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![Austrempe et martrempe de l’acier](/images/uploads/66b8632f-3433-4248-8748-0ff670a4ac71/wiki-hero-a-side-by-side-editorial-comparison-of-austempering-and-martempering-of-steel-sh-1920x823.jpg)

Traitement thermique

# Austrempe et martrempe de l’acier

Découvrez comment l’austemperage forme de la bainite et le martemperage forme de la martensite revenue dans l’acier.

![Portrait d’Anders Bergström, journaliste de la sidérurgie](/images/uploads/a7d8e5bc-7cdf-409b-913b-211e63e8c441/anders-bergstr-m-1920x1920.jpg)

 **[Anders Bergström](/fr/actualites/auteur/anders-bergstrom "Anders Bergström")** Traitement thermique 60+ min de lecture Mis à jour 14 août 2026 Revu selon les preuves

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## Austempering et martempering : une terminologie à ne pas confondre

Les deux traitements interrompent la trempe directe, mais ils ne produisent pas la même microstructure. **L’austempering est un traitement de transformation bainitique** : l’acier austénitisé est refroidi rapidement jusqu’à une température à laquelle la bainite peut se former, puis maintenu jusqu’à ce que la fraction requise d’austénite se transforme. **Le martempering est une étape d’égalisation de la température avant la formation de martensite** : l’acier est trempé jusqu’à une température juste supérieure à sa température de début de formation de la martensite, y est maintenu uniquement le temps nécessaire pour que la section atteigne une température uniforme, puis refroidi à travers la plage martensitique. L’acier soumis au martempering doit normalement être revenu avant sa mise en service.

Cette distinction est plus importante que le nom du bain de trempe. Un bain de sels, un bain d’huile ou un autre milieu contrôlé ne suffit pas, à lui seul, à identifier le procédé. La composition de l’alliage détermine la position et la forme des courbes de transformation ; la température de début de formation de la martensite, la dimension de la section, la trempabilité, la température du bain, la durée de maintien, l’agitation et la vitesse de refroidissement déterminent le cycle réellement suivi. Un bain à 300 °C peut permettre un austempering dans un acier si de la bainite se forme pendant le maintien, mais fonctionner comme une station de martempering dans un autre si la pièce est retirée avant la transformation bainitique, puis refroidie afin de former de la martensite.

### Pourquoi ces appellations sont souvent confondues

La confusion vient d’une similitude réelle de l’équipement et de la mise en œuvre. Dans les deux traitements, la pièce est austénitisée, transférée rapidement dans un milieu à température contrôlée et empêchée de subir une trempe directe non contrôlée depuis la température d’austénitisation jusqu’à la température ambiante. Les deux cycles peuvent réduire les gradients thermiques par rapport à une trempe ordinaire et sont parfois décrits de manière informelle comme des « trempes interrompues ». Ces caractéristiques communes ne permettent pas d’établir que le produit de transformation est le même.

#### Termes qui n’identifient pas la phase finale

Trempe en bain de sels

Décrit le milieu de transfert thermique, et non le produit de transformation.

Trempe à chaud

Décrit une trempe à température contrôlée, mais pas un cycle unique.

Trempe isotherme

Décrit un parcours température-temps dont la phase résultante dépend du maintien.

Trempe Ausbay

Décrit une méthode de trempe interrompue qui doit être associée à la procédure spécifiée.

Les noms des bains ajoutent à la confusion. Des termes tels que trempe en bain de sels, trempe à chaud, trempe isotherme, trempe ausbay et trempe interrompue sont souvent employés de manière interchangeable, bien qu’ils décrivent respectivement un équipement, un contrôle de température ou un cycle, plutôt qu’une phase finale unique. La norme SAE AMS-H-6875C : *Heat Treatment of Steel Raw Materials* couvre quatre classes d’aciers et autorise l’austempering, la trempe ausbay et le martempering lorsqu’ils sont spécifiés. Le libellé de la spécification renforce donc un point essentiel : la désignation du traitement doit être associée à la procédure et au résultat exigés, et non déduite du simple fait que du sel a été utilisé.

La géométrie modifie également l’interprétation. Une pièce mince peut atteindre une température uniforme sur toute son épaisseur pendant un bref maintien au-dessus de la température de début de formation de la martensite. Une pièce épaisse peut nécessiter un maintien plus long, et cette durée supplémentaire peut permettre à la bainite de commencer à se former ou de poursuivre sa transformation si la température se situe dans la plage de transformation bainitique. Inversement, un acier présentant une formation retardée de bainite peut rester en grande partie austénitique pendant un maintien qui transformerait une autre nuance. La même température nominale du bain peut donc produire des structures différentes dans les aciers AISI 52100, AISI 8620 et dans un alliage à haute trempabilité.

#### Limite du procédé

Ne pas préciser la température du bain sans indiquer la nuance d’acier, le temps de transfert, l’égalisation ou le critère de transformation, la limite de maintien, la méthode de refroidissement et l’exigence de revenu.

\[1\] \[1\] [**ASM Handbook Volume 4A: Martempering of Steels**](https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/18/chapter-abstract/278992/Martempering-of-Steels-1). ASM International. ASM Handbook, 2013.

L’ouvrage *ASM Handbook Volume 4A* publié par ASM International en 2013 identifie la température d’austénitisation, la température du bain, la durée de maintien, l’agitation et la vitesse de refroidissement comme les variables déterminantes du martempering. Ces variables constituent des données de procédé, et non des détails accessoires. Un plan ou une procédure indiquant uniquement « trempe en bain de sels à 300 °C » est incomplet, sauf s’il définit également l’acier, le délai de transfert, le critère d’égalisation, la limite de durée du maintien, ainsi que les opérations ultérieures de refroidissement et de revenu.

![Austrempe et martrempe de l’acier](/images/uploads/097ae2f8-e4fa-4da5-bd28-15b4e9bd189a/wiki-inline-a-temperature-time-process-schematic-contrasting-austempering-and-martempering-p-1920x1094.jpg)[](/images/uploads/097ae2f8-e4fa-4da5-bd28-15b4e9bd189a/wiki-inline-a-temperature-time-process-schematic-contrasting-austempering-and-martempering-p-1920x1094.avif "Agrandir l'image — Austrempe et martrempe de l’acier")The process designation follows the transformation that occurs during and after the interrupted quench.

### Le produit de transformation définit le procédé

L’austrempe et la martrempe diffèrent par l’objectif de transformation, et non par le nom du bain.
| Caractéristique | Austrempe | Martrempe |
|---|---|---|
| Objectif principal | Former de la bainite pendant un maintien isotherme | Égaliser la température avant la formation de martensite |
| Emplacement du maintien | Domaine de transformation bainitique | Juste au-dessus de Ms |
| Transformation pendant le maintien | L’austénite se transforme en bainite | La transformation par diffusion est évitée |
| Structure finale | Bainite, éventuellement accompagnée de martensite ou d’austénite retenue | Martensite, éventuellement accompagnée d’austénite retenue |
| Revenu | Non automatiquement requis en tant qu’étape déterminante | Requis avant la mise en service |

L’austrempe est définie par une transformation bainitique délibérée pendant le maintien isotherme. Strong evidence

L’austempering se définit par la formation délibérée de bainite. Après l’austénitisation, l’acier est trempé dans un milieu maintenu dans une plage de températures où l’austénite peut se transformer de manière isotherme en bainite. Une étude publiée en 2013 sur l’acier AISI 52100 décrit l’austempering comme une trempe dans un milieu maintenu approximativement entre 200 et 400 °C, suivie d’un maintien jusqu’à la formation de bainite. La plage utile précise dépend de la nuance ; les éléments d’alliage modifient la cinétique de transformation, et les produits constitués de bainite supérieure et de bainite inférieure n’ont pas nécessairement des propriétés identiques.

La durée de maintien constitue donc une exigence métallurgique, et non simplement une méthode destinée à réduire les écarts de température. Si la pièce est retirée avant que la réaction bainitique recherchée ne se soit produite, le procédé n’a pas généré une structure entièrement austemperée. Selon le cycle, le matériau final peut contenir de la bainite avec de la martensite, de l’austénite retenue ou des zones non transformées. Une étude publiée en 2020 sur un austempering de courte durée à basse température appliqué à un acier faiblement allié à teneur moyenne en carbone a fait état de nano-bainite, de martensite et d’austénite retenue ; ses coefficients d’usure étaient jusqu’à 50 % inférieurs à ceux d’un acier martensitique trempé. Ce résultat concerne l’acier et le cycle étudiés, et non toutes les nuances soumises à l’austempering.

Température de début de formation de la martensite (Ms) **Température de début de formation de la martensite (Ms)** Température à laquelle la transformation martensitique commence pendant le refroidissement, pour une composition et une histoire thermique définies.

Le martempering poursuit un objectif différent. Le bain est choisi juste au-dessus de la température de début de formation de la martensite de l’acier, généralement notée Ms. La pièce y reste uniquement jusqu’à ce que les températures de sa surface et de son cœur deviennent suffisamment proches. Elle est ensuite refroidie à travers la plage de formation de la martensite, généralement à l’air ou dans d’autres conditions de refroidissement contrôlées. La martensite se forme pendant cette phase ultérieure de refroidissement, et non pendant le maintien dans le bain. Le *Heat Treating Subject Guide* d’ASM, publié en 2020, décrit cette séquence et précise que l’acier doit ensuite être revenu avant sa mise en service.

L’objectif est de réduire l’écart de température entre la surface et l’intérieur avant l’apparition de la déformation de transformation associée à la martensite. La contraction thermique et la dilatation de transformation se développent alors avec un décalage temporel moins prononcé, ce qui peut réduire les déformations et les fissurations par rapport à une trempe directe. Le martempering n’élimine pas les contraintes de trempe et ne remplace pas le revenu. Une martensite non revenue peut présenter une dureté élevée, mais une faible ténacité et des contraintes résiduelles excessives.

La distinction peut être vérifiée au lieu d’être supposée. Un examen métallographique peut identifier la bainite, la martensite et l’austénite retenue, tandis que les essais de dureté, le contrôle dimensionnel et, lorsque cela est nécessaire, la mesure de l’austénite retenue permettent de vérifier si le résultat spécifié a été obtenu. Le cycle thermique doit être comparé aux données de transformation en refroidissement continu et de transformation isotherme correspondant à la nuance. La température du bain, à elle seule, ne constitue pas une preuve suffisante.

### Comparaison concise de l’objectif des procédés

L’austempering maintient l’acier à une température de transformation bainitique suffisamment longtemps pour que l’austénite se transforme en bainite. L’événement déterminant se produit pendant le maintien isotherme. Selon la nuance et la géométrie, la structure obtenue peut offrir un équilibre utile entre dureté, ténacité, comportement en fatigue et stabilité dimensionnelle. Dans les aciers carburés AISI 8620, AISI 8822 et AISI 4320, une étude de la SAE publiée en 2013 a utilisé des températures d’austempering de 260, 288 et 304 °C et a fait état d’une déformation nettement moindre que celle observée sur des éprouvettes carburées, trempées et revenues. Ce résultat appuie la sélection du procédé dans les conditions étudiées ; il ne constitue pas un classement universel des traitements.

Égaliser l’acier juste au-dessus du domaine martensitique avant un refroidissement plus lent peut réduire la fissuration tout en sacrifiant peu de dureté. Strong evidence

Le martempering maintient l’acier au-dessus de Ms suffisamment longtemps pour égaliser la température, puis permet une transformation martensitique contrôlée pendant le refroidissement. L’événement déterminant est l’égalisation de la température avant la formation de martensite, suivie du revenu. L’étude de 1946 consacrée à la plage de températures de formation de la martensite décrit directement ce principe : une trempe jusqu’à une température juste supérieure à la plage de formation de la martensite, suivie d’un refroidissement plus lent, peut réduire les fissurations tout en ne sacrifiant que peu de dureté.

L’austempering pose la question suivante : « Cet acier peut-il se transformer en la structure bainitique requise dans la plage de temps et de température disponible ? » Le martempering pose une question différente : « Cette section peut-elle atteindre une température uniforme au-dessus de Ms avant de se transformer en martensite ? » La trempabilité de l’acier, la dimension de la section, le délai de transfert, le contrôle du bain et la durée de maintien répondent à ces questions. Désigner les deux traitements par l’expression « trempe à chaud » obscurcit la réponse et peut conduire à une spécification incorrecte, à une microstructure inadéquate ou à l’omission d’une opération de revenu.

## Le point de départ métallurgique : l’austénite, les diagrammes TTT et Ms

L’austempérage et la trempe étagée commencent dans le même état métallurgique : l’austénite. La distinction entre les deux procédés apparaît plus tard, lorsque l’acier austénitisé suit un parcours température–temps différent. L’austénite possède une structure cristalline cubique à faces centrées et peut dissoudre nettement plus de carbone que la ferrite. Le chauffage dans la plage austénitique prépare donc le carbone et les éléments d’alliage à une transformation contrôlée pendant le refroidissement. Si l’acier n’est pas austénitisé de manière complète ou appropriée, aucun des deux traitements ne suit le cycle de transformation prévu.

### Austénitisation et dissolution des phases préexistantes

L’austénitisation ne consiste pas simplement à atteindre la température de consigne du four. La pièce doit être chauffée suffisamment au-dessus de la température critique pertinente, maintenue assez longtemps pour que sa section s’homogénéise, et traitée à une température qui dissolve les phases préexistantes nécessaires sans provoquer une croissance excessive des grains d’austénite. La température appropriée dépend de la composition, de la dimension de la section, de la microstructure initiale et des propriétés finales recherchées.

Dans un acier hypoeutectoïde, le chauffage au-dessus de la température critique supérieure transforme la ferrite et la perlite en austénite. Dans un acier hypereutectoïde, le traitement est généralement choisi pour dissoudre la perlite et une fraction appropriée de la cémentite proeutectoïde, bien qu’une dissolution complète des carbures ne soit pas forcément souhaitable. Les carbures d’alliage ajoutent une difficulté supplémentaire. Le chrome, le molybdène, le vanadium et d’autres éléments formateurs de carbures peuvent se dissoudre lentement ou rester partiellement non dissous aux températures d’austénitisation courantes. Leur dissolution modifie la teneur en carbone et en éléments d’alliage de l’austénite, ce qui modifie ensuite la trempabilité, la cinétique de transformation et la température de début de formation de la martensite.

L’AISI 52100 montre pourquoi une interprétation propre à chaque nuance est importante. Sa population de carbures riches en chrome et sa forte teneur en carbone rendent son cycle d’austénitisation différent de celui d’un acier au carbone non allié. Un traitement qui produit une austénite appropriée dans l’AISI 52100 ne peut pas être appliqué automatiquement à l’AISI 8620 ou à l’AISI 4320. La surface cémentée de l’AISI 8620, de l’AISI 8822 ou de l’AISI 4320 présente également un gradient de carbone ; la surface et le cœur ne possèdent donc pas nécessairement les mêmes températures de transformation ni les mêmes fractions martensitiques.

La durée de maintien produit deux effets opposés. Une durée insuffisante peut laisser de la perlite, de la ferrite ou des carbures non dissous et engendrer une composition non uniforme de l’austénite. Une durée excessive favorise le grossissement des grains, l’oxydation, la décarburation et une variation dimensionnelle plus importante. La taille des grains d’austénite antérieure influe sur le nombre de sites de germination disponibles pour les transformations diffusives et peut modifier la trempabilité. Une austénite à gros grains peut retarder la formation de perlite ou de bainite pendant le refroidissement, tandis qu’une structure à grains fins se transforme souvent plus facilement par diffusion. La taille des grains peut également déplacer les températures de transformation mesurées, notamment Ms, bien que son effet soit généralement inférieur à celui de la teneur en carbone et de la composition de l’alliage.

L’austénitisation établit également l’état initial du diagramme temps–température. Une courbe TTT obtenue après une austénitisation à une température donnée, avec une durée de maintien et une taille de grains données, ne décrit pas nécessairement un acier austénitisé selon un autre cycle. L’histoire thermique est importante avant même le début de la trempe.

### Les domaines de transformation de la perlite, de la bainite et de la martensite

Un diagramme de transformation temps–température représente les produits formés lorsque l’austénite est rapidement amenée à une température choisie et y est maintenue. Ses courbes en « C » bien connues indiquent le début et la fin des transformations diffusives, mais ces courbes correspondent à un acier et à une condition d’austénitisation particuliers. Un diagramme générique fer-carbone peut expliquer les concepts ; il ne peut pas définir le cycle applicable à chaque nuance d’acier industriel.

À des températures de transformation plus élevées, l’austénite peut former de la perlite. Le carbone diffuse sur des distances relativement importantes, produisant une alternance de ferrite et de cémentite. À des températures plus basses, la diffusion est plus lente et la perlite obtenue est plus fine. La transformation exige néanmoins du temps. Si le refroidissement traverse trop lentement le domaine perlitique, une partie ou la totalité de l’austénite peut se transformer avant que l’acier n’atteigne le domaine bainitique ou martensitique.

La bainite se forme à des températures inférieures au domaine perlitique et supérieures à la température à laquelle commence la transformation martensitique, bien que les domaines exacts se recouvrent différemment selon les alliages. Sa formation implique une redistribution du carbone ainsi qu’une composante displacive, produisant une bainite ferritique avec des précipités de carbures ou des carbures retenus dont la répartition dépend de la température et de la composition de l’acier. La bainite supérieure et la bainite inférieure ne sont pas des structures interchangeables. La température de maintien, l’activité du carbone, les éléments d’alliage et la durée nécessaire à l’achèvement de la transformation influent sur leur morphologie et leurs propriétés.

