. Cependant, à mesure que la teneur en carbone augmente, le point Ms diminue et une grande quantité d'austénite résiduelle subsiste après la trempe. Son expansion volumique diminue et les contraintes résiduelles sont faibles.

(2) Déformation de la pièce lors de la trempe

Lors de la trempe, deux principaux types de déformation affectent la pièce : la déformation géométrique, qui se manifeste par des variations de taille et de forme (souvent appelées gauchissement), est due aux contraintes de trempe ; la déformation volumique, qui se traduit par une dilatation ou une contraction proportionnelle du volume de la pièce, est due à la variation de volume spécifique lors du changement de phase.

La déformation par gauchissement comprend également la déformation de forme et la déformation par torsion. La déformation par torsion est principalement due à un mauvais positionnement de la pièce dans le four pendant le chauffage, à l'absence de traitement de mise en forme après correction de la déformation avant la trempe, ou à un refroidissement inégal des différentes parties de la pièce. Cette déformation peut être analysée et corrigée dans des situations spécifiques. La suite traite principalement de la déformation volumique et de la déformation de forme.

1) Causes de la déformation par trempe et ses règles d'évolution

Déformation volumique due à une transformation structurale. Avant trempe, la pièce présente généralement une structure perlitique (composée de ferrite et de cémentite), tandis qu'après trempe, elle devient martensitique. Les différences de volume entre ces deux phases entraînent des variations de volume avant et après trempe, provoquant ainsi une déformation. Toutefois, cette déformation se traduit uniquement par une dilatation et une contraction proportionnelles de la pièce, sans en altérer la forme.

De plus, plus la teneur en martensite est élevée dans la structure après traitement thermique, ou plus la teneur en carbone de la martensite est importante, plus l'expansion volumique est grande. Inversement, plus la quantité d'austénite résiduelle est importante, moins l'expansion volumique est grande. Par conséquent, la variation de volume peut être contrôlée en maîtrisant les proportions relatives de martensite et de martensite résiduelle lors du traitement thermique. Un contrôle adéquat permet d'éviter toute dilatation ou contraction du volume.

La déformation due aux contraintes thermiques se produit dans les zones à haute température où la limite d'élasticité des pièces en acier est faible, leur plasticité élevée, leur surface refroidit rapidement et l'écart de température entre l'intérieur et l'extérieur de la pièce est maximal. Dans ces conditions, les contraintes thermiques instantanées se manifestent par une contrainte de traction en surface et une contrainte de compression à cœur. La température à cœur étant élevée, la limite d'élasticité y est bien inférieure à celle de la surface, ce qui se traduit par une déformation sous l'effet de contraintes de compression multidirectionnelles. Ainsi, un cube peut se déformer de manière sphérique. Il en résulte que les éléments les plus grands se contractent tandis que les plus petits s'allongent. Par exemple, un cylindre long se raccourcit dans le sens de la longueur et s'élargit dans le sens du diamètre.

La déformation due aux contraintes tissulaires se produit également au début, lorsque ces contraintes sont maximales. À ce moment, la différence de température en section transversale est importante, la température à cœur est plus élevée, le matériau est encore à l'état austénitique, sa plasticité est bonne et sa limite d'élasticité est faible. Les contraintes tissulaires instantanées sont une contrainte de compression en surface et une contrainte de traction à cœur. Par conséquent, la déformation se manifeste par un allongement du cœur sous l'action de contraintes de traction multidirectionnelles. Il en résulte que, sous l'effet des contraintes tissulaires, le côté le plus long de la pièce s'allonge tandis que le côté le plus court se raccourcit. Par exemple, la déformation due aux contraintes tissulaires dans un cylindre long se traduit par un allongement et une réduction du diamètre.

Le tableau 5.3 présente les règles de déformation par trempe de diverses pièces en acier typiques.

2) Facteurs affectant la déformation par trempe

Les facteurs qui affectent la déformation due à la trempe sont principalement la composition chimique de l'acier, sa structure d'origine, la géométrie des pièces et le processus de traitement thermique.

3) Fissures de trempe

Les fissures apparaissent principalement en fin de trempe et de refroidissement, c'est-à-dire après la quasi-achèvement de la transformation martensitique ou après refroidissement complet. La rupture fragile survient car la contrainte de traction dans les pièces dépasse la limite d'élasticité de l'acier. Les fissures sont généralement perpendiculaires à la direction de la déformation maximale en traction ; leur forme dépend donc principalement de la distribution des contraintes.

