Normalisation de l'acier – Procédé, température, microstructure et application

Acier normalisé est l'un des processus de base traitement thermique de l'acierSon objectif principal est d'obtenir une microstructure plus uniforme et à grains fins, de réduire les effets des procédés technologiques antérieurs et de préparer le matériau à un traitement thermique ou mécanique ultérieur. La normalisation peut affecter la résistance, la dureté, la résilience, la ductilité et l'usinabilité de l'acier, mais l'ampleur de ces modifications dépend principalement de la teneur en carbone, des éléments d'alliage et de la structure initiale du matériau.
Le procédé consiste à chauffer l'acier à une température assurant le degré d'austénitisation requis, à le maintenir à cette température, puis à le refroidir à l'air libre. La méthode de refroidissement constitue l'une des différences fondamentales entre la normalisation et le recuit complet. Le refroidissement à l'air est plus rapide que le refroidissement au four, ce qui influe sur la taille des grains et la microstructure finale.
La normalisation est principalement utilisée pour les aciers non alliés et faiblement alliés. Elle peut être réalisée comme traitement thermique final d'une pièce ou comme étape intermédiaire précédant d'autres opérations telles que la trempe, le traitement thermique ou l'usinage.

Qu'est-ce que la normalisation de l'acier ?

Lors de la normalisation, l'acier est chauffé jusqu'à la température d'austénite correspondant à sa composition chimique. Au cours de ce chauffage, des transformations se produisent, conduisant à la formation d'austénite et à l'homogénéisation de la structure. La pièce est ensuite retirée du four et refroidie à l'air.
Lors du refroidissement, l'austénite subit des transformations qui conduisent – ​​selon la composition de l'acier et la vitesse de refroidissement – ​​principalement à la formation de structures ferritiques-perlitiques ou perlitiques. Dans les aciers alliés, le processus de transformation peut être plus complexe, car les éléments d'alliage influencent la trempabilité et la cinétique des transformations de phase.
La normalisation est particulièrement utile après des procédés pouvant engendrer une structure inhomogène ou à gros grains, tels que le forgeage, le laminage à chaud ou la coulée.

L'objectif de la normalisation de l'acier

La normalisation peut servir plusieurs objectifs technologiques. Son but précis dépend de la nuance d'acier, de l'état du matériau et de son utilisation prévue.
Les objectifs les plus importants de la normalisation sont les suivants :

• raffinement du grain – une austénitisation correctement réalisée et un refroidissement subséquent permettent d'obtenir une structure à grains plus fins,
• homogénéisation de la microstructure – notamment après le forgeage, le laminage, le moulage et autres procédés à haute température,
• amélioration des propriétés mécaniques – la normalisation permet d'accroître la résistance et la dureté par rapport à l'état entièrement recuit, tout en conservant une ductilité et une résistance aux chocs utiles.
• limiter les effets indésirables des traitements antérieurs – y compris les inhomogénéités structurelles et la croissance excessive des grains,
• préparation de l'acier en vue d'un traitement thermique ultérieur – par exemple, durcissement ou amélioration thermique,
• préparation du matériau pour l'usinage – dans certains aciers, une structure appropriée après normalisation peut améliorer les conditions de traitement ultérieur,
• obtenir des propriétés plus uniformes dans la section transversale de l'élément – particulièrement important dans le cas des pièces forgées, des pièces moulées et des produits semi-finis après traitement à chaud.

Facteurs influençant l'effet de la normalisation de l'acier

Les propriétés finales de l'acier après normalisation dépendent de l'ensemble du cycle de traitement thermique. Même à température égale, deux nuances d'acier peuvent présenter des microstructures et des propriétés différentes lors du refroidissement à l'air.

