Brevet FR2122600A1 — publié le 19720901

j 2122600 L'invention se rapporte à un dispositif destiné à l'exécution d'essais de trempe sur la face radiale d'éprouvettes en acier de forme cylindrique. Au moyen de l'essai de trempe sur la face radiale, que l'on appelle également l'essai Jominy, on peut contrôler en peu de temps la trempabilité 5 d'un acier dans diverses conditions de refroidissement. On trouve les détails de l'exécution de cet essai dans "Stahl-Eisen-PrUfblatt 1650-61',' édité par le service des normes du "Verein Deutsçher Eisenhllttenleute". On chauffe une éprouvette cylindrique en acier,d'une longueur de 100 mm, d'un diamètre de 25 mm5à la température de trempe ; ensuite, on trempe la surface radiale de 10 l:éprouvette à l'eau. On observe des vitesses de refroidissement qui décroissent avec l'accroissement de la distance séparant la surface radiale du point considéré à l'intérieur de 1'éprouvette, et la formation de différentes structures, Ensuite, on peut effectuer des mesures de la dureté et des examens de la structure en toute une série de points de mesure situés à différentes dis-15 tances de la surface radiale. Lorsque les vitesses de refroidissement correspondant aux points de mesure sont connues, on peut tirer des résultats des mesures et examens une conclusion sur les caractéristiques de transformation de la nuance d'acier examinée et indiquer le résultat sur des graphiques. Le dispositif d'essai est composé d'un four, par exemple d'un four à moufle 20 dans lequel 1'éprouvette est chauffée à la température de trempe, et d'un dispositif de maintien dans lequel 1'éprouvette est suspendue après avoir été extraite du four, après quoi on projette d'en bas de l'eau sur la surface radiale de 1'éprouvette au moyen d'un tuyau ; l'évacuation de la chaleur de 1'éprouvette cylindrique se produit principalement dans la direction axiale ; 25 la transmission de chaleur de la surface cylindrique à l'air ambiant environnant est relativement faible. L'éprouvette de Jominy est utilisée pour les essais des aciers qui doivent être trempés dans l'eau ou dans l'huile ; étant donné que la chute de température par unité de temps à l'intérieur de 1'éprouvette de Jominy est relativement grande, l'essai de Jominy ne donne aucune 30 indication sur les caractéristiques de transformation des pièces en acier de forte épaisseur, qui sont refroidies à l'air comprimé ou dans l'air calme, cas dans lesquels l'intervalle de température essentiel pour la transformation de structure est parcouru beaucoup plus lentement. L'essai classique de trempe sur la surface radiale est donc absolument impropre au contrôle des tôles 35 fortes en aciers de construction soudables, à haute résistance, qui sont de grande épaisseur et traitées à l'air, parce que l'évacuation de la chaleur dans la direction axiale de 1'éprouvette se produit beaucoup trop rapidement. Des essais dans lesquels 1'éprouvette était entourée d'une enveloppe d'aluminium, 72 02135 2 2122600 pour réduire la dissipation de la chaleur le long de sa surface cylindrique n'ont pas conduit aux résultats recherchés. On a également déjà proposé de maintenir dans le four de trempe l'extrémité supérieure de l'éprouvette, placée en position verticale, tandis que son extrémité inférieure - comme 5 dans l'essai de trempe classique sur la face radiale - était trempée à l'eau sur la face radiale, et que la surface cylindrique se refroidissait dans l'air calme. Le but de ces tentatives était de réduire la vitesse de refroidissement à l'intérieur de l'éprouvette de Jominy à un degré suffisant pour atteindre les mêmes conditions de refroidissement que dans la trempe à l'eau 10 ou à l'huile des pièces d'acier de section relativement forte. Malheureusement ces mesures ne sont pas suffisantes pour permettre le contrôle à l'aide de l'essai de Jominy de pièces de forte épaisseur, qui ont subi un recuit de normalisation ou une trempe à l'air. Le but de l'invention est d'étendre le domaine d'application de 15 l'essai de Jominy au contrôle qualificatif d'aciers qui subissent