La trempe martensitique a pour but de faire apparaître un constituant spécifique dans les aciers, appelé martensite, afin de les rendre plus durs et résistants à l’usure et aux efforts mécaniques. Il s’agit de l’un des plus anciens traitements thermiques des métaux connus, toujours utilisé aujourd’hui en raison de l’efficacité de ce traitement et du rôle primordial de la martensite dans le durcissement des aciers. Cette méthode permet l’obtention d’aciers particulièrement durables et sert à traiter la grande majorité des aciers dans le monde.
Fonctionnement de la trempe martensitique
Pour bien comprendre comment fonctionne la trempe martensitique, il est nécessaire de rappeler que le traitement thermique des métaux offre deux modes de durcissement des matériaux : le durcissement structural et la trempe martensitique. Cette dernière représente la plus ancienne technique et repose, comme son nom l’indique, sur la formation de martensite au cours d’une opération de trempe.
Cette méthode représente le premier traitement thermique de l’histoire. Les forgerons recouraient justement à ce processus de refroidissement rapide pour augmenter la dureté des lames qu’ils fabriquaient, tout en jouant sur la vitesse de cette étape afin de limiter les déformations.
Déroulement d’une opération de trempe martensitique
Ce procédé a vu le jour sur l’impulsion d’un métallurgiste allemand, nommé Martens. Celui-ci s’est aperçu, en analysant le processus de trempe, qu’il était possible d’augmenter considérablement la dureté des aciers en modifiant simplement quelques paramètres de l’opération. En pratique, la trempe martensitique consiste à transformer la structure de l’acier. A température ambiante, celle-ci se compose de ferrite et de perlite et les atomes sont répartis dans la matière sous la forme d’une structure cubique. En chauffant la pièce entre 850°C et 1200°C, ce qui représente la température d’austénitisation, on obtient de l’austénite. Ensuite, en refroidissant très rapidement le métal, la structure interne, à l’échelle atomique, du matériau se fige pour prendre la forme d’un tétraèdre (structure quadratique). C’est alors que la martensite apparaît. Cette étape revêt une importance cruciale car, si le refroidissement se fait trop lentement, la pièce retrouve sa structure initiale, faite de ferrite et de perlite, ou des constituants intermédiaires appelés troostite. En pratique, différents fluides peuvent servir à refroidir les métaux au cours d’une trempe martensitique : l’eau, qui reste le plus rapide, mais aussi l’huile ou même certains gaz, comme l’azote ou l’argon.
La création de martensite engendre une légère augmentation du volume de la structure du matériau, qui devient alors beaucoup plus résistant à l’usure et aux efforts mécaniques.
Le revenu, traitement thermique complémentaire à la trempe martensitique
La martensite obtenue suite à une opération de trempe martensitique garantit une excellente dureté au matériau. Cependant, ce traitement peut s’accompagner d’autres opérations, notamment d’un revenu, par exemple, qui permet d’ajuster sa dureté. Le revenu sert également à défragiliser la pièce afin de la rendre plus résiliente.
Avantages de cette méthode de traitement thermique
S’il s’agit du premier traitement thermique des métaux à avoir existé, la trempe martensitique a, au fil du temps, connu plusieurs évolutions technologiques. En effet, cette technique permet de multiplier par un facteur entre 5 à 10 la résistance naturelle de l’acier face à l’usure et aux contraintes mécaniques.
En dépit de son ancienneté, ce procédé reste l’un des plus efficaces pour durcir le métal et il compte toujours parmi les technologies les plus employées par les industriels. On estime qu’aujourd’hui, 80 % des aciers disponibles dans le monde sont aptes à recevoir un traitement de durcissement par trempe martensitique, tandis que les 20 % restants relèvent du durcissement structural. De ce fait, sans l’invention de ce procédé, les avions ne voleraient pas, les trains ne rouleraient pas et les voitures ne pourraient quitter leur garage. Les exemples les plus connus d’aciers traités selon cette méthode restent sans doute les arbres de roues ou les boites de vitesse automobiles. D’énormes progrès technologiques ont permis l’emploi de technologies sous vide, beaucoup plus greentech et des refroidissements sous gaz ou huile parfaitement maitrisés.
Les premiers forgerons ne savaient peut-être pas l’expliquer mais ils l’avaient bien compris : un refroidissement brutal suite à un chauffage à très haute température engendre l’apparition de martensite dans l’acier. Ce procédé de traitement thermique a traversé les âges en raison de son exceptionnelle capacité à rendre les pièces nettement plus résistantes à l’usure et aux efforts mécaniques. Le durcissement par trempe martensitique traite d’ailleurs, encore aujourd’hui, 80 % des aciers présents dans le monde. Compatible avec une opération de revenu, par exemple, cette méthode peut se dérouler dans différents milieux de refroidissement : eau, huile, azote ou argon. Il s’agit, de ce fait, d’un traitement thermique extrêmement populaire, qui se retrouve dans les voitures comme dans les avions ou bien les trains, et qui a encore de très beaux jours devant lui.