Température de normalisation de l'acier

La température de normalisation n'est pas une constante unique pour toutes les nuances d'acier. Elle est choisie en fonction de la composition chimique du matériau et des températures critiques associées aux transformations de phase.
Pour les aciers hypoeutectoïdes, c'est-à-dire les aciers contenant moins de carbone que la composition eutectoïde, la normalisation est généralement effectuée au-dessus de la température critique. Ac3En pratique, la température du procédé est généralement suffisamment supérieure à Ac3 pour assurer une austénitisation correcte du matériau.
Dans le cas des aciers hypereutectoïdes, les règles de sélection de la température nécessitent de prendre en compte la ligne Acm et la microstructure attendue. Par conséquent, spécifier une seule plage de températures, par exemple 800–950 °C, pour tous les aciers ne constitue qu'une simplification grossière.
La température de normalisation réelle doit être déterminée pour une nuance d'acier spécifique en fonction de ses caractéristiques matérielles, de la norme applicable, de la documentation technique ou des recommandations du fabricant.

Normalisation de l'acier – processus

Le processus de normalisation peut être divisé en trois étapes fondamentales : chauffage, recuit et refroidissement.

1. Chauffage

La pièce est chauffée à la température de normalisation appropriée à la nuance d'acier considérée. La vitesse de chauffage doit tenir compte des dimensions, de la géométrie, de l'épaisseur de la section transversale et de la conductivité thermique du matériau. Pour les pièces de grande taille ou complexes, un chauffage trop rapide peut engendrer d'importants gradients de température et des contraintes thermiques significatives.

2. Chauffage

Une fois la température requise atteinte, le matériau est chauffé pendant une durée suffisante pour permettre une homogénéisation de la température dans toute sa section et pour autoriser les transformations structurelles nécessaires. La durée de chauffage dépend des dimensions, de la masse et de la nuance d'acier de la pièce, ainsi que du mode de chauffage et du type de four.
La relation simple entre le temps et l'épaisseur en millimètres ne doit pas être considérée comme une règle universelle pour tous les composants. En technologie industrielle, des paramètres doivent être définis pour chaque matériau et chaque pièce.

3. Refroidissement par air

Après recuit, la pièce est refroidie à l'air. Ce refroidissement est plus rapide que lors d'un recuit complet classique, où le matériau refroidit lentement dans le four. Cette différence de vitesse de refroidissement influe sur la transformation austénitique et la microstructure finale du matériau.
Les conditions de refroidissement jouent également un rôle. La taille des composants, la température ambiante, la circulation de l'air et l'orientation des composants peuvent toutes influencer le taux de dissipation thermique réel.

Microstructure de l'acier après normalisation

L'un des effets les plus importants de la normalisation est la modification de la microstructure de l'acier. Dans les aciers hypoeutectoïdes typiques, un procédé correctement mené permet d'obtenir une structure contenant de la ferrite et de la perlite. La teneur en perlite augmente avec la teneur en carbone.
Comparativement au refroidissement lent lors d'un recuit complet, la structure obtenue lors de la normalisation est généralement plus fine. Une structure perlitique plus fine et une taille de grain appropriée peuvent accroître la résistance et la dureté du matériau.
Cependant, la microstructure finale dépend non seulement de la température de normalisation, mais aussi de :

• teneur en carbone,
• type et teneur en éléments d'alliage,
• taille des grains d'austénite,
• temps de chauffage,
• dimensions de l'élément,
• vitesses de refroidissement,
• microstructure du matériau avant normalisation.

L'effet de la normalisation sur les propriétés mécaniques de l'acier

La normalisation peut modifier sensiblement les propriétés mécaniques de l'acier, mais l'ampleur de ces modifications dépend de sa composition et de son état initial. Ce procédé ne doit pas être considéré comme une méthode universelle produisant des résultats identiques pour toutes les nuances d'acier.

Résistance à la traction

La microstructure plus fine obtenue après normalisation peut entraîner une augmentation de la résistance à la traction par rapport à un acier entièrement recuit. Cet effet dépend notamment de la teneur en carbone et des éléments d'alliage.