un refroidissement relativement lent en partant de la température de trempe, et de réaliser un dispositif permettant un refroidissement nettement plus lent de l'éprouvette que dans le cas de l'essai de Jominy classique, et permettant d'appliquer également cet essai pour le contrôle des tôles d'une épaisseur 20 allant jusqu'à 150 mm ou plus. Le dispositif suivant l'invention, du type défini au début du présent mémoire, est caractérisé par un four chauffé électriquement, à revêtement réfractaire, et présentant une cavité verticale traversante destinée à recevoir l'éprouvette, l'extrémité inférieure de cette cavité pouvant être 25 obturée par une plaque métallique refroidie, de préférence au moyen d'un fluide de refroidissement, la surface radiale du corps de l'éprouvette reposant sur la plaque métallique. Dans la forme de réalisation préférée, l'élément chauffant électrique entoure la partie supérieure de la cavité. 30 Suivant une forme de réalisation avantageuse, la plaque métallique présente un évidement dans lequel on peut disposer une plaquette faite d'un métal à bas point de fusion, par exemple d'étain, de plomb, de métal de Wocd, ou équivalent, qui est mise en contact avec la surface radiale de l'éprouvette, le diamètre de cette plaquette étant de préférence supérieur à celui de 35 l'éprouvette, Le dispositif suivant l'invention est utilisé de préférence pour le refroidissement commandé d'une éprouvette cylindrique composée de plusieurs disques d'acier, de préférence au nombre de cinq à dix, les différents disques 72 02135 2122600 étant séparés les uns des autres par de minces couches d'une matière présentant une conductibilité thermique inférieure à celle de l'acier, par exemple de mica, d'un oxyde métallique, ou équivalent. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux 5 compris à la lecture de la description qui va suivre d'une forme de réalisation de l'invention, donnée uniquement à titre d'exemple, et en se référant aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une coupe verticale d'un dispositif suivant l'invention ; . 10 la figure 2 est une vue de côté d'une éprouvette présentant plusieurs points de mesure de la température, destinés à l'établissement des courbes de température ; la figure 3 représente une famille de courbes de refroidissement, la moitié supérieure de la figure 3 représentant l'allure de variation de la 15 température à l'intérieur d'une éprouvette suivant la figure 2 en fonction du temps, après la mise en place sur une plaque métallique refroidie, tandis que la moitié inférieure de cette même figure représente les courbes de ' variation de la température, obtenues expérimentalement, au coeur de tôles de différentes épaisseurs, qui sont refroidies dans l'air calme ou au moyen 20 de jets d'air comprimé après avoir été chauffées à la température de trempe. Sur la figure 1, on a représenté une enveloppe métallique 1 qui entoure le dispositif suivant l'invention, dont la partie supérieure est constituée par un four chauffé électriquement, et qui présente un diamètre d'environ 160 mm et une hauteur d'environ 180 mm ; sa section est carrée. On 25 a représenté en 2 une tôle de fond qui porte un revêtement réfractaire, composé djs chamotte 3 et d'une matière de calorifugeage 4 à grain fin, ce revêtement présentant une cavité verticale traversante 5 destinée à recevoir une éprouvette. Le diamètre de la cavité 5 est légèrement supérieur au diamètre de l'éprouvette, désignée par la référence 6. 