Types courants de fissures de trempe : Les fissures longitudinales (axiales) se forment principalement lorsque la contrainte de traction tangentielle dépasse la résistance à la rupture du matériau ; les fissures transversales se forment lorsque la contrainte de traction axiale élevée, appliquée sur la surface interne de la pièce, dépasse la résistance à la rupture du matériau ; les fissures en réseau se forment sous l’action d’une contrainte de traction bidimensionnelle en surface ; les fissures d’écaillage apparaissent dans une couche durcie très mince, ce qui peut se produire lorsque la contrainte varie brusquement et qu’une contrainte de traction excessive agit dans la direction radiale.

Les fissures longitudinales sont également appelées fissures axiales. Elles apparaissent aux points de contrainte de traction maximale, près de la surface de la pièce, et atteignent une certaine profondeur vers le centre. Leur direction est généralement parallèle à l'axe, mais elle peut changer en cas de concentration de contraintes ou de défauts structurels internes.

Après trempe complète de la pièce, des fissures longitudinales ont tendance à apparaître. Ceci est lié aux fortes contraintes de traction tangentielles présentes à la surface de la pièce trempée. Plus la teneur en carbone de l'acier est élevée, plus la tendance à la formation de ces fissures s'accroît. L'acier à faible teneur en carbone présente un faible volume spécifique de martensite et de fortes contraintes thermiques. Il subit d'importantes contraintes de compression résiduelles en surface, ce qui rend la trempe difficile. À mesure que la teneur en carbone augmente, les contraintes de compression superficielles diminuent et les contraintes structurales augmentent. Simultanément, la contrainte de traction maximale se déplace vers la couche superficielle. Par conséquent, l'acier à haute teneur en carbone est sujet aux fissures longitudinales de trempe en cas de surchauffe.

La taille des pièces influe directement sur la taille et la distribution des contraintes résiduelles, et leur tendance à la fissuration par trempe est également différente. Des fissures longitudinales se forment facilement lors de la trempe dans la plage de dimensions critiques. De plus, l'obstruction des matières premières d'acier provoque souvent des fissures longitudinales. La plupart des pièces en acier étant fabriquées par laminage, les inclusions non aurifères, les carbures, etc., se répartissent dans le sens de la déformation, ce qui rend l'acier anisotrope. Par exemple, si un acier à outils présente une structure en bandes, sa résistance à la rupture transversale après trempe est de 30 % à 50 % inférieure à sa résistance à la rupture longitudinale. En présence de facteurs tels que des inclusions non aurifères dans l'acier, qui provoquent une concentration de contraintes, des fissures longitudinales peuvent facilement se former, même si la contrainte tangentielle est supérieure à la contrainte axiale, sous de faibles contraintes. C'est pourquoi un contrôle strict du niveau d'inclusions non métalliques et de carbures dans l'acier est essentiel pour prévenir les fissures de trempe.

Les caractéristiques de distribution des contraintes internes des fissures transversales et des fissures en arc sont les suivantes : la surface est soumise à une contrainte de compression. À une certaine distance de la surface, cette contrainte de compression se transforme en une importante contrainte de traction. La fissure se forme dans la zone de contrainte de traction, et la propagation des contraintes internes vers la surface de la pièce n'intervient que si elles se redistribuent ou si la fragilité de l'acier augmente.

Les fissures transversales apparaissent fréquemment dans les grandes pièces d'arbre, telles que les rouleaux, les rotors de turbines ou autres éléments d'arbre. Ces fissures se caractérisent par leur orientation perpendiculaire à l'axe et leur propagation de l'intérieur vers l'extérieur. Elles se forment souvent avant la trempe et sont dues aux contraintes thermiques. Les grandes pièces forgées présentent fréquemment des défauts métallurgiques tels que des porosités, des inclusions, des fissures de forgeage et des points blancs. Ces défauts amorcent la rupture sous l'effet d'une contrainte de traction axiale. Les fissures en arc sont également causées par des contraintes thermiques et se répartissent généralement en arc de cercle aux endroits où la forme de la pièce change. Elles se produisent principalement à l'intérieur de la pièce ou près des arêtes vives, des rainures et des trous. Lorsque des pièces en acier à haute teneur en carbone d'un diamètre ou d'une épaisseur de 80 à 100 mm ou plus ne sont pas trempées, la surface présente des contraintes de compression et le centre des contraintes de traction. La contrainte de traction maximale se situe dans la zone de transition entre la couche trempée et la couche non trempée, et c'est dans ces zones que se forment les fissures en arc de cercle. De plus, le refroidissement est rapide au niveau des arêtes vives et des angles, et la trempe s'y effectue complètement. Lors du passage vers des zones moins tranchantes, c'est-à-dire vers la zone non trempée, la contrainte de traction maximale apparaît, ce qui favorise l'apparition de fissures en arc. Le refroidissement est lent près des trous d'axe, des rainures ou du trou central de la pièce, la couche trempée correspondante est mince, et la contrainte de traction à proximité de la zone de transition trempée peut facilement provoquer des fissures en arc.