Le domaine de transformation détermine le produit du procédé.
| Domaine de transformation | Produit typique | Opération déterminante |
|---|---|---|
| Domaine perlitique | Perlite | Refroidissement ou maintien durant lequel la ferrite et la cémentite se forment par diffusion |
| Domaine bainitique | Bainite | Maintien isotherme jusqu’à la transformation de la fraction d’austénite requise |
| Domaine martensitique | Martensite | Refroidissement en dessous de Ms par une transformation essentiellement sans diffusion |

L’austempérage dirige intentionnellement l’acier austénitisé vers le domaine de transformation bainitique et l’y maintient jusqu’à ce que la fraction requise d’austénite se soit transformée. Une étude menée en 2013 sur l’AISI 52100 décrivait l’austempérage comme une trempe dans un milieu maintenu à environ 200 à 400 °C, suivie d’un maintien jusqu’à la formation de bainite. Cet intervalle décrit utilement l’expérience rapportée, mais ne constitue pas une plage universelle applicable à toutes les nuances. L’étude publiée en 2024 dans ACS Omega énonce directement la distinction entre les procédés : l’austempérage maintient l’acier austénitisé à une température de transformation bainitique, tandis que la trempe étagée le maintient brièvement juste au-dessus de Ms avant un refroidissement à l’air.

La martensite est différente. Elle se forme lorsque l’austénite est refroidie au-dessous de Ms par une transformation de cisaillement essentiellement sans diffusion. Le carbone reste piégé dans le réseau martensitique sursaturé, quadratique centré, et la transformation entraîne une variation rapide de volume. La quantité de martensite augmente à mesure que le refroidissement se poursuit dans le domaine de formation de la martensite, souvent décrit à l’aide de Mf, la température de fin de formation de la martensite. Une partie de l’austénite peut rester non transformée si Mf est inférieure à la température ambiante ou si les éléments d’alliage abaissent le domaine de transformation.

La courbe de refroidissement doit donc être comparée à la cinétique de transformation, et non aux seuls noms des bains. Un diagramme de transformation en refroidissement continu montre si une vitesse de refroidissement réelle évite les nez perlitique et bainitique. Un diagramme TTT montre le comportement isotherme et est utile pour comprendre les traitements avec maintien, mais il ne reproduit pas directement le parcours thermique d’une pièce de grande section traversant un bain d’huile, de sel, de polymère ou d’air. Le cœur et la surface d’une section peuvent également suivre des courbes différentes. La dureté et la répartition des phases dépendent alors des vitesses locales de refroidissement aussi bien que de la température nominale du bain.

### Température de début de formation de la martensite et domaine de transformation

Ms est la température à laquelle la transformation martensitique commence pendant le refroidissement, dans un ensemble de conditions défini. Ce n’est pas une constante universelle de l’« acier ». Le carbone abaisse généralement Ms, car il stabilise l’austénite ; des éléments d’alliage tels que le manganèse, le nickel, le chrome et le molybdène peuvent également modifier la stabilité de l’austénite et déplacer le domaine de transformation. La concentration en carbone peut varier entre la couche cémentée et le cœur à faible teneur en carbone, ce qui donne à ces deux régions des valeurs de Ms différentes.

La taille des grains d’austénite antérieure, la température d’austénitisation, les carbures dissous, les contraintes résiduelles ainsi que l’histoire antérieure de chauffage et de refroidissement peuvent également influer sur les températures de début et de fin mesurées. L’austénite retenue, la ségrégation et les variations locales de composition compliquent encore les mesures pratiques. La valeur de Ms indiquée sur un diagramme est donc liée à une composition et à une histoire thermique spécifiées, et non simplement au nom d’une nuance.

La trempe étagée exploite cette dépendance à la température de manière contrôlée. L’ASM Handbook, Volume 4A (2013), la définit comme une trempe interrompue utilisant de l’huile ou du sel et identifie la température d’austénitisation, la température du bain, la durée de maintien, l’agitation et la vitesse de refroidissement comme des variables de contrôle. Le bain est choisi juste au-dessus de Ms afin que la pièce puisse s’homogénéiser intérieurement avant le début de la formation de la martensite. Elle est ensuite refroidie à travers le domaine martensitique, généralement à l’air, et doit être revenue avant sa mise en service. Le bref maintien d’homogénéisation vise à réduire l’écart de température entre la surface et le cœur ; il ne s’agit pas d’un maintien bainitique.

L’austempérage poursuit un objectif de transformation opposé. Il maintient suffisamment longtemps la pièce dans le domaine bainitique pour que l’austénite se transforme en bainite, plutôt que de simplement homogénéiser la température au-dessus de Ms. Une étude de 2020 consacrée à l’austempérage à basse température a fait état de nanobainite, de martensite et d’austénite retenue, avec des coefficients d’usure jusqu’à 50 % inférieurs à ceux d’un acier martensitique trempé dans les conditions d’essai indiquées. Ce résultat ne peut pas être généralisé à tous les aciers, toutes les géométries ou tous les cycles. Il montre néanmoins pourquoi le domaine de transformation et la durée de maintien doivent être vérifiés pour la nuance réellement utilisée.

La norme SAE AMS-H-6875C (2020) couvre les exigences de traitement thermique applicables à quatre classes d’aciers et autorise l’austempérage, la trempe ausbay et la trempe étagée lorsque cela est spécifié. Cette autorisation ne rend pas les procédés interchangeables. La spécification applicable, le diagramme propre à la nuance, la dimension de la section et l’historique thermique mesuré déterminent si le produit recherché est de la bainite, de la martensite après trempe étagée ou un mélange indésirable.

## Fonctionnement de l’austemperage : trempe, maintien et transformation bainitique

L’austemperage est un cycle de traitement thermique isotherme conçu pour transformer l’austénite en bainite. Il ne s’agit pas simplement d’une autre appellation du martempering. La distinction dépend de ce qui se produit pendant le maintien : l’austemperage maintient l’acier suffisamment longtemps pour permettre une transformation bainitique planifiée, tandis que le martempering le maintient seulement assez longtemps pour que la température devienne presque uniforme avant un refroidissement au travers de la température de début de formation de la martensite, ou Ms, afin de former de la martensite.

#### Séquence d’austrempe

1. **Austénitisation** Chauffer la pièce afin que la portion requise se transforme en austénite.
2. **Transfert** La déplacer rapidement dans un bain contrôlé sans formation significative de perlite.
3. **Maintien bainitique** Maintenir la température sélectionnée jusqu’à l’obtention de la réaction austénite-bainite requise.
4. **Refroidissement final** Refroidir jusqu’à la température ambiante, en permettant à toute martensite ou austénite retenue spécifiée de subsister.

Le cycle commence par le chauffage de la pièce au-dessus de sa plage critique de transformation, de sorte que la partie requise de la structure se transforme en austénite. La température et la durée d’austénitisation dépendent de la nuance, de la taille de la section, de la microstructure initiale et de la répartition de carbone souhaitée. Un chauffage excessif peut augmenter la taille des grains d’austénite ou dissoudre des carbures destinés à subsister, tandis qu’un chauffage insuffisant peut laisser de la ferrite ou des constituants non dissous qui modifient la réponse finale à la transformation.

![Austrempe et martrempe de l’acier](/images/uploads/6daadfb8-aba5-43ab-a051-e80de181fb04/wiki-inline-a-steel-gear-entering-a-controlled-molten-salt-bath-during-austempering-1520x1920.jpg)[](/images/uploads/6daadfb8-aba5-43ab-a051-e80de181fb04/wiki-inline-a-steel-gear-entering-a-controlled-molten-salt-bath-during-austempering-2027x2560.avif "Agrandir l'image — Austrempe et martrempe de l’acier")Rapid transfer helps the workpiece reach the selected bainitic range without unwanted pearlite formation.

### Trempe dans la plage bainitique

Après l’austénitisation, l’acier est transféré rapidement dans un bain maintenu dans la plage de transformation bainitique. Pour de nombreux aciers, cette plage se situe approximativement entre 200 et 400 °C, bien que la fenêtre de température utilisable soit spécifique à la nuance et non fixe. Une étude consacrée à l’acier AISI 52100 définit l’austemperage de cette manière : une trempe depuis la température d’austénitisation dans un milieu maintenu entre environ 200 et 400 °C, suivie d’un maintien jusqu’à la formation de bainite.

Le transfert doit être suffisamment rapide pour traverser la zone de perlite sans permettre à une quantité significative d’austénite de se transformer pendant le refroidissement. Il s’agit d’un problème de temps et de température. L’acier doit franchir le « nez » de perlite de son diagramme de transformation en refroidissement continu avant que le temps d’incubation de la perlite ne soit atteint. La trempabilité, l’épaisseur de la section, la disposition de la charge, l’agitation du bain et l’écart de température entre la pièce et le bain influencent tous le respect de cette condition. Une petite broche peut atteindre rapidement la plage bainitique ; une dent d’engrenage massive ou une plaque épaisse peut refroidir de manière non uniforme, permettant la formation de perlite ou de ferrite à cœur, même lorsque la surface suit le cycle prévu.

Le bain peut contenir du sel fondu, de l’huile ou un autre milieu de transfert thermique contrôlé adapté à la température spécifiée. Le nom du bain ne définit pas le procédé. Un bain de sels peut être utilisé aussi bien pour un cycle d’austemperage que pour un cycle de martempering, selon sa température et la durée du maintien. L’étude publiée en 2024 dans ACS Omega établit directement cette distinction pour les mélanges de sels fondus Ca(NO₃)₂–KNO₃ : l’austemperage maintient l’acier austénitisé à une température de transformation bainitique jusqu’à la conversion de l’austénite en bainite, tandis que le martempering maintient brièvement la pièce juste au-dessus de Ms avant un refroidissement à l’air.

La régulation de la température doit tenir compte de la chaleur libérée et absorbée pendant la transformation, ainsi que de la charge introduite dans le bain. L’agitation réduit les gradients thermiques locaux et contribue à empêcher qu’une couche limite plus froide ou plus chaude ne modifie le cycle effectif. Des thermocouples, l’étalonnage du bain et des essais avec des charges représentatives sont souvent nécessaires pour vérifier que le cœur, la surface et les différentes positions dans la charge suivent effectivement le parcours prévu. Le procédé est sensible à la taille de la section, car le bain peut égaliser la température de surface avant que le centre n’ait atteint la même température.

Le bain d’austemperage est normalement sélectionné au-dessus de la température Ms effective de l’acier lorsque le produit recherché est une bainite conventionnelle. À ce niveau, l’austénite peut se transformer selon un mécanisme assisté par la diffusion et dominé par le cisaillement, sans produire immédiatement de martensite. Un refroidissement au-dessous de Ms avant l’achèvement de la transformation bainitique prévue modifie le résultat : l’austénite non transformée peut alors se convertir en martensite, produisant une structure mixte.

### Maintien jusqu’à la transformation requise de l’austénite

Une fois que la pièce a atteint la température du bain, elle est maintenue de manière isotherme. Au cours de cette étape, la bainite germe aux joints de grains d’austénite ou en d’autres sites favorables, puis croît dans l’austénite environnante. Le carbone est rejeté de la ferrite bainitique vers l’austénite restante, ce qui modifie la stabilité et la composition des deux régions. La vitesse de transformation dépend de la température, de la composition de l’alliage, de la taille des grains d’austénite initiale et de la quantité de bainite déjà formée.

La durée de maintien n’est pas déterminée par une règle universelle telle que « une heure par pouce ». Elle doit être fondée sur des données de transformation, des essais de procédé validés ou un diagramme approprié de transformation en fonction du temps et de la température. Un maintien court peut laisser intentionnellement une partie de l’austénite non transformée. Si l’acier est ensuite refroidi au-dessous de Ms, cette austénite résiduelle peut former de la martensite. Un maintien plus long peut convertir la majeure partie, voire la quasi-totalité, de l’austénite transformable en bainite, réduisant ainsi la fraction martensitique ultérieure. Les deux cycles peuvent être corrects, mais ils produisent des niveaux différents de dureté, de ténacité, de réponse dimensionnelle et d’austénite retenue.

Transformation incomplète **Transformation incomplète** État dans lequel la réaction bainitique se termine avant la conversion de toute l’austénite transformable, laissant éventuellement de l’austénite retenue ou de la martensite formée ultérieurement.

La transformation peut également s’arrêter avant que chaque dernière portion d’austénite ne devienne de la bainite, car l’enrichissement en carbone stabilise l’austénite restante. Cette condition est souvent appelée transformation incomplète ou réaction incomplète. Dans certains aciers alliés, l’austénite résiduelle enrichie est souhaitable, car elle peut accommoder les déformations et améliorer la ténacité ; dans d’autres applications, une quantité excessive d’austénite retenue peut provoquer une variation dimensionnelle en service ou lors d’un refroidissement ultérieur. La spécification doit donc définir non seulement la température du bain, mais aussi la constitution de phases autorisée et la méthode de vérification.

Température d’austrempe (°C)

Températures d’austrempe rapportées pour les trois aciers faiblement alliés cémentés.

L’austemperage peut réduire les déformations, car l’acier évite la variation volumique brutale et non uniforme associée à une trempe directe en martensite. Une étude SAE de 2013 portant sur les aciers carburés AISI 8620, AISI 8822 et AISI 4320 a rapporté nettement moins de déformations dans les éprouvettes carburées et austemperées que dans les éprouvettes carburées, trempées et revenues. Les températures d’austemperage rapportées étaient de 260, 288 et 304 °C. Ces résultats s’appliquent aux compositions, géométries et conditions de cycle étudiées ; ils n’établissent pas la même réduction pour chaque composant carburé.

La fin du maintien peut être déterminée par une fraction minimale de bainite requise, une plage de dureté, une limite dimensionnelle ou une exigence métallographique. Un acier bainitique austemperé n’exige pas automatiquement la même étape de revenu que la martensite. En revanche, un acier soumis au martempering est refroidi au travers de Ms pour former de la martensite et doit ensuite être revenu avant sa mise en service. Un traitement de détensionnement à basse température peut néanmoins être spécifié pour une pièce austemperée, mais il s’agit d’une exigence distincte et non de l’étape de transformation qui définit le procédé.

![Austrempe et martrempe de l’acier](/images/uploads/4ebd67e1-7258-4046-8ce3-01cbf4ec6311/wiki-inline-a-steel-bar-during-martempering-showing-surface-and-core-temperature-equalizatio-1920x1434.jpg)[](/images/uploads/4ebd67e1-7258-4046-8ce3-01cbf4ec6311/wiki-inline-a-steel-bar-during-martempering-showing-surface-and-core-temperature-equalizatio-1920x1434.avif "Agrandir l'image — Austrempe et martrempe de l’acier")Martempering reduces the surface-to-core temperature difference before martensitic transformation begins.

### Bainite supérieure, bainite inférieure et produits mixtes

La température du bain influence fortement la forme de la bainite. La bainite supérieure se forme généralement dans la partie la plus élevée de la plage bainitique. Elle est constituée de faisceaux ou de lattes de ferrite bainitique, séparés par des régions enrichies en carbone dans lesquelles des carbures peuvent précipiter. Sa morphologie et la répartition de ses carbures diffèrent de celles de la bainite inférieure, qui se forme à des températures plus basses.

La bainite inférieure se développe à des températures plus proches de Ms. Le carbone dispose de moins de temps et de mobilité pour se répartir dans l’austénite environnante, et des carbures peuvent précipiter à l’intérieur des plaques ou des lattes de ferrite bainitique. Cette structure plus fine peut offrir un équilibre différent entre dureté, résistance et ténacité par rapport à la bainite supérieure. La transition entre bainite supérieure et bainite inférieure ne correspond pas à une température universelle unique, car les éléments d’alliage déplacent les plages de transformation et modifient la précipitation des carbures.

Une austrempe de courte durée à basse température a produit des coefficients d’usure jusqu’à 50 % inférieurs à ceux de l’acier martensitique trempé dans l’étude rapportée. Limited evidence

Un austemperage à très basse température peut produire des structures qui ne sont pas décrites correctement comme un produit bainitique unique et entièrement transformé. Une étude de 2020 consacrée à l’austemperage de courte durée à basse température d’un acier faiblement allié à teneur moyenne en carbone a rapporté la présence de nanobainite ainsi que de martensite et d’austénite retenue. Les coefficients d’usure rapportés étaient jusqu’à 50 % inférieurs à ceux de l’acier martensitique trempé dans les conditions d’essai de l’étude. Cette valeur constitue un résultat établi pour l’acier et la méthode d’usure étudiés, et non une garantie générale de performance.

Les produits mixtes apparaissent lorsque le maintien est délibérément interrompu avant l’achèvement de la réaction bainitique, lorsque la température choisie est proche de la limite inférieure de transformation ou lorsque la section ne peut pas refroidir uniformément. Lors du refroidissement ultérieur, l’austénite non transformée peut devenir de la martensite ; une partie peut rester sous forme d’austénite retenue si l’enrichissement en carbone abaisse sa température Ms effective. La structure finale peut donc contenir de la bainite supérieure, de la bainite inférieure, de la martensite, de l’austénite retenue et, si le transfert a été trop lent, de la perlite.