Granica plastyczności

Les modifications de la microstructure et l'affinage du grain peuvent également affecter la limite d'élasticité. Cette propriété est particulièrement importante pour les aciers de construction destinés aux éléments porteurs.

Dureté

L'acier normalisé est généralement plus dur que l'acier recuit, car un refroidissement plus rapide favorise le développement d'une structure plus fine. Cependant, la normalisation ne permet pas d'atteindre la dureté caractéristique d'un acier martensitique correctement trempé.

résistance aux chocs et ductilité

Le raffinement du grain et l'homogénéisation structurale peuvent améliorer la résistance aux chocs et le comportement du matériau sous charge. Cependant, cet effet précis ne peut être déterminé sans tenir compte de la nuance d'acier et des paramètres du procédé.

Skrawalność

L'effet de la normalisation sur l'usinabilité varie selon les aciers. Dans les aciers à faible teneur en carbone, une légère augmentation de la dureté peut améliorer la formation des copeaux et réduire la ductilité excessive du matériau. Dans d'autres cas, un recuit d'adoucissement ou un recuit de sphéroïdisation avant usinage peut s'avérer plus avantageux.

Normalisation vs. Recuit

La normalisation et le recuit sont des procédés qui consistent à chauffer puis à refroidir de manière contrôlée l'acier, mais ils diffèrent principalement par les conditions de refroidissement et la microstructure qui en résulte.
Après normalisation, l'acier est généralement refroidi à l'air, tandis que lors d'un recuit complet, le refroidissement est beaucoup plus lent et s'effectue généralement au sein du four. De ce fait, l'acier normalisé présente généralement une structure plus fine, une dureté et une résistance supérieures à celles de l'acier recuit correspondant.
Si l'objectif principal est de réduire les contraintes résiduelles sans modifier fondamentalement la structure du matériau, recuit de détente.

Normalisation et durcissement

Trempe de l'acier Elle diffère de la normalisation principalement par la vitesse de refroidissement et l'effet structural recherché. Lors de la trempe, l'objectif est de refroidir l'austénite afin d'obtenir une structure à haute dureté, le plus souvent avec une teneur importante en martensite.
La normalisation utilise un refroidissement à l'air plus lent et ne sert pas à créer une structure martensitique dans les aciers au carbone classiques. Elle peut toutefois constituer une étape préparatoire au traitement thermique ou à la trempe ultérieure.

Normaliser vs. Lâcher prise

Lâcher prise Il s'agit d'un procédé généralement effectué après la trempe. Son but est de modifier la structure de l'acier trempé et d'obtenir la combinaison requise de dureté, de résistance et de ductilité.
La normalisation, quant à elle, peut être un traitement thermique indépendant ou une étape préparatoire au traitement ultérieur du matériau. Par conséquent, ces deux procédés poursuivent des objectifs technologiques différents.

Recuit de normalisation et de relaxation des contraintes

La normalisation entraîne l'austénitisation de l'acier et la formation subséquente d'une nouvelle microstructure lors du refroidissement. Le recuit de détente, quant à lui, est réalisé à une température plus basse et vise principalement à réduire les contraintes résiduelles tout en minimisant l'impact sur la microstructure et les propriétés fondamentales du matériau.

Normalisation et autres méthodes de traitement thermique de l'acier

La normalisation, le recuit, la trempe et le revenu diffèrent par leur température, leur méthode de refroidissement et l'effet recherché. Le tableau ci-dessous récapitule les principales différences entre ces procédés.

Normalisation de différentes nuances d'acier

Aciers de construction non alliés

La normalisation est largement utilisée pour les aciers de construction non alliés. Ce procédé peut être appliqué après le laminage, le forgeage ou la coulée afin d'affiner et d'homogénéiser la structure et d'obtenir les propriétés mécaniques requises.