30 L'éprouvette 6 présente - comme celle utilisée dans l'essai de Jo miny classique - un diamètre de 25 mm et une longueur de 100 mm. Pour pouvoir simuler les variations de température qui se manifestent au coeur de tôles fortes de grande épaisseur lors du refroidissement dans l'air, l'éprouvette 6 est avantageusement composée de neuf disques 7, séparés par des disques de 35 mica 8 ayant chacun une épaisseur de 0,2 à 1,2 mm ; les disques d'acier 7 et les disques de mica 8 présentent un perçage central dans lequel on peut enfiler une broche 9. Cette broche 9 présente à son extrémité inférieure un filetage qui se visse dans un contre-filetage correspondant du disque d'acier 72 02135 2122600 extrême inférieur 7. En vissant l'extrémité inférieure, on serre contre le disque d'acier 7 extrême supérieur la tête 10 qui est solidaire de l'extré mité supérieure de la broche 9. On a représenté en 11 un dispositif de maintien qui facilite l'extraction de l'éprouvette d'un four de trempe non repré-5 senté et l'insertion de cette éprouvette dans le dispositif suivant l'invention Dans la partie supérieure du dispositif, qui reçoit les deux disques d'acier 7 extrêmes supérieurs de l'éprouvette 6, est prévu un élément chauffant électrique 12, qui est constitué par un corps en terre réfractaire, dans lequel sont noyées des spires chauffantes, l'élément chauffant pouvant 10 être raccordé à une source d'électricité par un conducteur 13, et par l'intermédiaire de bornes de raccordement 14. Le four, composé de cet élément chauffant, qui est calculé pour une puissance d'au moins 200 watts et du revêtement réfractaire 3, 4, est chauffé avant l'insertion de l'éprouvette, à une température qui correspond à peu près à celle de cette éprouvette 6, 15 La puissance de chauffage est réglable, soit par paliers successifs, soit par variation continue, jusqu'à environ 35 watts. Pour contrôlar la température du four, on utilise un thermocouple 15 qui est raccordé à une prise 16, à laquelle est relié un appareil indicateur de température. Après l'insertion dè l'éprouvette 6, chauffée à la température de trempe, on ferme 20 l'extrémité supérieure de la cavité 5 au moyen d'une matière de calorifugeage 17, par exemple de la laine de laitier. L'extrémité inférieure de la cavité 5 est obturée par une plaque 18 en acier au chrome-nickel, dans laquelle est prévu un tube de refroidissement 19 parcouru par un courant d'eau. La plaque 18 est fixée par des liaisons démontables à un support 20. On a représeri- 25 té en 21 une mince plaquette ou rondelle de soudure à l'étain (25 à 90 7» Sn ; 75 à 10 % Pb) possédant un point de fusion compris entre 181 et 271°C. Cette soudure fond dès qu'elle est touchée par la surface radiale 27 (figure 2) de l'éprouvette, ce qui assure une bonne transmission de la chaleur entre cette surface 27 et la plaque d'acier 18 refroidie par l'eau. En remplacement 30 de la soudure à l'étain, on peut également utiliser, pour la pla'quette 21, du plomb dont le point de fusion est de 327°C, l'étain pur, dont le point de fusion est de 232°C, ou du métal de Wood (50,0 % Bi, 12,5 % Cd, 25,0 % Pb, 12s5 % Sn) possédant un point de fusion de 60°C. La plaquette 21 possède un diamètre légèrement supérieur à celui de l'éprouvette 6 et elle est avan-35 tageusement disposée dans un évidement 22 de la plaque d'acier 18. Sur la figure 2, on a représenté en 23, -24, 25, 26 des points de mesure prévus dans la masse d'une éprouvette 6' utilisée pour l'étalonnage du dispositif, et sur lesquels on peut mesurer la variation de la température 72 02135 2122600 au cours d'un essai de trempe sur la face radiale. A cet effet, l'éprouvette 6' présente quatre perçages axiaux, non représentés, régulièrement répartis sur une circonférence, et que se terminent à des distances différentes de la surface radiale 27 de l'éprouvette ; dans ces perçages sont enfilés des 5 thermocouples. Sur la figure 2, les points de mesure 23, 24, 25, 26 sont représentés sur une même génératrice pour simplifier le dessin. Les distances séparant les points de mesure 23, 24, 25 et 26 de la face radiale de l'éprouvette sont respectivement de 5, 25, 45 et 80 mm. L'éprouvette 6' est destinée à établir des courbes étalons pour le contrôle- de la variation de la 10 température en fonction du temps dans des aciers de même conductibilité thermique ; pour les essais, des éprouvettes 6 sont faites de l'acier qu'il s'agit d'éprouver ; dans ces éprouvettes, on étudie la structure et on mesure la dureté en différents points, après refroidissement dans le dispositif suivant l'invention ; les courbes d'étalonnage obtenues avec l'éprouvette 