La qualification du procédé doit examiner la dureté, la variation dimensionnelle, les fractions de phases métallographiques et, le cas échéant, l’austénite retenue. La diffraction des rayons X, la microscopie, la dilatométrie et l’examen de charges sectionnées peuvent confirmer que le produit réel correspond au cycle prévu. La norme SAE AMS-H-6875C, publiée en 2020, couvre les exigences de traitement thermique applicables à quatre classes d’aciers et autorise l’austemperage, la trempe ausbay et le martempering lorsqu’ils sont spécifiés. Cette autorisation ne remplace pas la mise au point d’un cycle spécifique à la nuance. La désignation de l’acier, sa trempabilité, la taille de la section, la capacité du bain et les critères d’acceptation déterminent toujours si le cycle d’austemperage choisi est métallurgiquement satisfaisant.

## Fonctionnement du martempering : égalisation au-dessus de Ms, puis formation de martensite

Le martempering est une trempe interrompue conçue pour contrôler le moment et l’endroit où se forme la martensite. Il ne s’agit pas d’un austempering sous un autre nom. Dans l’austempering, l’austénite est maintenue dans la plage de transformation bainitique jusqu’à ce qu’une proportion importante ou définie de celle-ci se transforme en bainite. Dans le martempering, le maintien s’effectue juste au-dessus de la température de début de formation de la martensite, ou **Ms**, et sa durée est suffisamment courte pour empêcher toute transformation indésirable par diffusion. Une fois que la température s’est égalisée dans l’ensemble de l’acier, la pièce est refroidie à travers la plage de formation de la martensite. La structure finale est donc martensitique, et non bainitique, et elle reste non revenue jusqu’à une opération de revenu distincte.

### Trempe interrompue au-dessus du début de formation de la martensite

L’ASM Handbook, Volume 4A, décrit le martempering comme une trempe interrompue utilisant de l’huile ou un bain de sel. L’acier est d’abord chauffé à sa température d’austénitisation spécifiée, à laquelle sont établies la structure austénitique recherchée et la répartition du carbone. Il est ensuite transféré rapidement dans un bain maintenu à une température juste supérieure à Ms. Le bain doit extraire la chaleur suffisamment rapidement pour éviter la perlite ou d’autres produits de transformation à haute température, mais l’interruption empêche la surface de devenir beaucoup plus froide que le cœur avant le début de la formation de la martensite.

Ms n’est pas une température universelle applicable à tous les aciers. Elle dépend de la teneur en carbone, des éléments d’alliage, de l’état du grain austénitique, de l’historique thermique antérieur et, dans certains cas, de la quantité d’austénite retenue attendue après refroidissement. Un acier au carbone ordinaire et un acier faiblement allié cémenté peuvent donc nécessiter des températures de bain de martempering différentes. Le bain est choisi avec une marge suffisante au-dessus de la valeur de Ms applicable, et non en appliquant une température fixe à toutes les nuances.

Variables de contrôle et risques de défaillance de la martrempe.
| Variable | Exigence standard de martrempe | Risque en cas de contrôle insuffisant |
|---|---|---|
| Température du bain | Juste au-dessus de Ms | Formation prématurée de martensite ou de bainite |
| Durée du maintien | Uniquement jusqu’à ce que les températures de la section approchent l’uniformité | Transformation par diffusion indésirable |
| Refroidissement après maintien | Refroidissement contrôlé à travers le domaine martensitique | Gradient thermique excessif ou durcissement incomplet |
| Revenu | Opération distincte avant la mise en service | Martensite non revenue fortement contrainte et fragile |

La durée de maintien constitue l’interruption caractéristique du procédé. Elle doit être suffisamment longue pour réduire l’écart de température entre la surface et le centre, tout en restant assez courte pour éviter la formation de bainite, de perlite ou d’un autre produit de transformation par diffusion. Cette exigence distingue le martempering de l’austempering plus sûrement que le nom du bain. Un bain de sel fondu peut être utilisé pour l’un ou l’autre procédé ; c’est la trajectoire de transformation et le programme de maintien qui déterminent le procédé réalisé.

L’*ASM Handbook Volume 4A* de 2013, publié par ASM International, identifie la température d’austénitisation, la température du bain, la durée de maintien, l’agitation et la vitesse de refroidissement comme des variables de contrôle. Ces variables interagissent. Une agitation excessive peut accroître l’extraction de chaleur à la surface, tandis qu’une agitation insuffisante peut créer des différences locales de température dans le bain. Un bain nominalement situé au-dessus de Ms mais mal contrôlé peut malgré tout produire un programme de transformation irrégulier dans une charge importante.

#### Précaution relative à la martrempe

Si la pièce atteint Ms pendant le maintien d’égalisation, de la martensite peut se former avant l’égalisation de la section. Si le maintien est trop long ou trop froid, de la bainite peut se former à la place.

La température doit rester suffisamment élevée pour empêcher la martensite de se former pendant le maintien. Si la pièce atteint Ms dans le bain, la martensite peut commencer à se former avant l’égalisation de la température dans la section. Si le maintien est trop long ou si la température est trop basse, de la bainite peut se former. Il s’agit d’un échec du procédé lorsque la spécification exige une structure martensitique.

![Austrempe et martrempe de l’acier](/images/uploads/ff02ac68-e924-4981-b958-2d45f2f45df9/wiki-inline-metallographic-style-close-up-comparison-of-upper-bainite-lower-bainite-martensi-1920x1920.jpg)[](/images/uploads/ff02ac68-e924-4981-b958-2d45f2f45df9/wiki-inline-metallographic-style-close-up-comparison-of-upper-bainite-lower-bainite-martensi-1920x1920.avif "Agrandir l'image — Austrempe et martrempe de l’acier")Austempering and martempering are distinguished by the structures formed during their different temperature holds and cooling stages.

### Égalisation de la température dans toute la section

La trempe conventionnelle crée un fort gradient thermique. La surface se refroidit en premier, tandis que l’intérieur reste plus chaud et continue à se dilater thermiquement. Lorsque la surface franchit Ms, elle commence à se transformer en martensite et se dilate tandis que l’austénite change de structure cristalline. Le cœur peut encore être austénitique et se trouver à une température différente. Plus tard, lorsque le cœur se transforme, sa dilatation est limitée par le matériau extérieur déjà transformé. Ces déformations antagonistes génèrent des contraintes internes, des déformations et parfois des fissures de trempe.

Le martempering modifie la chronologie. La pièce chaude est trempée dans le bain, mais elle y est maintenue au-dessus de Ms jusqu’à ce que la température soit devenue plus uniforme de l’extérieur vers le centre. La formation de martensite est alors amorcée pendant une étape de refroidissement ultérieure, plutôt qu’au moment où la surface et le cœur se trouvent à des températures très différentes. La réduction du gradient thermique au moment de la transformation diminue l’écart entre la contraction thermique et la déformation de transformation.

L’avantage est une réduction du risque de déformation et de fissuration, et non leur élimination. Une tôle mince, une dent d’engrenage et un arbre de forte section ne s’égaliseront pas à la même vitesse. L’épaisseur de la section, la géométrie, les trous, les variations brusques de section et le contact entre les pièces influent tous sur les transferts thermiques. La trempabilité de l’acier est également importante : le centre doit refroidir à travers la plage de transformation suffisamment rapidement pour éviter la perlite ou la bainite lorsqu’une structure majoritairement martensitique est requise.

Une nuance à forte trempabilité peut permettre une vitesse de refroidissement plus faible après l’égalisation, tandis qu’une nuance à faible trempabilité peut nécessiter une interruption plus courte et un refroidissement plus rapide. La teneur en carbone et en éléments d’alliage modifie également Ms et la cinétique de transformation. Pour cette raison, la température du bain et la durée de maintien doivent être définies à partir de la nuance, de la dimension de la section, de la disposition de la charge et de la réponse thermique mesurée, plutôt que copiées d’un tableau générique. \[2\] \[2\] **The Temperature Range of Martensite Formation**. Study on martensite formation, 1946. Source details supplied in the article; no URL provided

L’étude de 1946 consacrée à la plage de température de formation de la martensite décrivait le principe fondamental comme une trempe jusqu’à une température juste supérieure à la plage de formation de la martensite, suivie d’un refroidissement plus lent. Cette méthode peut réduire la fissuration tout en sacrifiant peu de dureté, à condition que l’acier reste exempt de transformations indésirables par diffusion. « Plus lent » ne signifie pas arbitrairement lent ; cela signifie suffisamment lent pour réduire le choc thermique tout en traversant la plage de transformation à une vitesse adaptée à l’acier.

### Refroidissement à l’air et étape obligatoire de revenu

Après l’égalisation, la pièce est retirée de l’huile ou du sel et refroidie à travers la plage de formation de la martensite, généralement à l’air. Le *Heat Treating Subject Guide* d’ASM, édition 2020, décrit cette séquence comme un maintien de l’acier juste au-dessus de Ms jusqu’à égalisation de sa température, suivi d’un refroidissement à l’air pour former la martensite. À ce stade, l’austénite se transforme sans le fort écart de température entre la surface et le cœur associé à une trempe directe.

#### Exigence de mise en service

La martrempe n’est pas terminée lorsque la pièce quitte l’étape de refroidissement à l’air. La martensite doit subir le traitement de revenu distinct spécifié avant la mise en service.

La martensite obtenue n’est pas revenue. Ce point est essentiel. Le martempering n’inclut pas le revenu simplement parce que la pièce a été refroidie par étapes. La martensite formée pendant le refroidissement à l’air est dure et contient de fortes contraintes internes ; elle peut également contenir de l’austénite retenue, selon l’acier et la trajectoire de refroidissement. La pièce doit subir un traitement de revenu distinct avant sa mise en service. Le revenu réduit les contraintes et la fragilité, et ajuste la dureté, la résistance, la ténacité et la stabilité dimensionnelle conformément à la spécification.

La température et la durée du revenu dépendent de la nuance et des propriétés requises. Un acier à roulements fortement carboné tel que l’AISI 52100 ne peut pas recevoir le même programme de revenu qu’une nuance de cémentation telle que l’AISI 8620. Une couche cémentée et un cœur à faible teneur en carbone réagissent également différemment ; les propriétés requises doivent donc être contrôlées dans les deux régions, le cas échéant.

La norme SAE AMS-H-6875C, *Heat Treatment of Steel Raw Materials*, couvre quatre classes d’aciers et autorise l’austempering, la trempe ausbay et le martempering lorsqu’ils sont spécifiés. La seule désignation du procédé n’établit pas la conformité. Le contrôle de la production peut exiger l’enregistrement des températures d’austénitisation et du bain, du temps de transfert, de la durée d’interruption, des conditions d’agitation, des données de revenu, des essais de dureté, de l’examen métallographique et des mesures dimensionnelles.

La vérification doit également rechercher les modes de défaillance que le programme est destiné à prévenir. Des profils de dureté peuvent révéler un cœur trop mou dû à une trempabilité insuffisante ou à une interruption excessive. La métallographie peut distinguer la martensite de la bainite et identifier la perlite ou une quantité excessive d’austénite retenue. Le contrôle dimensionnel avant et après le traitement thermique montre si la réduction des contraintes de transformation a produit l’amélioration attendue pour la géométrie réelle.

Étapes ordonnées d’un cycle standard de martrempe.

Le procédé suit donc une séquence précise : austénitiser, tremper rapidement dans de l’huile ou un bain de sel maintenu juste au-dessus de Ms, maintenir uniquement jusqu’à l’égalisation de la section sans transformation par diffusion, refroidir à travers la plage de formation de la martensite, puis effectuer le revenu. Transformer le maintien en traitement de transformation bainitique convertit le procédé en austempering. Modifier ou supprimer l’étape de revenu post-trempe n’est pas facultatif ; sans elle, l’acier traité par martempering est simplement un acier martensitique non revenu dont le mode de formation a été contrôlé.

## Microstructures et propriétés : bainite contre martensite revenue

La trempe bainitique et la trempe martensitique étagée peuvent réduire les contraintes de trempe, mais elles ne produisent pas la même structure finale. Lors d’une trempe bainitique, l’acier austénitisé est refroidi rapidement jusqu’à une température à laquelle la bainite peut se former, puis maintenu à cette température suffisamment longtemps pour permettre la transformation visée. Le produit peut être constitué de bainite supérieure, de bainite inférieure ou d’un mélange contenant encore de l’austénite non transformée qui, après le refroidissement final, se transforme en martensite. Une étude de 2013 consacrée à l’AISI 52100 décrit la plage de trempe bainitique comme étant approximativement comprise entre 200 et 400 °C, avec un maintien poursuivi jusqu’à la formation de bainite.

La trempe martensitique étagée suit une voie différente. La pièce est maintenue brièvement dans l’huile ou dans un bain de sels, juste au-dessus de la température de début de formation de la martensite, ce qui permet à sa section d’atteindre une température plus uniforme avant son refroidissement à travers la plage martensitique. La martensite ainsi obtenue n’est pas encore dans un état apte au service : elle doit ensuite être revenue. Le *Heat Treating Subject Guide* (2020) d’ASM International énonce directement cette séquence. L’ASM Handbook Volume 4A (2013) identifie la température d’austénitisation, la température du bain, le temps de maintien, l’agitation et la vitesse de refroidissement comme des variables déterminantes.

Cette distinction est importante, car la bainite et la martensite revenue acquièrent leur résistance grâce à des arrangements différents de ferrite, de carbone et de carbures. Leur dureté peut se recouvrir, mais un recouvrement des valeurs de dureté ne rend pas leurs comportements mécaniques interchangeables.

### Résistance, dureté, ténacité et ductilité

Constituants microstructuraux pertinents pour les deux traitements.
| Constituant | Mécanisme de formation | Considérations relatives aux propriétés |
|---|---|---|
| Bainite supérieure | Transformation bainitique à plus haute température, avec des carbures généralement situés entre les régions ferritiques | Peut différer de la bainite inférieure par sa dureté et sa ductilité |
| Bainite inférieure | Transformation à plus basse température, avec des arrangements de carbures plus fins | Peut offrir un équilibre différent entre résistance et ténacité |
| Martensite revenue | Redistribution du carbone et formation de carbures pendant le revenu | La dureté et la ténacité dépendent fortement de la température et de la durée du revenu |
| Austénite retenue | Austénite qui demeure non transformée après le refroidissement | Peut se transformer pendant la mise en service, le meulage ou un refroidissement ultérieur |

La bainite est constituée de régions ferritiques formées par une transformation displacive, le carbone étant rejeté dans l’austénite ou précipité sous forme de carbures selon la température de transformation et la composition de l’alliage. La bainite supérieure contient généralement des lattes ou des plaquettes de ferrite, entre lesquelles se trouvent les carbures. La bainite inférieure se forme à des températures plus basses et présente des carbures plus fins à l’intérieur des plaquettes ferritiques ou étroitement associés à celles-ci. La morphologie exacte varie en fonction de la teneur en carbone, des additions d’éléments d’alliage, de la vitesse de refroidissement et du temps de maintien.

La martensite revenue se forme initialement à partir d’une phase quadratique centrée, sursaturée et fortement déformée. Lors du revenu, le carbone quitte la martensite, des carbures de transition puis des carbures plus stables se forment, et la matrice perd une grande partie de sa tétragonalité et de ses contraintes internes. La température et la durée du revenu déterminent jusqu’où cette séquence progresse. Une basse température de revenu peut préserver une dureté élevée tout en maintenant des contraintes résiduelles importantes ; une température de revenu plus élevée réduit généralement la dureté, mais améliore la ténacité et la stabilité dimensionnelle. Une exposition prolongée peut entraîner un adoucissement supplémentaire ou un durcissement secondaire dans les aciers contenant des éléments tels que le chrome, le molybdène ou le vanadium.

Ni la bainite ni la martensite revenue ne présente un avantage universel en matière de dureté. Une bainite inférieure fine peut être très dure, tandis que la bainite supérieure peut être plus douce et plus ductile. Une structure martensitique revenue à basse température peut présenter une dureté supérieure à celle d’une structure bainitique donnée ; toutefois, un revenu plus élevé peut conférer à l’acier martensitique une dureté moindre et une résistance à la rupture plus élevée. La teneur en carbone, la taille des grains d’austénite antérieure, la trempabilité de l’alliage, la température de transformation et la proportion de chaque constituant doivent être précisées pour qu’une comparaison ait un sens.

La ténacité obéit à la même règle. La ferrite bainitique peut offrir une combinaison favorable de résistance et de résistance à l’amorçage des fissures lorsque ses plaquettes sont fines et que les films de carbures sont maîtrisés. Une bainite grossière, de l’austénite non transformée ou de la martensite fraîche à forte teneur en carbone formée pendant le refroidissement final peuvent réduire cet avantage. La martensite revenue peut offrir une ténacité élevée lorsque le revenu soulage les contraintes et affine la répartition des carbures, mais un revenu insuffisant laisse une structure fragile. Un revenu excessif peut se faire au détriment de la résistance.

La ductilité ne résulte pas simplement du choix de l’un ou l’autre procédé. Elle dépend de la fraction volumique et de la morphologie de la bainite, de la martensite, de l’austénite retenue, des carbures, des inclusions et des éventuelles régions enrichies en carbone. Une structure mixte peut présenter un allongement utile tout en contenant des constituants locaux fragiles. La résistance à la traction, la limite d’élasticité, l’énergie d’impact, la ténacité à la rupture, le comportement en fatigue et la résistance à l’usure doivent donc être mesurés séparément plutôt que déduits de la seule dureté.

La déformation peut également différer. Des travaux consacrés aux aciers cémentés AISI 8620, AISI 8822 et AISI 4320 ont utilisé des températures de trempe bainitique de 260, 288 et 304 °C et ont fait état d’une déformation nettement moindre que celle observée sur des éprouvettes cémentées, trempées et revenues. Ce résultat reflète les géométries cémentées et les cycles étudiés, et ne constitue pas une garantie générale. La trempe martensitique étagée réduit les gradients thermiques avant la formation de la martensite ; elle peut donc également réduire les fissurations et les déformations par rapport à une trempe directe, bien que la transformation martensitique entraîne toujours une variation de volume.