Les fissures réticulaires, également appelées fissures de surface, sont des fissures superficielles. Leur profondeur est faible, généralement de l'ordre de 0,01 à 1,5 mm. Leur principale caractéristique est que leur direction est aléatoire et indépendante de la forme de la pièce. De nombreuses fissures sont interconnectées et largement distribuées. Lorsque leur profondeur augmente, par exemple au-delà de 1 mm, les fissures réticulaires disparaissent et deviennent des fissures à orientation aléatoire ou longitudinale. Ces fissures réticulaires sont liées à l'état de contrainte de traction bidimensionnelle en surface.

Les pièces en acier à haute teneur en carbone ou cémentées, présentant une couche décarburée en surface, sont sujettes à la formation de fissures en réseau lors de la trempe. Ceci est dû à la plus faible teneur en carbone et au volume spécifique réduit de la couche superficielle par rapport à la couche interne de martensite. Lors de la trempe, cette couche superficielle de carbure est soumise à des contraintes de traction. Les pièces dont la couche de déphosphoration n'a pas été complètement éliminée lors de l'usinage présentent également des fissures en réseau lors de la trempe superficielle à haute fréquence ou à la flamme. Pour éviter ces fissures, la qualité de surface des pièces doit être rigoureusement contrôlée et le soudage par oxydation doit être proscrit lors du traitement thermique. Par ailleurs, après une certaine période d'utilisation de la matrice de forgeage, les fissures de fatigue thermique, qui apparaissent sous forme de bandes ou de réseaux dans la cavité, ainsi que les fissures lors du meulage des pièces trempées, relèvent de ce même phénomène.

Les fissures d'écaillage se produisent dans une zone très étroite de la couche superficielle. Une contrainte de compression agit dans les directions axiale et tangentielle, tandis qu'une contrainte de traction apparaît dans la direction radiale. Les fissures sont parallèles à la surface de la pièce. L'écaillage de la couche durcie après refroidissement des pièces soumises à une trempe superficielle et à une cémentation appartient à cette catégorie de fissures. Son apparition est liée à la structure hétérogène de la couche durcie. Par exemple, après refroidissement à une certaine vitesse d'un acier allié cémenté, la structure de la couche cémentée est la suivante : une couche externe de perlite extrêmement fine et de carbures, une sous-couche de martensite et d'austénite résiduelle, et une couche interne de perlite fine ou extrêmement fine. Étant donné que le volume spécifique de formation de la martensite de la sous-couche est maximal, l'expansion volumique qui en résulte induit des contraintes de compression sur la couche superficielle dans les directions axiale et tangentielle, et des contraintes de traction dans la direction radiale. Il se produit alors une mutation des contraintes vers l'intérieur, avec une transition vers un état de contrainte compressive. Des fissures d'écaillage apparaissent dans les zones extrêmement fines où la transition de contrainte est abrupte. Généralement, ces fissures se développent à l'intérieur, parallèlement à la surface, et peuvent, dans les cas les plus graves, provoquer un écaillage superficiel. En accélérant ou en ralentissant la vitesse de refroidissement des pièces cémentées, on peut obtenir une structure martensitique uniforme ou une structure perlitique ultrafine dans la couche cémentée, ce qui permet de prévenir l'apparition de telles fissures. Par ailleurs, lors de la trempe superficielle à haute fréquence ou à la flamme, la surface est souvent surchauffée et l'hétérogénéité structurale le long de la couche durcie peut facilement engendrer de telles fissures superficielles.

Les microfissures se distinguent des quatre types de fissures mentionnés précédemment par le fait qu'elles sont causées par des microcontraintes. Les fissures intergranulaires qui apparaissent après trempe, surchauffe et rectification d'aciers à outils à haute teneur en carbone ou de pièces cémentées, ainsi que les fissures dues à un revenu tardif des pièces trempées, sont toutes liées à l'existence et à la propagation ultérieure de microfissures dans l'acier.