6' 15 sont donc valables pour des aciers d'une composition chimique analogue et de même conductibilité thermique. La moitié supérieure de la figure 3 représente 1'allure de variation de la température de l'éprouvette 6' après son insertion dans le dispositif suivant l'invention. La température de départ de l'éprouvette 6' 20 est de 900°C Les courbes de température qui correspondent aux points de mesure 23, 24, 25, 26 sont désignées par les références 23', 24', 25' et 26'. Ces courbes de température n'ont à être établies qu'une seule fois pour un type donné d'acier, par exemple les aciers non alliés, l'acier au chrome-nickel 18/8, etc. 25 Dans la moitié inférieure de la figure 3, on a représenté les cour bes de température obtenues expérimentalement par mesure au coeur de tôles 2 fortes d'une surface d'environ 5 m , qui sont refroidies à partir d'une température de 900cC, les unes dans l'air calme, les autres au moyen de jets d'air comprimé. Les courbes tracées en traits continus correspondent au cas 30 du refroidissement dans l'air calme et les courbes tracées en traits mixtes correspondent au cas du refroidissement à l'air comprimé : la courbe 28 représente la variation de la température au coeur d'une tôle de 5 mm d'épaisseur dans le cas du refroidissement dans l'air calme, la courbe 29 représente la même variation de température obtenue pour une tôle de 20 mm d'épaisseur, 35 la courbe 30 correspond à une tôle de 50 mm d'épaisseur et la courbe 31 à une tôle de 100 mm d'épaisseur ; les courbes 32, 33, 34, 35 représentent la variation de la température au coeur de tôles fortes de 5, 20, 50, et 100 mm d'épaisseur refroidies à l'air comprimé. 72 02135 6 2122600 La comparaison entre la moitié supérieure et la moitié inférieure de la figure 3 montre que, au moyen de l'essai de trempe sur la face radiale exécutée à l'aide d'une éprouvette composée de neuf disques d'acier 7 entre lesquels sont intercalées des plaquettes de mica de 1,2 mm d'épaisseur, on 5 peut simuler l'allure de variation de la température, ou la vitesse de refroidissement qu'on observe au coeur de tôles fortes de différentes épaisseurs et refroidies de différentes façons ; par exemple, la courbe de refroidissement 24' qui est obtenue au point de mesure 24 correspond à la courbe de température 29 obtenue dans le cas d'une tôle forte de 20 mm d'épaisseur, 10 refroidie dans l'air calme ; la courbe de refroidissement 25' obtenue au point de mesure 25 correspond à la courbe de température 30 obtenue dans le cas d'une tôle forte d'une épaisseur d'environ 50 mm refroidie dans l'air calme ou à la courbe de température dans la masse d'une tôle forte d'une épaisseur d'environ 80 mm et refroidie à l'air comprimé j la courbe de refroi-15 dissement 26' obtenue au point de mesure 26 correspond à l'allure de variation de la température mesurée au coeur d'une tôle forte d'une épaisseur d'environ 150 mm qui est refroidie à l'air comprimé. Les propriétés mécaniques mesurées sur une éprouvette après l'exécution de l'essai de trempe sur la face radiale, à différentes distances de la face radiale 27, par exemple^ la 20 dureté, la limite d'allongement, la résistance à la traction et la résilience correspondent donc aux propriétés mécaniques que l'on peut s'attendre à trouver au coeur de tôles fortes de différentes épaisseurs et faites de la même nuance d'acier, si la tôle a été refroidie dans l'air calme ou au moyen de jets d'air comprimé. Jusqu'à présent, l'établissement de diagrammes corres-25 pondant à des tôles d'une épaisseur supérieure à 5 mm, refroidies dans l'air calme ou à l'air comprimé, représentatifs de la transformation de structure en fonction de la vitesse de refroidissement et permettant d'évaluer les propriétés des aciers après traitement thermique, nécessitait de nombreuses études dilatométriques ou métallographiques sur un grand nombre de tôles 30 d'essai. Les résultats issus de ces essais longs et coûteux peuvent être obtenus par l'étude d'une seule éprouvette qui a subi le refroidissement réglé dans le dispositif suivant