### Austénite retenue et mélanges de transformations

La trempe bainitique est souvent décrite comme produisant de la bainite, mais « bainitique » ne signifie pas nécessairement « 100 % bainitique ». Si le maintien s’achève avant la transformation complète de l’austénite, l’austénite restante peut subsister sous forme d’austénite retenue ou se transformer en martensite lors du refroidissement ultérieur. L’enrichissement en carbone de l’austénite restante peut en stabiliser une partie à température ambiante. Le résultat peut être constitué de bainite et d’austénite retenue, de bainite et de martensite, ou de bainite, de martensite et d’austénite retenue.

Ce mélange influe fortement sur les propriétés. L’austénite retenue peut améliorer la ductilité apparente et absorber les déformations de transformation, mais elle peut également se transformer sous charge, lors du meulage ou en service. Cette transformation peut provoquer une variation dimensionnelle, un durcissement local ou des contraintes résiduelles. La martensite formée à partir de l’austénite non transformée après le maintien de trempe bainitique peut être plus dure et plus fragile que la bainite formée dans le bain. La diffraction des rayons X, la métallographie, la dilatométrie et la cartographie de dureté peuvent aider à identifier ces constituants ; une seule valeur de dureté globale ne le permet pas. \[3\] \[3\] [**Short-term low-temperature austempering in medium-carbon low-alloy steel**](https://doi.org/10.1007/s12540-020-00957-6). Metal and Materials International, 2020.

L’étude de 2020 consacrée à la trempe bainitique de courte durée à basse température d’un acier faiblement allié à teneur moyenne en carbone illustre cette limite. La structure décrite contenait de la nanobainite, de la martensite et de l’austénite retenue, plutôt qu’une phase unique. Dans les conditions d’essai, ses coefficients d’usure étaient jusqu’à 50 % inférieurs à ceux d’un acier martensitique trempé. Il s’agit d’une comparaison limitée : elle s’applique à l’acier étudié, à la préparation des éprouvettes, au cycle de trempe bainitique, au matériau antagoniste, à la charge et à l’essai d’usure utilisés. Elle n’établit pas que tout acier soumis à une trempe bainitique aura un taux d’usure deux fois inférieur à celui de tout acier trempé et revenu.

La trempe martensitique étagée peut également produire des mélanges de transformations, mais sa séquence visée est différente. Le maintien d’égalisation au-dessus de la température de début de formation de la martensite doit être suffisamment court pour éviter une formation importante de bainite. Après le refroidissement à l’air à travers la plage martensitique, l’acier contient de la martensite, souvent avec une certaine quantité d’austénite retenue et éventuellement des carbures non dissous. Le revenu modifie ensuite la matrice martensitique et l’état des carbures. Si le traitement d’austénitisation a dissous trop de carbone, ou si l’acier présente une trempabilité élevée et que le parcours de refroidissement final est inadapté, une quantité importante d’austénite retenue peut subsister.

L’article de la SAE consacré à la trempe martensitique étagée modifiée distingue ce procédé en plaçant le bain de trempe en dessous de la température de début de formation de la martensite afin d’éviter la formation de bainite. Ce détail montre pourquoi la seule température du bain ne suffit pas à définir un procédé : c’est la relation entre la température du bain, la température de début de formation de la martensite, le temps de maintien et le parcours de refroidissement qui commande les phases effectivement formées.

### Pourquoi les affirmations relatives aux propriétés doivent être propres à chaque nuance

La nuance d’acier détermine la cinétique des transformations. L’acier à roulements AISI 52100, les [aciers de cémentation](/fr/catégories/aciers-de-cémentation "aciers de cémentation") AISI 8620, AISI 8822 et AISI 4320, ainsi qu’un acier faiblement allié à teneur moyenne en carbone, n’ont pas la même teneur en carbone, la même composition en éléments d’alliage, la même trempabilité, la même température de début de formation de la martensite, la même stabilité des carbures ni la même réponse au revenu. Même au sein d’une même désignation, la dimension de la section et la pratique d’austénitisation peuvent modifier suffisamment la vitesse de refroidissement au cœur pour produire des structures différentes.

La spécification définit également le procédé autorisé et les critères d’acceptation. La norme SAE AMS-H-6875C, *Heat Treatment of Steel Raw Materials*, couvre quatre classes d’aciers et autorise la trempe bainitique, la trempe ausbay et la trempe martensitique étagée lorsqu’elles sont spécifiées. Cette autorisation n’attribue pas une valeur unique de dureté ou de ténacité, ni une limite unique d’austénite retenue, à toutes les nuances. La spécification applicable du matériau, le plan, la procédure de traitement thermique et la méthode d’inspection doivent définir ces limites.

Une comparaison valide indique donc la nuance ou la composition chimique de l’acier, la température d’austénitisation, le temps de transfert, la température du bain, la durée du maintien, la méthode de refroidissement, la température et la durée du revenu, la dimension de la section et la méthode d’essai. La dureté doit être associée à un examen microstructural et, lorsque cela est pertinent, à une mesure de l’austénite retenue ainsi qu’à une inspection dimensionnelle. En l’absence de ces informations, des affirmations telles que « la trempe bainitique offre une meilleure ténacité » ou « la trempe martensitique étagée donne une plus grande dureté » sont trop générales pour être techniquement fiables.

## Contrôle de la déformation, de la fissuration et des contraintes résiduelles

### Pourquoi la trempe directe crée des contraintes thermiques et de transformation

La trempe directe soumet l’acier austénitisé à un fort gradient de température. La surface est la première à entrer en contact avec le fluide de refroidissement ; elle se contracte tandis que le cœur reste chaud et dilaté, et se trouve donc empêchée de se contracter librement par l’intérieur plus chaud. La surface peut entrer en compression au début du refroidissement, tandis que le cœur supporte des contraintes de traction. À mesure que le refroidissement se poursuit, le cœur se contracte et la répartition des contraintes peut s’inverser. Les sections minces, les angles vifs, les trous et les variations d’épaisseur amplifient ces différences, car ils se refroidissent à des vitesses différentes.

Un second phénomène suit la contraction thermique : l’austénite se transforme. Dans les aciers au carbone non alliés et les aciers faiblement alliés, la martensite possède un volume spécifique supérieur à celui de l’austénite mère. La température à laquelle cette transformation commence est la température de début de formation de la martensite, ou Ms. Si une couche superficielle atteint Ms alors que le cœur est encore austénitique, la surface se dilate sous l’effet de la transformation martensitique tandis que le cœur continue de se contracter thermiquement. La dilatation de transformation n’est pas uniforme dans la section ; elle s’ajoute donc aux contraintes thermiques existantes au lieu de les remplacer.

L’état de contrainte qui en résulte dépend de la chronologie des phénomènes. Par exemple, dans un engrenage cémenté, la transformation peut commencer dans la couche cémentée enrichie en carbone, tandis que le cœur, moins carboné, se transforme plus tard ou reste partiellement austénitique. Une couche martensitique dure et relativement fragile peut alors contenir des contraintes résiduelles de traction, en particulier à proximité des discontinuités géométriques. Cette combinaison favorise les fissures de trempe. Même en l’absence de fissuration, une contraction inégale autour d’un alésage ou sur une dent peut entraîner une ovalisation, un faux-rond, une flexion ou une modification de l’espacement des dents.

La sévérité du refroidissement n’est qu’un élément du problème. La température d’austénitisation contrôle la taille des grains ainsi que la quantité de carbone et d’éléments d’alliage dissous dans l’austénite ; l’agitation modifie le coefficient de transfert thermique ; et la trempabilité détermine si le cœur se transforme en martensite ou en produits plus tendres tels que la bainite ou la perlite. L’ASM Handbook, Volume 4A (2013), identifie la température d’austénitisation, la température du bain, le temps de maintien, l’agitation et la vitesse de refroidissement comme des variables importantes de la martrempe. Ces mêmes variables influencent la déformation lors d’une trempe directe, avec la géométrie, le mode de chargement, les montages et l’état de la couche cémentée.

### Comment la trempe interrompue modifie l’historique des contraintes

La martrempe modifie la séquence des phénomènes plutôt que de se limiter à sélectionner un autre bain. La pièce chaude austénitisée est trempée rapidement dans de l’huile ou dans un sel fondu maintenu juste au-dessus de sa température Ms. Elle y est maintenue suffisamment longtemps pour que la surface et le cœur atteignent une température plus uniforme, mais pas assez longtemps pour que la bainite ou la perlite se forme. La pièce est ensuite refroidie à travers la plage de formation de la martensite, généralement à l’air ou dans une autre condition contrôlée de faible sévérité, puis revenue avant sa mise en service.

Cette homogénéisation de la température réduit l’écart thermique présent au moment où la martensite commence à se former. La surface et le cœur ne se transforment toujours pas exactement au même instant, et la transformation martensitique produit toujours une dilatation, mais le gradient de température et les contraintes de bridage associées sont plus faibles. La martrempe réduit donc la déformation et la probabilité de fissuration de trempe ; elle n’élimine ni l’une ni l’autre. Un composant complexe peut encore se déformer si ses différentes parties ont des temps de refroidissement différents, si le bain est mal contrôlé ou si sa trempabilité entraîne une transformation non uniforme.

Le 2020 ASM Heat Treating Subject Guide décrit directement le cycle : l’acier est maintenu juste au-dessus de Ms jusqu’à égalisation de la température, puis refroidi à l’air afin de former la martensite, avant revenu. Le revenu n’est pas facultatif pour une utilisation courante, car la martensite après trempe présente une forte contrainte interne et une résistance limitée à la rupture. La température et la durée finales doivent être adaptées à la nuance, aux dimensions, à la dureté requise et à l’état de l’austénite résiduelle.

L’austrempe poursuit un objectif différent. L’acier austénitisé est trempé dans un bain maintenu dans la plage de transformation bainitique — environ 200 à 400 °C selon la définition rapportée pour l’AISI 52100 — et y est maintenu jusqu’à ce que la fraction requise d’austénite se transforme en bainite. Le refroidissement qui suit produit une structure bainitique, éventuellement avec de l’austénite résiduelle ou de la martensite si le maintien est incomplet. L’étude publiée en 2024 dans ACS Omega distingue ce cycle de la martrempe : l’austrempe maintient la pièce jusqu’à la transformation de l’austénite en bainite, tandis que la martrempe homogénéise brièvement la température au-dessus de Ms, puis permet la formation de martensite pendant le refroidissement.

Comme la bainite se forme de manière isotherme après que la pièce a atteint une température de bain relativement uniforme, l’austrempe évite la séquence thermique sévère entre la surface et le cœur caractéristique d’une trempe directe. La transformation bainitique répartit également sa déformation pendant le maintien, au lieu de concentrer la dilatation martensitique dans un gradient de température en déplacement. La déformation et les contraintes résiduelles peuvent donc être plus faibles, mais seulement lorsque la trempabilité de l’acier, la dimension de la section et la cinétique de transformation permettent à toute la section d’atteindre le bain et d’achever la transformation prévue avant la formation de perlite ou de martensite indésirable.

La martrempe et l’austrempe ne sont donc pas des appellations interchangeables désignant une trempe à déformation réduite. La martrempe produit toujours de la martensite et exige un revenu ultérieur. L’austrempe vise la formation de bainite et utilise un maintien isotherme suffisamment long pour l’obtenir. Les spécifications peuvent autoriser les deux procédés : SAE AMS-H-6875C (2020), qui couvre le traitement thermique de quatre classes d’aciers, mentionne l’austrempe, la trempe ausbay et la martrempe lorsque l’exigence applicable les prévoit. Un relevé de procédé doit indiquer le véritable parcours température-temps, et pas seulement préciser que la pièce a été « trempée au sel ».

### Données expérimentales sur les aciers faiblement alliés cémentés

L’austrempe a produit moins de distorsion que la cémentation suivie d’une trempe et d’un revenu conventionnels dans les éprouvettes d’AISI 8620, d’AISI 8822 et d’AISI 4320 étudiées. Limited evidence

L’article SAE « Austempering Process for Carburized Low-Alloy Steels », SAE 2013-01-0949, a étudié les nuances AISI 8620, AISI 8822 et AISI 4320 cémentées. La comparaison portait sur des éprouvettes cémentées puis austrempées et sur des éprouvettes cémentées, trempées selon une méthode conventionnelle, puis revenues. Les traitements d’austrempe utilisaient des températures de bain de 260, 288 et 304 °C. Le résultat rapporté était une déformation nettement plus faible pour les éprouvettes cémentées puis austrempées.

Cette observation concorde avec le mécanisme des contraintes. La cémentation crée un gradient de carbone : la couche cémentée présente une teneur en carbone plus élevée, une trempabilité supérieure et une température Ms différente de celle du cœur. Lors d’une trempe directe, la couche cémentée et le cœur se refroidissent et se transforment selon des cycles différents. L’austrempe remplace donc cette séquence martensitique rapide et spatialement non uniforme par un maintien bainitique contrôlé, après que le composant s’est rapproché de la température du bain. La déformation plus faible est crédible et cohérente sur le plan métallurgique, mais elle ne constitue pas un facteur de correction universel applicable à chaque engrenage, arbre ou chemin de roulement.

L’application de ces résultats à un autre composant dépend d’abord de la géométrie. Une bague mince peut s’homogénéiser rapidement, tandis que le moyeu épais d’un engrenage peut conserver un cœur chaud après que la couche cémentée a atteint la température du bain. Les nuances AISI 8620, AISI 8822 et AISI 4320 diffèrent également par leur composition en éléments d’alliage et leur trempabilité ; une même température de bain ne garantit donc pas les mêmes fractions de phases. La profondeur de cémentation, la teneur en carbone superficielle, l’austénite résiduelle, l’état des carbures, la taille des grains d’austénite antérieure et l’uniformité de la cémentation influencent à la fois la déformation de transformation et la sensibilité à la fissuration.

Les montages et le chargement jouent également un rôle. Un composant bridé pendant le refroidissement peut présenter moins de mouvement libre, mais accumuler des contraintes résiduelles plus élevées ; un composant soutenu de manière plus souple peut davantage se déformer tout en dissipant une partie de ces contraintes. La composition du bain, sa circulation, l’espacement des pièces dans la charge, le temps de transfert et l’uniformité de la température doivent être vérifiés. Les contrôles dimensionnels avant et après traitement thermique, les profils de dureté de la couche cémentée jusqu’au cœur, l’examen métallographique et, lorsque cela est nécessaire, les mesures des contraintes résiduelles sont plus instructifs que de supposer qu’un procédé désigné garantit un résultat.

## Bains, transfert thermique et contrôle du procédé

Le choix du bain ne définit pas à lui seul le procédé. L’austrempe et la martrempe peuvent toutes deux utiliser du sel ou de l’huile, mais leurs parcours thermiques et leurs objectifs de transformation diffèrent. L’austrempe consiste à transférer l’acier austénitisé dans un bain maintenu à une température de transformation bainitique — environ 200 à 400 °C selon la description de l’acier AISI 52100 par G. A. H. D. et al. (2013) — et à l’y maintenir jusqu’à la formation de bainite. La martrempe consiste à transférer l’acier dans un bain situé juste au-dessus de la température de début de formation de la martensite, à homogénéiser la température dans toute la section, puis à le refroidir à l’air afin que la martensite se forme de manière plus uniforme. Un revenu est ensuite nécessaire.

L’ASM Handbook Volume 4A (2013) fournit un cadre de contrôle utile pour la martrempe : température d’austénitisation, température du bain, durée de maintien, agitation et vitesse de refroidissement. Ces variables montrent également pourquoi un procédé en bain peut produire des résultats différents lorsque des cycles de four apparemment similaires sont utilisés. La nuance d’acier, l’épaisseur de la section, la trempabilité, la masse de la charge, le délai de transfert et l’état du bain déterminent si le parcours thermique prescrit est effectivement atteint.

### Huile, sels de nitrate-nitrite et mélanges de sels fondus

L’huile est familière et pratique, mais son comportement en matière de transfert thermique évolue pendant la trempe. Lorsque l’acier chaud entre dans l’huile, un écran de vapeur peut se former à la surface. Cette phase de film transfère la chaleur relativement lentement et de manière non uniforme ; lorsque le film s’effondre, l’ébullition nucléée peut évacuer la chaleur beaucoup plus rapidement, puis le refroidissement convectif devient plus lent. L’agitation désagrège l’écran de vapeur et amène l’huile plus froide vers la pièce. La température et la viscosité de l’huile, son oxydation, la contamination par l’eau, les boues ainsi que le rapport entre la masse de la charge et le volume du bain modifient tous cette séquence.

Deux cuves contenant la même huile nominale peuvent donc produire des courbes de refroidissement différentes. Une huile vieillie peut présenter une viscosité plus élevée ou un comportement de mouillage différent. La contamination par l’eau peut provoquer une ébullition locale et, dans les cas graves, un incendie ou un risque d’éjection lié à la vapeur. Un panier trop rempli protège certaines surfaces de la circulation, tandis qu’une charge chaude importante augmente la température de l’huile et ralentit la portion suivante de la trempe. La variable pertinente n’est pas simplement une « trempe à l’huile », mais la réponse de refroidissement mesurée dans les conditions réelles de charge et d’agitation.