Stale węglowe

Dans les aciers au carbone, l'effet normalisant est fortement lié à la teneur en carbone. Plus cette teneur augmente, plus la teneur en perlite augmente, ce qui modifie la dureté, la résistance et la ductilité du matériau. Parmi les aciers à ressort à teneur en carbone élevée, on trouve les aciers C55S, C67S, C75S, C85S et C100S.

Aciers faiblement alliés

Dans le cas des aciers faiblement alliés, il convient de tenir compte de l'influence du chrome, du molybdène, du nickel, du manganèse et d'autres éléments sur les transformations qui se produisent lors du refroidissement. La trempabilité accrue de certaines nuances implique que le comportement de l'acier lors du refroidissement à l'air peut différer sensiblement de celui d'un acier au carbone ordinaire.

Aciers fortement alliés

Le concept de normalisation ne doit pas être appliqué systématiquement à tous les aciers fortement alliés. Pour les aciers inoxydables, les aciers réfractaires, les aciers à outils et autres aciers spéciaux, des traitements thermiques adaptés au groupe et à la nuance sont mis en œuvre. Les paramètres doivent toujours être définis en fonction de la microstructure et des propriétés du matériau recherchées.

Normalisation des pièces forgées

La normalisation est particulièrement importante dans la production de pièces forgées. Lors du forgeage, l'acier est soumis à des températures élevées et à une déformation plastique importante, ce qui peut engendrer une structure non uniforme.
Une normalisation bien choisie affine le grain et homogénéise la microstructure de la pièce forgée. Selon le type de matériau, elle peut constituer l'étape finale d'un traitement thermique ou une préparation à la trempe et au revenu.

Normalisation des pièces moulées en acier

Dans les pièces moulées en acier, la normalisation permet de modifier la structure formée lors de la solidification et du refroidissement. Les pièces moulées, notamment celles de grande section, peuvent présenter une hétérogénéité microstructurale et granulométrique importante.
La normalisation permet d'obtenir une structure plus uniforme dans les nuances appropriées et prépare la pièce moulée pour les processus technologiques ultérieurs.

Normalisation après forgeage et laminage

Les conditions de la phase finale de forgeage ou de laminage ont un impact significatif sur la microstructure du produit semi-fini. Une température élevée ou un refroidissement incontrôlé du matériau peuvent entraîner une croissance excessive des grains ou une hétérogénéité structurale.
Dans de tels cas, la normalisation peut servir de traitement préparatoire, permettant d'obtenir une structure plus prévisible avant tout traitement thermique ou mécanique ultérieur.

Application de la normalisation de l'acier

La normalisation est principalement utilisée lorsqu'il est nécessaire d'homogénéiser la microstructure, d'affiner le grain ou de préparer le matériau pour les étapes de production ultérieures.
Les applications typiques comprennent :

• pièces forgées et éléments forgés,
• pièces moulées en acier,
• arbres et essieux,
• éléments de machines et d'appareils,
• pièces structurelles,
• produits semi-finis après laminage à chaud,
• éléments préparés pour la trempe et le revenu,
• pièces soumises à un usinage ultérieur.

Avantages de la normalisation de l'acier

• possibilité de broyage des grains,
• homogénéisation de la microstructure,
• amélioration de certaines propriétés mécaniques,
• la capacité de préparer le matériau pour des traitements thermiques ultérieurs,
• une méthode relativement simple de refroidissement par air,
• peut être utilisé après forgeage, laminage et coulée,
• obtenir une dureté et une résistance supérieures à celles obtenues après un recuit complet classique dans de nombreux aciers au carbone.

Inconvénients et limites de la normalisation

• Ce procédé ne convient pas à tous les types d'acier.
• Le refroidissement par air peut entraîner des différences de vitesse de refroidissement dans les éléments ayant des sections transversales importantes ou variables.
• La déformation d'éléments à géométrie complexe est possible.
• La normalisation ne confère pas la dureté caractéristique du durcissement.
• n'est pas un procédé destiné principalement à l'élimination maximale des contraintes résiduelles,
• Dans les aciers à trempabilité accrue, le refroidissement à l'air peut conduire à des structures différentes de celles des aciers au carbone classiques.
• Une température incorrecte peut entraîner une croissance excessive des grains et une détérioration des propriétés du matériau.