Les microfissures doivent être examinées au microscope. Elles se forment généralement aux joints de grains d'austénite d'origine ou à la jonction des feuillets de martensite. Certaines fissures traversent les feuillets de martensite. Les recherches montrent que les microfissures sont plus fréquentes dans la martensite lamellaire. Ceci s'explique par le fait que, lors de leur croissance rapide, les feuillets de martensite entrent en collision, générant ainsi des contraintes élevées. Or, la martensite maclée est fragile et ne peut se déformer plastiquement pour relâcher les contraintes, ce qui favorise l'apparition de microfissures. La taille importante des grains d'austénite accroît la susceptibilité aux microfissures. La présence de microfissures dans l'acier réduit considérablement la résistance et la plasticité des pièces trempées, entraînant une rupture prématurée.

Pour éviter les microfissures dans les pièces en acier à haute teneur en carbone, il est possible d'adopter des mesures telles que l'abaissement de la température de trempe, l'obtention d'une structure martensitique fine et la réduction de la teneur en carbone de la martensite. De plus, un revenu effectué en temps opportun après la trempe constitue une méthode efficace pour réduire les contraintes internes. Des essais ont démontré qu'après un revenu suffisant à plus de 200 °C, les carbures précipités au niveau des fissures ont un effet de « soudure » sur ces dernières, ce qui permet de réduire considérablement les risques de microfissures.

Ce qui précède traite des causes et des méthodes de prévention des fissures en fonction de leur répartition. En production, cette répartition varie selon des facteurs tels que la qualité de l'acier, la forme de la pièce et les procédés de traitement thermique. Il arrive que des fissures existent déjà avant le traitement thermique et s'étendent lors de la trempe ; il arrive aussi que plusieurs types de fissures apparaissent simultanément dans une même pièce. Dans ce cas, une analyse complète, basée sur les caractéristiques morphologiques de la fissure, l'analyse macroscopique de la surface de rupture, l'examen métallographique et, si nécessaire, l'analyse chimique, doit être menée. Cette analyse, qui prend en compte la qualité du matériau, sa structure et les contraintes liées au traitement thermique, permet d'identifier les causes principales de la fissuration et de définir des mesures préventives efficaces.

L'analyse de la rupture par fissuration est une méthode importante pour déterminer les causes des fissures. Toute rupture a un point d'amorçage. Les fissures de trempe débutent généralement au point de convergence de fissures radiales.

Si l'origine de la fissure se situe en surface, cela signifie qu'elle est due à une contrainte de traction excessive. En l'absence de défauts structurels tels que des inclusions, mais en présence de facteurs de concentration de contraintes comme des marques de couteau importantes, de la calamine, des arêtes vives ou des déformations structurelles, des fissures peuvent apparaître.

Si la fissure prend naissance à l'intérieur de la pièce, elle est liée à des défauts de matériau ou à des contraintes résiduelles de traction internes excessives. La surface de rupture après trempe normale est grise et finement émaillée. Si elle est gris foncé et rugueuse, cela est dû à une surchauffe ou à une épaisseur excessive du matériau d'origine.

De manière générale, la partie vitreuse de la fissure de trempe ne doit présenter aucune coloration d'oxydation, et aucune décarburation ne doit être observée autour de la fissure. La présence de décarburation autour de la fissure ou d'une coloration d'oxydation sur la fissure indique que la pièce présentait déjà des fissures avant la trempe, et que ces fissures initiales s'étendront sous l'effet des contraintes liées au traitement thermique. Si des carbures ségrégés et des inclusions sont visibles près des fissures, cela signifie que ces dernières sont liées à une forte ségrégation des carbures dans la matière première ou à la présence d'inclusions. Si les fissures n'apparaissent qu'aux angles vifs ou aux endroits où la forme de la pièce a subi des modifications, sans les phénomènes mentionnés précédemment, cela signifie que la fissure est due à une conception structurelle inadéquate de la pièce, à des mesures de prévention des fissures insuffisantes ou à des contraintes excessives liées au traitement thermique.

De plus, les fissures dans les pièces ayant subi un traitement thermique chimique et une trempe superficielle apparaissent principalement près de la couche durcie. Améliorer la structure de cette couche et réduire les contraintes liées au traitement thermique sont des moyens importants pour éviter les fissures superficielles.