Les bains de sels de nitrate-nitrite transfèrent généralement la chaleur rapidement, car le liquide mouille directement l’acier et ne dépend pas, de la même manière qu’une trempe à l’huile, de la présence persistante d’un écran de vapeur. La convection au sein du sel fondu peut maintenir le bain relativement homogène, et la surface de l’acier peut atteindre rapidement la température du bain. Ce transfert rapide est précieux lorsqu’une pièce soumise à une martrempe doit traverser la zone de perlite ou de bainite sans différences de température excessives entre sa surface et son cœur. Il aide également les pièces soumises à une austrempe à atteindre la température bainitique choisie avant que la transformation ne progresse de manière inégale.

Le sel ne nécessite pas pour autant aucun entretien. La composition du sel, son oxydation, l’humidité, les entraînements de sel, les boues et les contaminants influent sur le comportement à la fusion, la viscosité, la conductivité électrique et le transfert thermique. Les mélanges de nitrate-nitrite exigent également un contrôle de la température de fonctionnement et de l’état chimique, car la décomposition et la contamination peuvent modifier le bain et créer des risques pour la sécurité. Les pièces doivent être sèches avant l’immersion ; l’eau introduite dans le sel fondu peut se vaporiser violemment.

L’étude publiée dans ACS Omega par Sun et al. (2024) a examiné des mélanges de sels fondus Ca(NO3)2–KNO3 et a considéré la mesure du transfert thermique comme une question centrale. Son intérêt pour l’ingénierie des procédés ne réside pas dans l’affirmation qu’un rapport donné de nitrate de calcium et de nitrate de potassium constituerait une recette universelle d’austrempe. Les différentes compositions de sels possèdent des températures de liquidus, des propriétés thermiques, des viscosités et des plages d’utilisation différentes. Les mesures de cette étude contribuent à relier la composition et la température du bain au comportement en matière de transfert thermique, mais un cycle de production nécessite toujours une courbe de refroidissement validée, des données de transformation propres à l’acier et un contrôle du bain réel.

### Effets de la température du bain, de l’agitation et de la charge

La température du bain est une variable de transformation, et non un simple réglage du four. En austrempe, le bain doit rester dans la plage où l’acier choisi peut se transformer en bainite à une vitesse acceptable. Le maintien se poursuit jusqu’à ce que la réaction austénite-bainite requise se soit produite, comme l’établissent les données de transformation en fonction du temps et de la température ou une vérification métallographique. En martrempe, le bain est normalement maintenu juste au-dessus du début de formation de la martensite, souvent désigné par Ms, pendant une durée suffisante pour que la différence de température entre la surface et le cœur diminue jusqu’à un niveau acceptable. Un maintien trop long ou à une température trop basse peut permettre la formation de bainite et compromettre le cycle martensitique prévu.

L’agitation doit être spécifiée par sa méthode et son intensité, plutôt que décrite vaguement comme une « bonne circulation ». Le débit de la pompe, la position de la turbine, le mouvement de la pièce et la conception du panier déterminent si toutes les surfaces sont soumises à un mouvement du fluide comparable. Un mouvement excessif peut endommager les pièces délicates ou entraîner de l’air ; un mouvement insuffisant laisse subsister des zones stagnantes et accroît les différences locales de refroidissement. Les bains de sels nécessitent généralement une circulation pour évacuer la chaleur de la charge et rétablir l’uniformité de la température, même si leur contact direct assure un transfert plus rapide que celui de l’huile.

Les effets de la charge sont souvent sous-estimés. Un petit échantillon isolé peut être exposé à une température du bain presque constante, tandis qu’un panier de production peut faire chuter la température du bain à son entrée et provoquer une période de rétablissement. Les pièces extérieures d’une charge très serrée peuvent refroidir différemment des pièces intérieures, car l’espacement limite l’accès du fluide. Les pièces doivent être suffisamment séparées pour permettre le contact avec le bain et la circulation, et les montages doivent être conçus pour empêcher l’emboîtement, les marques de contact et le piégeage de sel. La disposition de la charge utilisée lors de la qualification doit correspondre à celle employée en production.

La mesure de la température crée également des variations. Un thermocouple de four mesure l’atmosphère du four ou un montage voisin, et pas nécessairement le cœur de l’acier. Le régulateur du bain peut relever la température en un point proche d’un élément chauffant, alors que la zone la plus froide se trouve ailleurs. Des capteurs indépendants doivent sonder la zone de travail, et des thermocouples fixés sur des pièces représentatives peuvent établir le délai thermique réel. Pour les sections épaisses, un thermocouple de surface peut indiquer l’entrée dans le bain alors que le centre reste nettement plus chaud. C’est précisément cette différence que la martrempe vise à réduire avant la formation de la martensite.

### Sévérité de trempe et durée de transfert

La sévérité de trempe décrit la rapidité avec laquelle la chaleur est évacuée de l’acier, mais la mesure utile est la courbe complète de refroidissement à travers la plage de transformation critique. L’agitation de l’huile, la circulation du sel, la température du bain, la géométrie de la pièce et la trempabilité de l’acier y contribuent toutes. Un acier à forte trempabilité peut former de la martensite dans une grande partie de sa section dans des conditions qui laisseraient une nuance à plus faible trempabilité partiellement bainitique ou perlitique. Les arêtes et les coins des sections refroidissent rapidement ; les centres massifs refroidissent lentement. Le même bain ne peut pas garantir la même structure dans une broche mince et dans un engrenage épais.

Le délai de transfert commence lorsque la pièce quitte le four d’austénitisation et se termine lorsque les surfaces de travail sont immergées. Pendant cet intervalle, la surface peut refroidir à l’air tandis que le cœur reste proche de la température d’austénitisation. Le délai peut également permettre une transformation indésirable dans les nuances sensibles et rendre la première pièce d’un lot thermiquement différente de la dernière. Des parcours de transfert courts et reproductibles, des montages de transfert couverts et une manutention synchronisée réduisent cette source de variation.

Le rétablissement du bain suit l’immersion. La charge entrante retire de la chaleur au bain, et des zones froides locales peuvent se développer autour d’un panier trop rempli. Le régulateur peut afficher la consigne alors que la zone de travail est encore en phase de rétablissement. Une limite de rétablissement définie — fondée sur la température du bain mesurée à l’emplacement de la charge — doit déterminer le moment où la charge suivante peut entrer. Sans cette limite, des lots successifs peuvent subir des vitesses de refroidissement différentes malgré des recettes nominales identiques.

Les travaux de 1946 sur la plage de température de formation de la martensite expliquent l’objectif de la martrempe : tremper jusqu’à une température juste supérieure à la plage de formation de la martensite, laisser les températures s’homogénéiser, puis refroidir plus lentement. Cela réduit les contraintes thermiques et de transformation, diminuant le risque de fissuration et de déformation tout en sacrifiant peu de dureté lorsque l’acier et la section s’y prêtent. L’austrempe répond à une exigence différente : le bain doit rester stable pendant toute la durée du maintien bainitique. Une étude de 2020 consacrée à l’austrempe de courte durée à basse température a fait état de nano-bainite, de martensite et d’austénite retenue, avec des coefficients d’usure jusqu’à 50 % inférieurs à ceux d’un acier martensitique trempé ; toutefois, ce résultat ne se transpose pas automatiquement à une autre nuance ou à un autre cycle. \[4\] \[4\] [**Heat Treatment of Steel Raw Materials**](https://www.normsplash.com/Samples/SAE/165267379/SAE-AMSH-6875C-2020-en.pdf). SAE International. SAE AMS-H-6875C, 2020.

La norme SAE AMS-H-6875C (2020) couvre quatre classes d’aciers et autorise l’austrempe, la trempe ausbay et la martrempe lorsqu’elles sont spécifiées. La conformité dépend donc de la nuance, du cycle, de l’équipement et de la vérification spécifiés, et non du seul nom du bain. Des relevés de température, des relevés de durée de transfert, la configuration de la charge, des relevés du bain, la dureté, le contrôle dimensionnel et la métallographie sont nécessaires pour démontrer que la transformation visée s’est effectivement produite.

## Le martempering modifié et sa frontière avec l’austempering

### Martempering standard et martempering modifié

Le martempering et l’austempering interrompent tous deux la descente directe de la température d’austénitisation à la température ambiante, mais pour des raisons métallurgiques différentes. L’austempering est conçu pour produire de la bainite. Le martempering vise à réduire les différences de température avant la formation de la martensite, limitant ainsi les déformations et les fissurations de trempe.

Dans le martempering standard, l’acier austénitisé est trempé dans de l’huile ou dans un sel fondu maintenu juste au-dessus de la température de début de formation de la martensite, ou **Ms**. La pièce reste dans ce bain juste assez longtemps pour que sa surface et son cœur atteignent une température similaire. Elle est ensuite refroidie à travers la plage de transformation martensitique, généralement par refroidissement à l’air. Puisque la martensite se forme durant cette étape finale de refroidissement, le procédé doit être suivi d’un revenu avant la mise en service. Le *Heat Treating Subject Guide* d’ASM International (2020) décrit cette séquence comme un maintien juste au-dessus de Ms, une homogénéisation de la température, un refroidissement à l’air pour former la martensite, puis un revenu.

La température n’est pas choisie à partir d’un tableau universel. Ms varie selon la teneur en carbone, les éléments d’alliage, la taille des grains d’austénite antérieure et l’état de l’austénite. Une surface cémentée, par exemple, peut présenter une valeur de Ms nettement inférieure à celle du cœur, moins riche en carbone. L’épaisseur de la section joue également un rôle, car la chaleur quitte la surface plus rapidement que le centre. Le bain doit donc être choisi en fonction des données de transformation propres à l’acier et à la pièce considérés, et non simplement en fonction d’une désignation nominale de nuance.

L’ASM Handbook Volume 4A (2013) identifie la température d’austénitisation, la température du bain, la durée de maintien, l’agitation et la vitesse de refroidissement comme des variables déterminantes du martempering. Ces variables déterminent si la pièce s’homogénéise sans danger, commence à former de la bainite, se transforme partiellement en martensite dans le bain ou développe des contraintes thermiques et de transformation excessives. Un maintien court et rigoureusement contrôlé est essentiel au procédé standard.

Le martempering modifié change l’emplacement de l’interruption. Dans la description du martempering modifié donnée par la SAE, le bain de trempe est situé au-dessous de Ms, tandis que le martempering standard utilise un bain au-dessus de Ms. Cette différence n’est pas une simple adaptation d’une opération par ailleurs identique. Elle modifie le moment où la martensite commence à se former ainsi que le chemin thermique et transformationnel suivi par la pièce.

Un bain situé au-dessous de Ms peut provoquer le début de la formation de martensite alors que l’acier est encore immergé. La pièce n’est donc pas simplement refroidie jusqu’à une température d’homogénéisation plus basse avant une transformation ultérieure. Une partie de l’austénite peut se transformer pendant le maintien dans le bain, tandis que le reste peut se transformer lors du refroidissement ultérieur. Les fractions obtenues dépendent de la trempabilité de l’acier, de la température réelle du bain, de la durée d’immersion et de la distribution de la température dans la section.

La norme SAE AMS-H-6875C (2020), *Heat Treatment of Steel Raw Materials*, couvre quatre classes d’aciers et autorise l’austempering, l’ausbay quenching et le martempering lorsqu’ils sont spécifiés. Cette autorisation ne rend pas ces procédés interchangeables. Une spécification de procédé, un plan ou une exigence de l’acheteur doit toujours identifier le cycle visé et les critères de contrôle. La seule mention « martempered » peut être insuffisante si un martempering modifié est prévu.

### Pourquoi un bain situé au-dessous de Ms modifie le chemin de transformation

Ms marque le début approximatif d’une transformation sans diffusion de l’austénite en martensite lors du refroidissement. Cela ne signifie pas que toute l’austénite devient instantanément martensite à une température fixe. La transformation progresse sur un intervalle de températures, et la quantité formée dépend principalement de l’ampleur du refroidissement au-dessous de Ms. La durée de maintien peut également jouer un rôle indirect : elle permet à la pièce de s’homogénéiser thermiquement tandis que la transformation se poursuit en fonction de la température locale.

Le fait de placer le bain au-dessous de Ms permet donc à la pièce d’entrer dans la plage martensitique avant que sa température ne soit complètement homogénéisée. Cela peut réduire ultérieurement l’écart de température entre la surface et le cœur, mais au prix d’un développement simultané des déformations de transformation. Le martempering standard retarde la majeure partie de la formation de martensite jusqu’à l’homogénéisation ; le martempering modifié accepte un début plus précoce afin d’obtenir un équilibre différent entre les gradients thermiques, les contraintes de transformation et l’austénite retenue.

La frontière avec l’austempering est définie par la transformation de phase recherchée pendant le maintien. L’austempering trempe l’acier austénitisé dans une plage de températures où la bainite peut se former et l’y maintient jusqu’à la transformation de la quantité d’austénite requise. Une étude de 2013 consacrée à l’acier AISI 52100 décrit l’austempering comme une trempe dans un milieu maintenu approximativement entre 200 et 400 °C, suivie d’un maintien jusqu’à la formation de bainite. Une étude publiée en 2024 dans ACS Omega distingue également l’austempering, qui consiste à maintenir l’acier à une température de transformation bainitique, du martempering, qui comporte un bref maintien juste au-dessus de Ms avant un refroidissement à l’air destiné à former la martensite.

Les plages de température peuvent se chevaucher pour certains aciers ; la température du bain ne suffit donc pas à elle seule à établir le nom du procédé. Un bain à 300 °C peut produire de la bainite dans une nuance, de la martensite dans une autre, ou une structure mixte si le maintien est trop court ou si les courbes de transformation se chevauchent. Les éléments de preuve pertinents sont le comportement de l’acier décrit par ses diagrammes de transformation en conditions isothermes ou de refroidissement continu, ainsi que la vérification métallographique.

Une étude de 2020 portant sur un austempering de courte durée et à basse température d’un acier faiblement allié à teneur moyenne en carbone a mis en évidence de la nanobainite, de la martensite et de l’austénite retenue. Ses coefficients d’usure étaient jusqu’à 50 % inférieurs à ceux d’un acier martensitique trempé, mais ce résultat concerne la composition, la géométrie et le cycle étudiés. Il ne peut pas être transposé automatiquement à une pièce soumise au martempering.

L’austempering peut réduire les déformations, car la bainite se forme à une température relativement constante plutôt que dans un gradient thermique non maîtrisé. Dans des aciers cémentés AISI 8620, AISI 8822 et AISI 4320, une étude de la SAE publiée en 2013 a constaté nettement moins de déformations dans les éprouvettes cémentées puis soumises à l’austempering que dans celles qui avaient été cémentées, trempées et revenues ; les températures d’austempering indiquées étaient de 260, 288 et 304 °C. Il s’agit d’un résultat obtenu pour un groupe particulier d’aciers cémentés, et non de la preuve que toute pièce soumise à l’austempering se déformera moins.

### Éviter la formation accidentelle de bainite

Le martempering modifié est notamment choisi pour maintenir la pièce à l’écart de la région de formation de la bainite pendant l’interruption. Le bain doit être situé au-dessous de Ms, mais également positionné de manière que le maintien ne laisse pas suffisamment de temps à la bainite pour se développer. Si le bain se trouve dans une plage de températures où l’acier présente une cinétique bainitique appréciable, ou si le transfert et le maintien sont trop lents, la structure peut contenir de la bainite même si l’opération a été désignée comme un martempering.

C’est pourquoi « modifié » ne signifie pas simplement « utiliser un bain plus froid ». Le cycle doit préciser les conditions d’austénitisation, le temps de transfert, la température du bain, l’agitation, la durée de maintien admissible, la méthode de refroidissement et le traitement de revenu. La température du bain doit être mesurée à l’emplacement de la pièce, et non déduite du réglage du four ou du bac à sel. La taille de la charge et la circulation du sel peuvent créer des variations locales suffisamment importantes pour modifier le chemin de transformation.

L’opérateur doit également connaître la trempabilité de l’acier et les limites liées à l’épaisseur de la section. Un acier peu trempant peut former de la perlite ou de la bainite dans le cœur avant que la pièce n’atteigne le chemin martensitique recherché. Un acier très trempant peut conserver une quantité importante d’austénite après refroidissement, notamment lorsque l’enrichissement en carbone ou la cémentation a abaissé Ms. Le revenu réduit ensuite la fragilité de la martensite et soulage les contraintes de transformation, mais il n’élimine pas la bainite formée lors d’un maintien inadéquat.

La vérification doit associer une cartographie de la dureté à la métallographie, au contrôle dimensionnel et, lorsque cela est nécessaire, à la mesure de l’austénite retenue. Une seule valeur de dureté superficielle ne permet pas de distinguer, dans tous les composants, une structure entièrement martensitique d’une structure mixte martensite-bainite. La frontière pratique est donc établie par le cycle thermique spécifié et par les phases effectivement produites, et non par l’étiquette du bain.

## Nuances d’acier, trempabilité et dimension de section

La nuance d’acier détermine si un cycle d’austrempe ou de martrempe proposé peut produire la structure recherchée dans toute la pièce. La teneur en carbone contrôle la quantité de martensite susceptible de se former, tandis que le chrome, le manganèse, le nickel, le molybdène et les autres éléments d’alliage déplacent les courbes de transformation et augmentent la trempabilité. La dimension de la section détermine ensuite dans quelle mesure le centre de la pièce suit la température du bain. Un cycle qui fonctionne sur une petite éprouvette peut permettre la formation de perlite, de ferrite ou de bainite supérieure au centre d’un composant plus volumineux avant que la transformation requise ne soit achevée.