l'invention, lorsqu'on utilise une éprouvette qui est elle-même composée de plusieurs disques entre lesquels sont interposées des couches isolantes de la chaleur. Les équipements nécessaires pour 35 l'exécution de cet essai de trempe sur la face radiale sur ces éprouvettes sont identiques à ceux qu'on utilise dans l'essai de Jominy classique, à l'exception du dispositif suivant l'invention ; par exemple, on peut utiliser le même four que dans l'essai classique pour porter l'éprouvette à la tempé 72 02135 2122600 rature de trempe. On a donc uniquement à refroidir les éprouvettes 6 réalisées de l'acier à contrôler, puis à examiner la structure, et à mesurer la dureté, en plusieurs points situés à différentes distances de la surface radiale, pour pouvoir tirer une conclusion sur le comportement de tôles de différentes 5 épaisseurs et refroidies à des vitesses différentes. On peut modifier la position des courbes 23", 24', 25', 26' en modifiant le nombre des disques d'acier 7 qui constituent l'éprouvette 6 et/ou en modifiant l'épaisseur des couches isolantes 8 ainsi que la nature de la matière isolante. Un autre procédé qui permet de décaler les courbes 10 de température vers la gauche ou vers la droite, pour simuler le comportement au refroidissement du métal de tôles plus minces ou plus épaisses, consiste à modifier la puissance de chauffage du four après l'insertion de l'éprouvette ; si, par exemple la puissance de chauffage est de 35 watts au début de l'essai, le temps de chute de la température de 900 à 500°C n'est que de la 15 moitié du temps d'un essai de trempe sur la face radiale dans lequel l'éprouvette est insérée dans un four préchauffé à environ 900°C et où l'on entretient une puissance de chauffage de 100 watts pendant la trempe. Finalement, le dispositif suivant l'invention peut également être utilisé pour le refroidissement contrôlé d'une éprouvette d'acier d'une seule pièce telle que celle 20 qu'on utilise dans l'essai de Jominy classique ; dans ce cas, les courbes de température sont décalées vers la gauche sur la partie inférieure de la figure 3. Naturellement, en modifiant les conditions de l'essai de la façon décrite plus haut, on peut également étudier les variations de structure et de température qui se produisent dans des tôles trempées à l'eau, notamment 25 lorsqu'il s'agit d'étudier des tôles très épaisses. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au dispositif qui vient d'être décrit à titre d'exemple non limitatif, sans sortir du cadre de l'invention. 72 02135 2122600 !L5_Y Ç_îL5_ï C~A T.1 0 ?„s 1. Dispositif pour l'exécution d'essais de trempe sur la face radiale d'éprouvettes en acier de forme cylindrique, caractérisé en ce qa'il comprend un four chauffé électriquement, à revêtement réfractaire et présentant une cavité verticale traversante destinée à recevoir l'éprouvette, l'extrémité 5 inférieure de cette cavité pouvant être obturée par une plaque métallique refroidie, de préférence par un fluide de refroidissement, la surface radiale de l'éprouvette reposant sur la plaque métallique. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément chauffant électrique du four entoure la partie supérieure de la cavité. 10 3. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la plaque métallique présente un évidement dans lequel on peut disposer une plaquette faite d'un métal à bas point de fusion, par exemple d'étain, de plomb, de métal de Wood ou équivalent, qui est mise en contact avec la surface radiale de l'éprouvette, le diamètre de cette pla-15 • quette étant de préférence supérieur à celui de l'éprouvette. 4. . Emploi d'un dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, pour le refroidissement contrôlé d'une éprouvette cylindrique, qui est composé de plusieurs disques d'acier, de préférence au nombre de cinq à dix, les différents disques étant séparés les uns des autres par de minces 20 couches d'une matière présentant une conductibilité thermique inférieure à celle de l'acier, par exemple de mica, d'un oxyde métallique ou équivalent.