De quoi dépend l'effet de normalisation correct ?

L'efficacité de la normalisation dépend du choix judicieux de l'ensemble du cycle technologique, et non pas seulement de la température maximale. Il convient de prendre en compte la nuance d'acier, sa composition chimique, sa structure initiale, les dimensions et la géométrie de la pièce, la vitesse de chauffage, la température et la durée d'austénitisation, ainsi que les conditions de refroidissement.
Il est particulièrement important d'éviter les températures trop élevées ou les temps de trempage trop longs, car ils peuvent entraîner une croissance des grains d'austénite. À l'inverse, des températures insuffisantes ou des temps de trempage trop courts peuvent empêcher d'obtenir l'uniformité structurale requise.
Acier normalisé L'austénitisation est un traitement thermique qui consiste à chauffer le matériau à la plage de températures d'austénitisation appropriée, à effectuer un recuit, puis à le refroidir à l'air. Ce procédé est principalement utilisé pour affiner le grain, homogénéiser la microstructure et obtenir des propriétés adaptées à des transformations ou utilisations ultérieures.
Comparée au recuit complet, la normalisation utilise un refroidissement plus rapide, ce qui explique la structure plus fine et la dureté et la résistance accrues qu'elle confère à de nombreux aciers au carbone. Toutefois, elle ne remplace pas la trempe, le revenu ni le recuit de détente ; chacun de ces procédés poursuit un objectif technologique différent.

Méthodes de traitement thermique et thermochimique de l'acier

L'adoucissement n'est qu'un des procédés utilisés pour modifier la microstructure et les propriétés de l'acier. Selon l'effet recherché, on utilise également la normalisation, la relaxation des contraintes, la trempe, le revenu et des procédés thermochimiques tels que la cémentation et la nitruration.

méthodes de traitement thermique de l'acier

• Acier normalisé – affinement du grain et unification de la microstructure.
• Wyżarzanie odprężające – réduction des contraintes résiduelles.
• Adoucissement de l'acier – réduire la dureté et améliorer la susceptibilité aux traitements ultérieurs.
• recuit complet – austénitisation et refroidissement lent.
• recuit isotherme – transformation réalisée en maintenant une température correctement sélectionnée.
• Recuit à billes – sphéroïdisation – modification de la morphologie de la cémentite ou d’autres carbures.
• recuit de recristallisation – suppression des effets de l’écrasement et restauration de la plasticité.
• recuit d'homogénéisation – réduire la ségrégation et homogénéiser la composition du matériau.
• Trempe et traitement thermique – façonner la microstructure et les propriétés par durcissement et revenu.
• Acier trempé – modification contrôlée des propriétés de l'acier après trempe.
• durcissement par induction – Chauffage par induction de surface et refroidissement rapide.
• durcissement à la flamme – durcissement superficiel après chauffage local à la flamme.
• Sursaturation – obtention d’une solution solide sursaturée par un cycle thermique approprié.
• Vieillissement – séparation de phases contrôlée conduisant au renforcement du matériau.

Méthodes de traitement thermochimique de l'acier

• Nitruration de l'acier – enrichissement par diffusion de la couche superficielle en azote.
• Acier cémenté – enrichissement de la surface en carbone par diffusion.
• Carbonitruration – enrichissement simultané de la couche superficielle en carbone et en azote.
• Nitrocarburation / nitrocarburation – enrichissement de la couche principalement en azote et en carbone.
• Forage – saturation de la surface par diffusion du bore.
• Chromage par diffusion – enrichissement de la couche en chrome par diffusion.
• aluminisation par diffusion – enrichissement de la couche en aluminium par diffusion.