La distinction entre les deux traitements reste essentielle. L’austrempe consiste à maintenir l’acier austénitisé dans une plage de transformation bainitique jusqu’à ce que la fraction spécifiée d’austénite se transforme en bainite. La martrempe interrompt le refroidissement juste au-dessus de la température de début de formation de la martensite, permet à la section de s’équilibrer thermiquement, puis la refroidit à travers la plage de formation de la martensite. Le produit martensitique doit ensuite être revenu avant la mise en service. La température du bain, à elle seule, ne permet pas d’identifier le procédé ; ce sont le parcours de transformation et les phases obtenues qui le déterminent.

### Considérations relatives à l’AISI 52100 et aux aciers pour roulements

Facteurs propres à la nuance influençant l’austrempe et la martrempe.
| Acier | Application principale ou état | Problématique du procédé indiquée dans l’article |
|---|---|---|
| AISI 52100 | Acier à roulements fortement carboné et chromé | Dissolution des carbures, austénite retenue, contraintes de trempe et variation dimensionnelle |
| AISI 8620 | Acier de cémentation | Gradient de carbone entre la couche et le cœur, et trempabilité |
| AISI 8822 | Acier de cémentation | Réponse différente de la couche et du cœur par rapport à l’AISI 8620 |
| AISI 4320 | Acier de cémentation au nickel-chrome-molybdène | Géométrie, profondeur de couche et réponse à la transformation |

L’AISI 52100 est un acier pour roulements au chrome à haute teneur en carbone, couramment spécifié sous la désignation UNS G52986. Sa composition nominale est d’environ 1,00 % massique de carbone et 1,5 % de chrome, bien que la spécification applicable du matériau fixe la plage autorisée et les exigences de propreté. Cette composition confère au 52100 une dureté atteignable élevée et une forte résistance à l’usure après trempe, mais elle rend également importantes les questions liées à l’austénite retenue, à la dissolution des carbures, aux contraintes de trempe et aux variations dimensionnelles.

Une étude consacrée à l’AISI 52100 décrit l’austrempe comme une trempe depuis la température d’austénitisation dans un milieu maintenu approximativement entre 200 et 400 °C, avec maintien jusqu’à la formation de bainite. Cette plage constitue la définition de la pratique d’austrempe étudiée, et non une plage de températures universelle applicable à toute section de roulement ou à toute morphologie bainitique recherchée. Dans la partie basse de cette plage, la transformation est plus lente et le produit peut être plus fin ; à des températures plus élevées, la transformation peut se dérouler plus rapidement, mais produire une bainite plus grossière. La température choisie doit également tenir compte du comportement de l’acier en matière de transformation temps-température, de la taille des grains d’austénite antérieure, de l’état des carbures et de l’épaisseur de la section.

Les applications de roulements imposent des exigences qui vont au-delà de la dureté nominale. La fatigue de contact par roulement est influencée par les inclusions non métalliques, la répartition des carbures, l’austénite retenue, les contraintes résiduelles, l’état de surface et les différences locales de transformation. Une surface qui atteint la structure bainitique recherchée alors que le cœur contient de la perlite ne constitue pas un composant de roulement austrempé réussi. De même, une pièce en 52100 martrempée peut présenter une déformation réduite par rapport à une trempe directe à l’huile, mais elle contient encore de la martensite non revenue immédiatement après le refroidissement et doit subir un revenu. Le revenu réduit également la fragilité et stabilise les dimensions, bien que la température choisie doive préserver la dureté requise et les performances exigées en fatigue de contact.

Une petite bague en 52100 peut s’équilibrer rapidement dans un bain de sels, ce qui permet à toute la section de pénétrer dans le domaine bainitique avant qu’une transformation substantielle ne se produise. Une bague, un galet ou une piste de roulement de plus grande dimension peut présenter une réponse beaucoup plus lente au centre. La surface peut commencer à se transformer alors que le cœur se refroidit encore dans une autre plage de températures. Le temps de maintien ne peut donc pas être choisi en fonction du seul diamètre ; il doit être lié à la zone pertinente dont la réponse est la plus lente et vérifié par des mesures de dureté, un examen métallographique, des mesures dimensionnelles et, si nécessaire, une analyse de l’austénite retenue.

### AISI 8620, 8822 et 4320 cémentés

Les aciers faiblement alliés cémentés présentent un problème à deux zones. La cémentation augmente la teneur en carbone à la surface tout en laissant le cœur à un niveau de carbone plus faible. La couche cémentée possède donc une trempabilité plus élevée et un potentiel de formation de martensite supérieur à ceux du cœur, mais les deux régions doivent suivre un cycle thermique compatible. Les gradients de carbone modifient également la température de début de formation de la martensite : la couche à haute teneur en carbone commence généralement sa transformation martensitique à une température plus basse que le cœur à plus faible teneur en carbone. La transformation ne se produit pas simultanément dans toute la section.

Des travaux consacrés aux AISI 8620, AISI 8822 et AISI 4320 cémentés ont utilisé des températures d’austrempe de 260, 288 et 304 °C. Dans ces expériences, les éprouvettes cémentées puis austrempées présentaient nettement moins de déformation que les éprouvettes cémentées, trempées puis revenues. Ce résultat étaye un mécanisme plutôt qu’une affirmation générale. L’austrempe remplace le choc thermique et transformationnel sévère et irrégulier d’une trempe directe par une transformation isotherme contrôlée, réduisant la différence de dilatation et de contraction entre la couche cémentée et le cœur. Elle n’élimine pas la déformation, et le résultat rapporté ne peut pas être automatiquement transposé à une autre géométrie d’engrenage, profondeur de couche, activité de cémentation ou coulée d’acier.

L’AISI 8620, désigné UNS G86200, contient du nickel, du chrome et du molybdène en quantités favorisant la trempabilité du cœur après cémentation. L’AISI 8822, désigné UNS G88220, possède une conception d’alliage à plus forte teneur en nickel que le 8620 et est choisi pour un équilibre différent entre la réponse de la couche et celle du cœur. L’AISI 4320, désigné UNS G43200, est également un acier de cémentation au nickel-chrome-molybdène. La composition chimique exacte doit être tirée de la spécification applicable, car de faibles différences de teneur en carbone, manganèse, nickel, chrome et molybdène peuvent déplacer les temps de début et de fin de transformation.

La relation entre la couche et le cœur est déterminante. Si le cœur ne possède pas une trempabilité suffisante, il peut former de la perlite ou de la ferrite pendant le transfert ou le maintien, alors même que la couche cémentée développe de la bainite ou, ultérieurement, de la martensite. Si le maintien d’austrempe est suffisamment long pour le cœur mais excessif pour l’état choisi de la couche, celle-ci peut développer une morphologie indésirable ou une quantité excessive d’austénite retenue. Lors d’une martrempe, le bain doit rester au-dessus de la plage pertinente de début de formation de la martensite pendant l’équilibrage ; après le refroidissement à l’air, la couche et le cœur se transforment dans des plages de températures différentes et doivent tous deux être revenus.

### Épaisseur, gradients de carbone et réponse de l’alliage

Le refroidissement ne suit pas une courbe unique dans le cas d’un composant réel. Une dent mince, un petit axe ou une bague de roulement étroite peut atteindre rapidement la température du bain, tandis que le centre d’une ébauche d’engrenage ou d’un arbre épais reste nettement plus chaud. L’agitation, la disposition de la charge, la circulation du bain, l’état de surface et le contact avec les montages modifient également la vitesse de transfert thermique. L’ASM Handbook Volume 4A identifie la température d’austénitisation, la température du bain, le temps de maintien, l’agitation et la vitesse de refroidissement comme des variables déterminantes pour la martrempe. Ces variables relèvent du contrôle du procédé, et pas seulement de la répétabilité en laboratoire.

Trempabilité **Trempabilité** Aptitude d’un acier à développer et à conserver une structure martensitique jusqu’à une profondeur donnée dans une condition de refroidissement spécifiée ; elle n’est pas équivalente à la dureté.

La trempabilité détermine si le cœur peut éviter la formation de produits de transformation indésirables pendant le refroidissement. Elle se distingue de la dureté. La dureté décrit la résistance mesurée en un point donné ; la trempabilité décrit la profondeur ou la section sur laquelle un acier peut développer une structure martensitique dans des conditions de refroidissement données. Les éléments d’alliage tels que le manganèse, le chrome, le nickel et le molybdène retardent généralement les réactions de formation de la perlite et de la bainite, donnant au centre davantage de temps pour atteindre le domaine de transformation recherché. Ils ne garantissent toutefois pas des résultats uniformes, car la taille des grains d’austénite, les traitements antérieurs et les gradients de carbone influencent également la cinétique.

Pour l’austrempe, la zone dont le refroidissement est le plus lent doit atteindre le domaine bainitique sans franchir au préalable le nez perlitique de sa courbe de refroidissement. Le bain doit ensuite évacuer la chaleur assez rapidement pour supprimer les transformations indésirables, tout en restant suffisamment contrôlé pour éviter de grandes différences de température dans la pièce. Pour la martrempe, toute la section doit s’approcher d’une température juste supérieure au début de formation de la martensite avant que la pièce ne soit refroidie à travers la plage martensitique. Une section épaisse qui ne s’est pas équilibrée peut se transformer en surface alors que le cœur continue de se contracter thermiquement, ce qui augmente les contraintes internes et la déformation.

Les normes ne remplacent pas cette analyse. La SAE AMS-H-6875C, *Heat Treatment of Steel Raw Materials*, couvre quatre classes d’acier et autorise l’austrempe, la trempe en ausbaie et la martrempe lorsqu’elles sont spécifiées. La spécification, le plan, la nuance d’acier, la dimension de la section et la procédure approuvée doivent donc être examinés conjointement. La vérification doit comprendre la mesure de la profondeur de couche pour les pièces cémentées, la dureté du cœur et de la surface, l’examen de la microstructure en plusieurs points, le contrôle dimensionnel ainsi que la recherche d’austénite retenue ou de fissures de trempe lorsque l’application le justifie. L’étiquette d’un bain ne peut pas établir que le centre a suivi le cycle de transformation requis.

## Cadre de Spécification : AMS-H-6875C et Documentation des Procédés

SAE AMS-H-6875C, *Traitement Thermique des Matières Premières en Acier*, établit les exigences de traitement thermique applicables à quatre classes d’acier. Son importance est d’ordre procédural : le document autorise l’austrempe, la trempe ausbay et la martrempe lorsque la spécification applicable du matériau ou de la pièce prévoit l’un de ces cycles. Cette autorisation ne valide pas pour autant chaque température de bain de sel, chaque délai de transfert, chaque durée de maintien ou chaque pratique de refroidissement. L’acheteur, l’autorité de conception ou la spécification de matériau de référence doit toujours identifier le cycle requis et les critères d’acceptation.

Cette distinction est importante, car ces procédés ne produisent pas les mêmes produits de transformation. Lors d’une austrempe, l’acier austénitisé est rapidement porté à une plage de température dans laquelle la bainite peut se former, puis maintenu jusqu’à ce que la transformation requise de l’austénite en bainite soit en grande partie achevée. Une étude de 2013 sur l’acier AISI 52100 décrivait un milieu d’austrempe maintenu approximativement entre 200 et 400 °C jusqu’à la formation de bainite. La plage exacte dépend de la composition chimique de l’acier, de la dimension de la section, de la trempabilité et de la morphologie de bainite recherchée.

La martrempe poursuit un objectif différent. La pièce est trempée dans de l’huile ou dans un sel fondu maintenu juste au-dessus de la température de début de formation de la martensite, généralement notée Ms, et y reste uniquement le temps nécessaire pour égaliser la température dans toute la section. Elle est ensuite refroidie à travers la plage martensitique, souvent à l’air. La martensite se forme pendant ce refroidissement ultérieur, et non pendant le maintien d’égalisation. Un revenu est requis avant la mise en service, car la martensite à l’état brut de trempe présente de fortes contraintes résiduelles et peut être excessivement fragile. L’ouvrage *ASM Handbook Volume 4A* de 2013, publié par ASM International, identifie la température d’austénitisation, la température du bain, la durée de maintien, l’agitation et la vitesse de refroidissement comme des variables déterminantes de la martrempe.

La trempe ausbay constitue également une méthode de trempe interrompue spécifiée, mais son utilisation autorisée ne doit pas être considérée comme un synonyme de l’austrempe. Le terme décrit le parcours de trempe et la configuration du bain ; les phases obtenues dépendent de la cinétique de transformation de l’acier et de l’historique réel temps-température. Un document de procédé doit donc préciser si la structure recherchée est de la bainite, de la martensite obtenue après égalisation thermique, ou un autre résultat autorisé par la spécification de référence.

### Champ d’application de l’AMS-H-6875C

L’AMS-H-6875C fournit un cadre général pour le traitement thermique des matières premières en acier, et non une recette universelle applicable à chaque nuance et à chaque géométrie. Il traite des exigences associées à des opérations telles que le chauffage, l’austénitisation, la trempe, le refroidissement, le revenu et l’inspection. Le document couvre quatre classes d’acier et autorise trois cycles alternatifs — l’austrempe, la trempe ausbay et la martrempe — lorsqu’ils sont spécifiés par l’exigence d’ingénierie ou de matériau applicable.

Cette formulation est importante. Une norme peut reconnaître un procédé sans le rendre acceptable pour une pièce donnée. Par exemple, une nuance de cémentation faiblement alliée peut présenter une trempabilité suffisante pour obtenir un cœur bainitique à une certaine épaisseur de section, tandis qu’une section plus importante d’une autre nuance peut ne pas se transformer complètement pendant le même maintien dans le bain. Des éprouvettes cémentées en AISI 8620, AISI 8822 et AISI 4320 ont présenté une déformation nettement moindre après austrempe qu’après cémentation, trempe et revenu conventionnels dans le cadre de l’étude SAE 2013-01-0949. Les expériences ont utilisé des températures d’austrempe de 260, 288 et 304 °C. Ces résultats justifient un choix de procédé pour les conditions étudiées ; ils n’établissent pas que ces températures conviennent à chaque composant.

Une spécification faisant référence à l’AMS-H-6875C doit donc identifier la désignation et l’état du matériau, le traitement thermique autorisé ainsi que toute exigence complémentaire. La composition chimique de la nuance détermine le début et la fin de la transformation bainitique, la température Ms, la trempabilité, la réponse de l’austénite résiduelle et la réponse au revenu. L’épaisseur et la forme de la section déterminent le gradient de température et le temps nécessaire pour que le cœur suive la surface lors de l’immersion dans le bain.

### Cas où l’austrempe, la trempe ausbay ou la martrempe sont autorisées

L’austrempe n’est autorisée que lorsque la spécification applicable la sélectionne expressément ou l’accepte comme méthode alternative. Sa durée de maintien doit être suffisamment longue pour permettre la transformation bainitique requise, conformément à une qualification ou à une procédure temps-température validée. Un arrêt prématuré peut laisser un mélange de martensite et d’austénite résiduelle avec la bainite. Une étude de 2020 consacrée à une austrempe de courte durée et à basse température d’un acier faiblement allié à teneur moyenne en carbone a mis en évidence la coexistence de nanobainite, de martensite et d’austénite résiduelle ; dans les conditions d’essai de cette étude, les coefficients d’usure étaient jusqu’à 50 % inférieurs à ceux d’un acier martensitique trempé. Cette structure mixte montre pourquoi la seule mention « austrempé » ne constitue pas un critère d’acceptation suffisant.

La martrempe est autorisée lorsque l’exigence de référence prévoit une trempe interrompue afin de réduire les contraintes thermiques et de transformation. Le bain doit rester au-dessus de Ms pendant l’étape d’égalisation, et le maintien ne doit pas se prolonger dans une plage de transformation bainitique non prévue, sauf si cette structure est autorisée. Les travaux de 1946 sur la plage de température de formation de la martensite décrivaient l’objectif fondamental : refroidir juste au-dessus de la plage de formation de la martensite, égaliser la température, puis refroidir plus lentement à travers cette plage. Les fissurations et les déformations peuvent ainsi être réduites, mais la dureté dépend toujours de la transformation martensitique complète, de la trempabilité de l’acier et du revenu ultérieur.

La trempe ausbay doit de même être rattachée à une spécification précise et à des conditions de bain maîtrisées. Le seul nom du procédé ne définit pas la constitution des phases. Un bain situé sous Ms, par exemple, peut amorcer la formation de martensite pendant l’immersion, tandis qu’un bain situé au-dessus de Ms favorise le principe d’égalisation associé à la martrempe conventionnelle. La spécification doit lever cette ambiguïté.

### Éléments qu’une spécification de procédé doit définir

Une spécification de procédé exploitable commence par la nuance d’acier exacte et sa désignation normative, y compris la forme du produit, l’état initial et, lorsque cela est pertinent, l’état cémenté ou décarburé. Elle identifie ensuite le traitement sélectionné : austrempe, trempe ausbay, martrempe, ou trempe et revenu conventionnels.

L’instruction d’austénitisation doit indiquer le type de four ou l’atmosphère lorsque ceux-ci sont contrôlés, la température cible, la plage admissible, la méthode de chauffage ainsi que la durée de maintien ou d’égalisation. La mention « chauffer pour austénitiser » est insuffisante pour le contrôle de la production. Le document doit préciser si la durée est mesurée après le rétablissement de la température du four, après l’égalisation de la charge ou à partir de l’introduction de la charge.

