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RELATION STRUCTURE-PROPRIÉTÉS

Connaissances ... définir ... les traitements des métaux ...

Les métaux et alliages ont une structure cristalline qui a une incidence sur les propriétés du métal.

Prenons l'exemple d'un acier courant qui est un alliage de fer et de carbone contenant 0,45% de carbone (si la teneur en carbone est supérieure à 2,2%, l'alliage est appelé fonte) :

• A température ambiante, l'acier est constitué de cristaux de ferrite (dans une petite zone de composition). Au delà de cette zone, il est constitué de cristaux de ferrite et de cristaux cémentite plus ou moins bien organisés. • Si le mélange est à 0,77% de carbone, il a une structure lamellaire appelée perlite. • Au delà de 0,77% de carbone, la structure (jusqu'à 2,2% de carbone) est une association majoritaire en perlite et qui contient une part de cémentite croissante

Il est important de noter que le fer α est un réseau cubique centré composée de fer contenant 0,022% de carbone en solution solide et que la cémentite est un carbure de fer Fe₃C orthorhombique contenant 6,67% de carbone.

• A une température supérieure à 800 °C, cet acier subit une transformation allotropique qui conduit à une structure de type cubique à faces centrées, appelée austénite ou Fer γ.

Il est ainsi possible dans certains cas de modifier la structure cristalline pour modifier certaines propriétés du métal.
C'est le cas par exemple dans le phénomène de trempe appliqué à l'acier, dans le but d'augmenter sa dureté.
La trempe est un traitement thermique qui consiste à porter un matériau, se trouvant sous une certaine forme cristalline α, à une température où il va se produire un changement de forme cristalline pour donner une nouvelle phase β (en le laissant un temps suffisant).
Ensuite par un refroidissement rapide, en plongeant le matériau dans un fluide froid (eau, air, huile, ...) on peut obtenir une phase α' hors équilibre, possédant certaines propriétés physiques, par exemple une plus grande dureté.

maintenir cliqué pour faire tourner l'image 3D	Le but de la trempe est de passer de la structure austénitique cubique F (à gauche), à la structure de la ferrite cubique I (à droite) mais hors équilibre et contenant plus de 0,022% de carbone. En effet, dans la structure de l'austénite, les espaces interstitiels sont plus grands (octaédriques) que dans la structure de la ferrite (coordinance 3). La solubilité du carbone donc est supérieure et des atomes de carbone peuvent se glisser au centre de la maille, et/ou au milieu de chaque arrête du cube comme représenté (à gauche). La baisse très rapide de la température ne laisse pas le temps à tous les atomes de carbone de diffuser hors des mailles de ferrite et globalement, la forme hors équilibre contient plus de carbone que la forme stable.	maintenir cliqué pour faire tourner l'image 3D
Ces atomes de carbone enclavés vont engendrer des contraintes dans les cristaux, ce qui augmente la dureté du métal mais le rend plus cassant  aussi on pratique le revenu.

Les étapes de la trempe et du revenu dont sont détaillées ci-dessous :

a- chauffage de la pièce en acier jusqu'à une température de 920 °C pour être dans le domaine de la structure austénitique (point A). La pièce est maintenue un certain temps à cette température pour atteindre un équilibre. Des atomes de carbone diffusent dans les mailles cristallines du fer de structure cubique à faces centrées. Un atome de carbone peut se glisser au centre de la maille et/ou au centre de chaque arête du cube.

b- refroidissement rapide de la pièce en acier jusqu'à une température inférieure à 300 / 200 °C (point B) est une trempe. Les cristaux de fer changent de structure et deviennent cubiques centrés. Mais le carbone n'ayant pas le temps de diffuser, il reste enclavé dans la maille, et on se trouve avec une phase différence de la ferrite, appelée martensite.

c- Après la trempe, l'acier a une bonne dureté mais il est trop cassant par suite de la présence de contraintes internes. Pour réduire ces contraintes, sans nuire à la dureté, il faut le porter un certain temps à une température suffisante, mais inférieure à celle entrainant un début de changement de structure (727 °C). Habituellement une température de 600 °C est convenable. Cette opération est appelée revenu et réduit les contraintes mécaniques (point C).