Les exigences relatives au bain doivent être tout aussi précises. Elles doivent identifier le milieu — huile, sel de nitrate/nitrite, polymère aqueux ou autre milieu approuvé — ainsi que la température de fonctionnement, la variation admissible, le volume du bain ou le rapport de charge lorsque cela est pertinent, la direction et l’intensité de l’agitation, et la fréquence de surveillance. Une étude de 2024 publiée dans ACS Omega, utilisant des mélanges de sels fondus Ca(NO₃)₂–KNO₃, a mis en évidence les différents parcours de transformation produits par un maintien bainitique et par un bref maintien au-dessus de Ms. La composition du sel constitue donc une variable du procédé, et non un simple détail concernant le récipient.

Le temps de transfert entre le four et le bain doit être limité par une valeur maximale, les points de mesure étant définis. La spécification doit également préciser l’orientation lors de l’immersion, l’agitation pendant l’entrée dans le bain, la durée de maintien dans le bain et le critère déterminant la fin de ce maintien. Pour l’austrempe, il peut s’agir d’une durée qualifiée suffisante pour obtenir la fraction de bainite requise. Pour la martrempe, il s’agit normalement du temps nécessaire à l’égalisation de la température sans permettre une formation inacceptable de bainite.

Le refroidissement après le maintien doit être défini : refroidissement à l’air, à l’air calme, à air pulsé ou par une autre méthode approuvée, y compris la température à laquelle la pièce quitte le bain. Les exigences de revenu doivent préciser le délai minimal après la trempe, la température de revenu, la durée à température, le nombre de cycles, l’uniformité du four et la méthode de refroidissement. Un acier martrempé ne doit pas être mis en service sans avoir subi le revenu spécifié.

Enfin, l’acceptation doit être mesurable. Le document doit définir les emplacements et les limites de dureté, la variation de dureté admissible, la microstructure requise et les constituants interdits, les limites d’austénite résiduelle lorsque cela est applicable, l’état de surface et les critères dimensionnels d’acceptation. Les mesures de déformation doivent préciser les références, les instruments, la fréquence d’échantillonnage et la variation maximale autorisée. Les dossiers de qualification doivent relier les relevés du four, les enregistrements de température du bain, les relevés des temps de transfert, les résultats de dureté, les examens métallographiques et les rapports dimensionnels au lot et à la nuance exacte. En l’absence de ces enregistrements, un cycle théoriquement autorisé demeure un procédé non maîtrisé plutôt qu’une preuve de conformité.

## Concevoir un cycle : des données de transformation aux paramètres d’atelier

Un cycle bien conçu commence par l’acier et la pièce, et non par une température de bain familière. Il faut relever la nuance, la composition chimique, le traitement thermique antérieur, l’épaisseur de la section, la forme, l’état de surface et les propriétés requises. L’acier à roulements AISI 52100, l’acier AISI 8620 cémenté et un acier faiblement allié à teneur moyenne en carbone n’ont pas la même cinétique de transformation, même si leurs pièces peuvent être placées dans le même bac de sels. L’état initial est également déterminant : les gros grains d’austénite antérieure, les carbures non dissous, la profondeur de la couche cémentée et la ségrégation peuvent modifier la trempabilité, le temps de transformation et la réponse dimensionnelle.

Le produit de phase recherché détermine l’orientation du procédé. L’austrempe doit placer l’acier dans une plage de température où se forme la bainite, puis le maintenir jusqu’à la transformation du volume d’austénite sélectionné. La martrempe interrompt au contraire le refroidissement juste au-dessus de la température de début de formation de la martensite, égalise la température dans toute la section, puis permet la formation de martensite pendant un refroidissement contrôlé. Cette dernière opération nécessite un revenu avant la mise en service. Le seul nom du bain ne permet pas d’identifier le procédé.

Les données de transformation doivent établir la température de début de formation de la martensite, la plage de fin de formation de la martensite, la température de début de formation de la bainite et le temps nécessaire pour éviter la perlite ou la ferrite. Les diagrammes de transformation en refroidissement continu et de transformation temps-température fournissent une première estimation, mais ne remplacent pas les essais réalisés sur la nuance et l’état réels. La teneur en carbone, les éléments d’alliage, la taille des grains d’austénite et la composition chimique de la couche cémentée déplacent tous les courbes. Le concepteur du procédé fait ensuite correspondre la fenêtre de transformation à un bain, une charge, un temps de transfert et une géométrie de pièce.

L’ASM Handbook Volume 4A (2013) identifie la température d’austénitisation, la température du bain, le temps de maintien, l’agitation et la vitesse de refroidissement comme des variables déterminantes pour la martrempe. Ces variables interagissent. Une température de bain adaptée à une petite éprouvette peut devenir insuffisante lorsqu’une charge lourde est introduite, car la charge extrait la chaleur plus rapidement que les réchauffeurs du bain ne peuvent la rétablir. Le programme doit donc reposer sur des températures mesurées de la pièce et sur des limites de récupération thermique, et non uniquement sur les températures de consigne du four et du bain.

### Sélection de la condition d’austénitisation

Choisissez la température d’austénitisation à partir de la spécification de l’acier, des informations d’équilibre des phases et de la microstructure visée. La température doit dissoudre suffisamment de carbone et d’éléments d’alliage pour assurer la trempabilité requise, mais une température ou un temps excessifs peuvent grossir les grains d’austénite antérieure, augmenter la quantité d’austénite retenue, favoriser l’oxydation et accentuer les déformations. Pour les pièces cémentées, le cœur et la couche doivent être considérés séparément. La couche peut contenir beaucoup plus de carbone que le cœur ; sa température de début de formation de la martensite et sa réponse en matière d’austénite retenue peuvent donc être très différentes.

Le temps d’austénitisation doit être établi en fonction de la dimension de la section et du comportement de montée en température du four, la période de maintien commençant lorsque l’emplacement pertinent le plus froid — et non l’affichage du four — a atteint la température spécifiée. Une température de consigne de four correspond à la température de l’air ou du capteur de régulation en un emplacement donné. Lors du chargement, la température de l’acier accuse un retard par rapport à cette valeur et, pendant la récupération thermique, elle peut la dépasser ou rester en dessous. Le rayonnement, le contact avec les montages, l’espacement des pièces et la circulation dans le four produisent d’autres écarts. Un thermocouple fixé à une pièce représentative montre couramment une montée retardée, suivie d’un dépassement ou d’un déficit transitoire après le transfert.

L’état initial détermine le temps nécessaire. L’acier AISI 52100 sphéroïdisé, un acier faiblement allié normalisé et l’acier AISI 8620 cémenté peuvent nécessiter des temps de mise en solution différents, même à la même température nominale. Un maintien excessif peut dissoudre des carbures destinés à rester présents, tandis qu’un maintien insuffisant laisse subsister des variations chimiques dans la section. Une étude métallographique d’échantillons austénitisés peut confirmer la dissolution des carbures et la taille des grains avant de fixer un cycle de production.

Pour la martrempe, la condition d’austénitisation doit produire suffisamment d’austénite pour obtenir la dureté spécifiée après transformation et revenu. Pour l’austrempe, elle doit également éviter une composition chimique et une taille de grains de l’austénite qui placeraient la température de début de formation de la bainite ou le temps d’incubation en dehors de la plage de fonctionnement du bain. Le choix constitue un compromis, mais il doit être fondé sur des données de transformation plutôt que sur une valeur générique du type « chauffer à ».

### Choix de la température du bain et du temps de maintien

Sélectionnez une température de bain d’austrempe située dans la plage de transformation bainitique identifiée pour l’acier. L’acier AISI 52100 a fait l’objet d’études d’austrempe utilisant des milieux maintenus approximativement entre 200 et 400 °C, avec un maintien poursuivi jusqu’à la formation de bainite ; cette plage constitue une référence générale et non une fenêtre universelle de production. Une étude publiée en 2024 dans ACS Omega décrit également l’austrempe comme le maintien d’un acier austénitisé à une température de transformation bainitique jusqu’à la conversion de l’austénite en bainite. Le maintien requis peut être déterminé à partir d’un diagramme de transformation isotherme, puis vérifié par des mesures de dureté et une étude métallographique, car la taille de l’éprouvette et son état initial peuvent différer de ceux de la pièce.

La température d’austrempe modifie l’équilibre entre la vitesse de transformation, la morphologie de la bainite, la dureté et la quantité d’austénite retenue. Les températures plus basses allongent généralement les temps d’incubation et de transformation et peuvent produire des structures bainitiques plus fines ; les températures plus élevées raccourcissent le cycle, mais peuvent produire une bainite plus grossière et une réponse différente en matière de dureté. Une étude publiée en 2020 sur une austrempe de courte durée à basse température a fait état de nano-bainite, de martensite et d’austénite retenue, avec des coefficients d’usure jusqu’à 50 % plus faibles que ceux d’un acier martensitique trempé. Ce résultat concerne l’acier et le cycle étudiés ; il ne peut pas être extrapolé à toutes les nuances.

La température du bain de martrempe est réglée juste au-dessus de la température de début de formation de la martensite, avec une marge suffisante pour empêcher la formation prématurée de martensite pendant l’égalisation. La pièce reste dans le bain uniquement jusqu’à ce que les températures dans toute la section se rapprochent les unes des autres. Elle est ensuite retirée pour être refroidie à l’air dans la plage martensitique, puis revenue. Un maintien trop long à cette température peut permettre la formation de bainite ou d’autres transformations, selon l’acier. La martrempe modifiée place délibérément le bain en dessous de la température de début de formation de la martensite et constitue un programme différent ; cette distinction doit donc figurer dans la spécification écrite du procédé.

La capacité du bain ne se limite pas au volume du bac. Il faut mesurer l’uniformité de la température, l’agitation, la circulation, la récupération thermique et le rapport massique admissible entre la charge et le bain. Un bain de sels à base de Ca(NO₃)₂–KNO₃, un bain d’huile ou un autre milieu transfère la chaleur en fonction de sa viscosité, de sa conductivité thermique, de son mouvement et de sa température de fonctionnement. Lorsqu’une charge importante ou densément empilée est introduite, la température du bain peut chuter et sa récupération peut être lente. Si l’acier traverse une région de début de formation de la perlite avant que le bain n’ait rétabli sa température, l’équilibre de phases recherché est perdu. Il faut enregistrer la température minimale du bain après le chargement ainsi que le temps nécessaire pour revenir dans la bande de régulation.

Le chronométrage du maintien doit commencer lorsque la pièce atteint la température cible, et pas nécessairement lorsque le panier entre dans le bain. Pour les sections épaisses, cela nécessite un thermocouple placé au cœur ou une relation temps-température validée. Les arêtes minces peuvent déjà être en cours de transformation alors que le cœur est encore en phase de chauffage ; les limites relatives à la dimension des sections et les temps de transfert doivent donc figurer dans la procédure.

### Utilisation de thermocouples, d’éprouvettes et d’essais interrompus

Placez les thermocouples aux emplacements qui déterminent la transformation : au centre de la section la plus épaisse, sur une arête mince, sur une surface exposée au bain et, pour les pièces cémentées, à la fois dans la couche et dans le cœur lorsque cela est possible. Utilisez des fils et des méthodes de fixation capables de résister au four et au bain, et vérifiez l’étalonnage sur toute la plage de fonctionnement. La courbe enregistrée doit montrer le chauffage dans le four, l’austénitisation, le transfert, l’entrée dans le bain, l’égalisation de la température, le retrait, le refroidissement à l’air et le revenu. C’est la courbe de la pièce — et non la température de consigne du four — qui confirme le cycle.

Les éprouvettes doivent reproduire le matériau de production, l’état initial, l’épaisseur de la section et la composition chimique de surface. Une simple éprouvette mince peut réagir trop rapidement et donner à tort l’impression que la capacité du bain est suffisante. Une éprouvette à gradins ou une éprouvette témoin reproduisant la forme de la pièce peut révéler le retard thermique entre la surface et le cœur. Lors de la qualification, placez les éprouvettes aux emplacements les plus froids, les plus encombrés et les plus représentatifs de la charge.

Les essais interrompus fournissent des informations sur la transformation. Retirez les éprouvettes après plusieurs temps de maintien, trempez-les ou refroidissez-les selon une méthode définie, puis examinez les sections polies à la recherche de bainite, de martensite, de perlite, de carbures et d’austénite retenue. Mesurez la dureté de la surface au centre ainsi que selon différentes orientations. Une cartographie de dureté peut révéler un cœur tendre, une arête ayant subi une transformation excessive ou des variations de profondeur de couche que ne mettrait pas en évidence une seule mesure Rockwell.

Les mesures dimensionnelles doivent accompagner ces essais, mais elles ne peuvent pas les remplacer. Relevez le diamètre, la planéité, le faux-rond, la longueur et les déformations avant et après le traitement thermique, à des températures contrôlées. Des éprouvettes en AISI 8620, 8822 et 4320 cémentées, étudiées dans une publication SAE de 2013, ont présenté nettement moins de déformations après austrempe qu’après cémentation suivie d’une trempe et d’un revenu conventionnels, en utilisant des températures d’austrempe de 260, 288 et 304 °C. Ce résultat confirme la logique du procédé, mais ne constitue pas une garantie générale pour toutes les géométries.

Enfin, comparez la métallographie, la cartographie de dureté, les mesures d’austénite retenue lorsqu’elles sont requises et les données dimensionnelles à la spécification applicable. La norme SAE AMS-H-6875C (2020) couvre quatre classes d’aciers et autorise l’austrempe, la trempe ausbay et la martrempe lorsqu’elles sont spécifiées. Le cycle approuvé doit indiquer la nuance et l’état de l’acier, la plage d’austénitisation, la limite de transfert, la température du bain et l’exigence de récupération thermique, le critère d’égalisation ou de transformation, la méthode de refroidissement, le traitement de revenu et les éléments de preuve issus de l’inspection. Ce niveau de définition transforme les données de transformation en un paramètre d’atelier reproductible.

## Modes de défaillance et métallographie diagnostique

Une pièce traitée thermiquement présentant un défaut doit être diagnostiquée à partir de son parcours de transformation, et non du seul nom du bain. L’austempering vise à maintenir l’acier austénitisé à une température de transformation bainitique jusqu’à la formation de bainite. Le martempering est différent : la pièce est trempée juste au-dessus de la température de début de formation de la martensite, maintenue seulement le temps nécessaire pour que sa section atteigne une température uniforme, puis refroidie de manière à former de la martensite avant le revenu. Une phase présente au mauvais endroit ou en quantité inappropriée révèle généralement un problème de cycle, de transfert thermique ou de trempabilité.

### Perlite ou bainite formée au cours d’une étape non prévue

La présence de perlite dans une pièce traitée par austempering indique généralement qu’une partie de l’austénite est entrée dans la plage de transformation perlitique avant le maintien bainitique prévu. La cause la plus courante est une vitesse de transfert insuffisante entre le four d’austénitisation et le bain de sel ou d’huile. Un transfert prolongé dans l’air, un chargement trop dense ou un retard lors de l’immersion de la pièce dans le bain peuvent permettre une transformation à la surface. La température du four peut être correcte alors que la pièce échoue néanmoins parce que sa surface a déjà franchi la courbe de début de transformation de la perlite.

Un contrôle inadéquat du bain produit le même résultat. Un bain de sel mal agité, une charge excessive ou un thermocouple mal étalonné peuvent créer des zones locales dont la température est inférieure à la valeur spécifiée. Les premières pièces introduites dans une zone froide peuvent former de la perlite avant d’atteindre la température d’austempering prévue. L’étude AISI 52100 de 2013 décrit un austempering entre environ 200 et 400 °C, avec maintien de la pièce jusqu’à la formation de bainite ; cette plage ne permet pas de choisir n’importe quelle température sans vérifier la cinétique de transformation de l’acier. La teneur en carbone, les éléments d’alliage, la taille des grains d’austénite et l’épaisseur de la section modifient le temps disponible avant le début de la transformation perlitique.

Du point de vue métallographique, la perlite se présente sous forme de colonies de ferrite et de cémentite, souvent avec un aspect lamellaire à un grossissement approprié. Une perlite grossière près de la surface suggère une immersion lente ou un refroidissement superficiel, tandis qu’une bande ou une zone isolée traversant la section indique une température non uniforme du bain ou un contact avec des montages. Une cartographie de dureté peut mettre en évidence la conséquence : les zones perlitiques sont nettement plus tendres que les régions entièrement bainitiques ou martensitiques. Il convient d’examiner une section transversale allant de la surface au centre et de comparer plusieurs emplacements autour du composant, plutôt que de s’appuyer sur un seul champ métallographique poli.

De la bainite peut également apparaître au cours d’un cycle destiné à produire de la martensite. Dans le martempering classique, la période de maintien au-dessus du début de formation de la martensite, ou Ms, sert à égaliser la température ; il ne s’agit pas d’un maintien destiné à provoquer une transformation bainitique. Un maintien excessivement long, une température de bain située dans la plage bainitique ou un refroidissement lent à travers cette plage permettent à la bainite de se former avant le développement de la martensite. La structure résultante peut présenter de la bainite supérieure, de la bainite inférieure et de la martensite dans des régions adjacentes. Une étude publiée en 2024 dans ACS Omega établit clairement la distinction entre les procédés : l’austempering maintient l’acier à une température de transformation bainitique jusqu’à la transformation de l’austénite, tandis que le martempering le maintient brièvement juste au-dessus de Ms avant un refroidissement à l’air.

Les relevés du bain doivent être vérifiés avant d’incriminer la composition chimique de l’acier. Le volume 4A de l’ASM Handbook identifie la température d’austénitisation, la température du bain, le temps de maintien, l’agitation et la vitesse de refroidissement comme des variables déterminantes pour le martempering. Ces mêmes variables influent sur l’atteinte du domaine de phases visé lors d’un traitement d’austempering. Un thermocouple défaillant, une cuve surchargée ou une agitation insuffisante peuvent expliquer la microstructure plus directement qu’une faible variation de composition.

### Transformation incomplète et austénite retenue

L’austénite retenue apparaît lorsque l’austénite n’achève pas la transformation prévue au cours du refroidissement ou du maintien. Dans une pièce traitée par martempering, l’austénite doit se transformer en grande partie en martensite lors du refroidissement contrôlé ultérieur, mais la fraction transformée dépend de la teneur en carbone, de l’alliage, de la vitesse de refroidissement et de la température finale. Les zones superficielles à forte teneur en carbone, en particulier dans les aciers cémentés, présentent généralement des températures Ms et Mf inférieures à celles du cœur pauvre en carbone. Elles peuvent donc retenir davantage d’austénite après le même cycle de refroidissement.

L’austempering présente un mode de défaillance différent. Si le maintien s’achève avant la fin de la réaction bainitique, de l’austénite non transformée subsiste et peut se transformer ultérieurement en martensite pendant le refroidissement, en service ou lors de la rectification. Il en résulte une structure mixte composée de bainite, de martensite et d’austénite retenue, plutôt que la structure principalement bainitique prévue. L’étude de 2020 consacrée à l’austempering de courte durée à basse température d’un acier faiblement allié à teneur moyenne en carbone a mis en évidence la présence conjointe de nanobainite, de martensite et d’austénite retenue ; la réduction du coefficient d’usure rapportée, pouvant atteindre 50 % par rapport à un acier martensitique trempé, s’applique au matériau et au cycle étudiés, et non à toute pièce partiellement transformée.

L’austénite retenue ne peut pas être identifiée de manière fiable par la seule dureté. Elle peut être suffisamment tendre pour abaisser une mesure, mais une transformation induite par la déformation lors de l’indentation peut augmenter la valeur apparente. Il convient d’utiliser la métallographie optique après attaque au nital comme premier examen, puis de confirmer les quantités significatives par diffraction des rayons X, méthodes magnétiques ou analyse quantitative d’images, selon les besoins. Il faut rechercher une variation dimensionnelle, une fissuration différée ou une croissance en service, car l’austénite retenue peut se transformer en martensite fraîche non revenue.

Pour les composants cémentés, la couche cémentée et le cœur doivent être examinés séparément. Un profil de dureté allant de la couche au cœur doit être établi et comparé aux phases observées. Une couche dure contenant de l’austénite retenue et un cœur plus tendre, bainitique ou perlitique, indique des réponses locales différentes à la transformation, et pas nécessairement un défaut de l’acier traité. À l’inverse, une dureté uniformément faible avec absence de martensite dans les deux régions oriente vers une austénitisation insuffisante, un retard de transfert excessif, une sévérité de trempe insuffisante ou une erreur de température du bain.

### Fissures, zones tendres, déformations et microstructures mixtes

Les fissures résultent généralement des effets combinés des contraintes de transformation, des contraintes thermiques, d’une géométrie présentant des arêtes vives, des contraintes résiduelles et d’une dureté excessive. Le martempering réduit l’écart de température entre la surface et le cœur avant la formation de la martensite, ce qui peut diminuer la fissuration et la déformation par rapport à une trempe directe, mais il ne supprime pas la nécessité du revenu. Le guide ASM’s 2020 Heat Treating Subject Guide précise que l’acier traité par martempering doit être revenu avant sa mise en service. La martensite non revenue, en particulier dans une couche cémentée, reste vulnérable à la fissuration lors de la rectification ou sous une charge appliquée.

Les surfaces de rupture et les coupes transversales polies doivent être examinées séparément. Les fissures de trempe suivent souvent les anciens joints de grains d’austénite ou se propagent vers l’intérieur à partir des angles, des rainures de clavette et des variations brusques de section. Les fissures de rectification sont généralement superficielles et orientées dans le sens de la rectification. Le contrôle par ressuage peut localiser les fissures débouchant en surface, tandis que la métallographie montre si une fissure contient de l’oxyde, une décarburation ou de la martensite fraîche sur ses bords.

Les zones tendres peuvent résulter d’une mauvaise agitation, de l’écran formé par les montages, d’une circulation insuffisante du bain, d’une décarburation ou d’une trempabilité insuffisante pour la taille de la section. La déformation peut être liée à un chauffage irrégulier, à une cémentation asymétrique, à un refroidissement non uniforme ou à une transformation retardée entre les régions minces et épaisses. L’étude SAE de 2013 portant sur les aciers cémentés AISI 8620, AISI 8822 et AISI 4320 a utilisé des températures d’austempering de 260, 288 et 304 °C et a constaté une déformation nettement moindre que dans les éprouvettes cémentées, trempées et revenues ; ces résultats n’excluent pas les déformations liées à la géométrie ou aux conditions de chargement.

Les microstructures mixtes nécessitent un diagnostic spatial. Il faut comparer, lorsque cela s’applique, le bord, le rayon intermédiaire, le centre, le pied de dent et le sommet de dent. Chaque micrographie doit être corrélée au profil de dureté et à l’enregistrement temps-température. Ce n’est qu’après avoir vérifié le temps de transfert, la température du bain, l’agitation, le chargement, l’austénitisation et le revenu que la composition chimique, la trempabilité ou une confusion de matériau doivent devenir les explications principales.

## Comparaison de l’austrempe, de la martrempe et de la trempe et du revenu conventionnels

Les trois procédés peuvent produire des propriétés sensiblement différentes, même lorsqu’ils commencent avec le même acier austénitisé. Leurs noms décrivent des cycles de transformation, et pas simplement le liquide utilisé pour la trempe. L’huile, les sels fondus à base de nitrates et de nitrites, ainsi que d’autres milieux, peuvent intervenir dans plusieurs cycles ; les variables déterminantes sont le parcours de température, le temps passé à chaque température et la transformation que l’on autorise à se produire.

### Parcours de transformation et microstructure finale

Dans la trempe et le revenu conventionnels, l’acier austénitisé est refroidi suffisamment rapidement pour éviter la majeure partie de la formation de perlite et de bainite. L’austénite franchit la température de début de formation de la martensite, Ms, et se transforme progressivement en martensite au fur et à mesure du refroidissement. La martensite ainsi obtenue est dure, mais fortement contrainte ; un revenu est donc réalisé avant la mise en service. Le revenu provoque la précipitation de composés contenant du carbone, réduit les contraintes internes et modifie l’équilibre entre dureté, résistance mécanique, ténacité et stabilité dimensionnelle.

La martrempe modifie le moment où cette séquence se déroule, plutôt que son produit principal. La pièce est trempée depuis la température d’austénitisation dans de l’huile ou dans un bain de sels fondus maintenu juste au-dessus de Ms. Elle y reste juste assez longtemps pour que la surface et le cœur atteignent une température similaire. La pièce est ensuite refroidie, généralement à l’air, dans la plage de formation de la martensite. La martensite se forme donc après que la majeure partie de la section s’est thermiquement homogénéisée, et non tandis qu’un fort gradient de température entre la surface et le cœur est encore présent. La martrempe ne supprime pas la nécessité d’un revenu. Le *Heat Treating Subject Guide* (2020) d’ASM International indique que l’acier martrempé doit ensuite être revenu avant sa mise en service.

L’austrempe suit un parcours de transformation différent. L’acier austénitisé est trempé dans un bain maintenu dans la plage de transformation bainitique, puis maintenu jusqu’à ce que la fraction requise d’austénite se transforme en bainite. Une étude de 2013 consacrée à l’AISI 52100 décrit une plage d’austrempe d’environ 200 à 400 °C, la durée de maintien étant prolongée jusqu’à la formation de bainite. Selon la teneur en carbone, les éléments d’alliage, la température et la durée de maintien, le produit peut être constitué de bainite supérieure, de bainite inférieure ou d’un mélange contenant de la martensite et de l’austénite retenue. Le procédé n’est pas simplement une « martrempe avec un maintien plus long ». Une étude publiée en 2024 dans *ACS Omega* distingue explicitement l’austrempe, qui maintient la pièce jusqu’à la transformation bainitique, de la martrempe, qui homogénéise brièvement la température au-dessus de Ms avant un refroidissement à l’air.

L’acier austrempé peut encore nécessiter un traitement ultérieur ou une étape de stabilisation, mais il ne fait pas automatiquement l’objet du même revenu que celui appliqué à un acier trempé entièrement martensitique. Le cycle requis dépend de la microstructure spécifiée et des conditions de service. Une austrempe de courte durée à basse température peut produire de la nanobainite aux côtés de la martensite et de l’austénite retenue. Dans une étude de 2020 portant sur un acier faiblement allié à teneur moyenne en carbone, cette structure a produit des coefficients d’usure jusqu’à 50 % inférieurs à ceux mesurés pour un acier martensitique trempé. Ce résultat démontre un avantage propre au procédé dans le cadre de cet essai ; il n’établit pas un classement universel de la résistance à l’usure.

### Objectifs en matière de déformations et de fissuration

La trempe conventionnelle expose la pièce à deux grandes sources de variation dimensionnelle : la contraction thermique et la déformation de transformation. La surface refroidit et se transforme avant le cœur ; la section est donc soumise à des contraintes variables tandis que la température et la fraction de phase évoluent à travers son épaisseur. Les formes complexes, les angles vifs, les trous, les transitions entre faibles et fortes épaisseurs ainsi que les couches cémentées sont particulièrement sensibles. Si les contraintes dépassent la résistance locale du matériau chaud ou en cours de transformation, des fissures peuvent apparaître.

La martrempe traite la composante liée au gradient thermique en maintenant l’acier à une température proche de Ms, mais supérieure à celle-ci, avant le début de la formation de la martensite. La surface et le cœur se transforment alors dans une plage de températures plus similaire. Un article de 1946 consacré à la plage de température de formation de la martensite décrivait ce principe comme une trempe jusqu’à une température juste supérieure à la plage martensitique, suivie d’un refroidissement lent, ce qui réduisait la fissuration tout en sacrifiant peu de dureté. Le procédé réduit les déformations ; il ne garantit pas le contrôle dimensionnel, car la transformation martensitique entraîne toujours une variation de volume et des contraintes résiduelles.

L’austrempe peut réduire les déformations pour une raison différente. Une grande partie de la transformation se produit de manière isotherme sous forme de bainite, plutôt que par l’avancée d’un front martensitique lors d’un refroidissement continu. La bainite possède elle aussi sa propre déformation de transformation, et l’austénite retenue peut se transformer ultérieurement pendant l’usinage ou en service. Par conséquent, l’austrempe peut réduire une catégorie de déformations tout en introduisant d’autres problèmes de stabilité dimensionnelle si la transformation est incomplète ou mal maîtrisée. \[5\] \[5\] [**Austempering Process for Carburized Low-Alloy Steels**](https://saemobilus.sae.org/papers/austempering-process-carburized-low-alloy-steels-2013-01-0949). SAE International. SAE Technical Paper 2013-01-0949, 2013.

Les résultats obtenus sur des aciers faiblement alliés cémentés illustrent l’influence de la géométrie et du matériau. L’article SAE 2013-01-0949 a étudié des aciers AISI 8620, AISI 8822 et AISI 4320 cémentés, en utilisant des températures d’austrempe de 260, 288 et 304 °C. Dans ces expériences, les éprouvettes cémentées puis austrempées ont présenté nettement moins de déformations que les éprouvettes cémentées, trempées puis revenues. Ce résultat ne peut pas être automatiquement extrapolé à toutes les profondeurs de couche, dimensions de section ou configurations de four et de bain. La trempabilité détermine si le centre atteint la plage de transformation visée avant la formation de perlite, tandis que l’agitation, la température du bain, le chargement et le temps de transfert influencent le cycle thermique réel.

### Quand la comparaison n’est pas techniquement équitable

Affirmer que l’austrempe produit davantage de dureté, de ténacité, de résistance à l’usure ou de stabilité dimensionnelle que la martrempe ou que la trempe et le revenu conventionnels est incomplet si la comparaison ne contrôle pas les variables qui déterminent la transformation. Les éprouvettes doivent utiliser la même nuance d’acier, issue notamment de la même coulée et présentant le même état chimique ; elles doivent avoir la même géométrie et la même épaisseur de section, ainsi que la même température d’austénitisation, la même durée de maintien, la même atmosphère et la même microstructure initiale. L’état de surface, la rugosité, la décarburation et la couche cémentée doivent également être comparables.

Les critères d’acceptation doivent aussi correspondre à la fonction prévue. Comparer uniquement la dureté Rockwell peut favoriser une structure martensitique tout en négligeant la sensibilité à la fissuration, l’instabilité de l’austénite retenue, la ténacité aux chocs ou les déformations. Un essai d’usure réalisé avec une seule charge, un seul antagoniste et une seule condition de lubrification ne peut pas classer les structures pour toutes les applications de contact. Les mesures dimensionnelles doivent préciser le moment où elles ont été effectuées, car l’austénite retenue peut se transformer après la trempe, l’austrempe, l’usinage ou la mise en service.

La spécification est également importante. La norme SAE AMS-H-6875C (2020) couvre les exigences de traitement thermique applicables à quatre classes d’aciers et autorise l’austrempe, la trempe en bain intermédiaire et la martrempe lorsque la procédure est spécifiée. La vérification doit donc inclure le profil de dureté requis, la microstructure, la profondeur de couche le cas échéant, les limites de déformation et la preuve de l’absence de fissures et de décarburation inacceptable. Le *ASM Handbook*, volume 4A (2013), identifie la température d’austénitisation, la température du bain, la durée de maintien, l’agitation et la vitesse de refroidissement comme des variables de contrôle de la martrempe. La modification de l’une quelconque de ces variables peut invalider une comparaison directe des procédés.

| Trempe et revenu conventionnels | Martrempe | Austrempe |
|---|---|---|
| Refroidit à travers Ms sans maintien d’homogénéisation, forme directement de la martensite, puis la revient. | Interrompt le refroidissement juste au-dessus de Ms afin que la section s’homogénéise avant une transformation martensitique contrôlée, puis nécessite un revenu. | Trempe dans la plage bainitique et maintien jusqu’à la transformation de l’austénite en bainite, le cycle final étant déterminé par la structure bainitique visée. |

## Liste de contrôle pratique et glossaire terminologique

### Questions à se poser avant de définir un cycle

Commencez par la microstructure requise, et non par le nom du bain. L’austempérage et le martempérage peuvent tous deux utiliser du sel fondu ou de l’huile, mais leurs trajectoires de transformation et leurs produits diffèrent. L’austempérage est spécifié lorsque la structure recherchée est la bainite. Le martempérage est spécifié lorsque la pièce doit former de la martensite après une interruption permettant l’égalisation de la température, suivie d’un revenu.

Identifiez exactement la désignation de l’acier telle qu’elle est fournie : par exemple, AISI 52100, AISI 8620, AISI 8822, AISI 4320, ou la désignation SAE, ASTM, EN ou AMS applicable. La composition chimique détermine la trempabilité, la dissolution des carbures, la cinétique de formation de la bainite, la température de début de formation de la martensite et l’austénite résiduelle. Un cycle démontré sur l’AISI 52100 ne peut pas être transféré automatiquement à l’AISI 8620 cémenté.

Consignez les dimensions et la forme de la section, notamment les variations d’épaisseur, les trous, les rainures de clavette, les angles vifs et la masse de la charge. Un anneau mince et une dent d’engrenage épaisse ne refroidissent pas à la même vitesse, même lorsqu’ils sont placés dans le même bain. Demandez si le matériau est cémenté ou non cémenté. Pour les pièces cémentées, spécifiez la profondeur de cémentation, la teneur superficielle cible en carbone, la composition du cœur et indiquez si la structure de bainite ou de martensite recherchée concerne la couche cémentée, le cœur ou les deux.

La température d’austénitisation doit être sélectionnée en fonction de la nuance et de l’état du matériau. Elle doit permettre la formation requise d’austénite sans croissance excessive des grains, dissolution indésirable des carbures ou formation anormale d’austénite résiduelle. La spécification doit également indiquer l’atmosphère du four, la vitesse de chauffage lorsque la déformation est importante, le temps de maintien, la disposition de la charge et préciser si la température désigne la consigne du four, la température de la pièce ou une température effective mesurée.

Définissez le temps de transfert du four vers le bain de trempe. Un transfert long ou variable peut permettre un refroidissement superficiel, la formation de ferrite ou de perlite dans un acier faiblement trempant, ou l’apparition de conditions thermiques inégales au sein d’une charge. Indiquez la composition et la température de fonctionnement du bain, plutôt que d’écrire seulement « trempe en bain de sel ». Un sel de nitrates-nitrites, une huile ou un autre milieu présente un comportement de transfert thermique et des limites de fonctionnement sûres qui lui sont propres. L’agitation, la circulation, le chargement du bain et le rétablissement de sa température doivent également figurer dans le cycle.

Pour l’austempérage, déterminez la plage de transformation bainitique ainsi que le temps nécessaire pour que la section sélectionnée atteigne une température presque uniforme et que la transformation recherchée s’achève. Pour le martempérage, établissez la température de début de formation de la martensite, ou **Ms**, et fixez l’interruption au-dessus de cette température. Le maintien égalise la température ; il n’a pas pour objectif de produire de la bainite. La vitesse de refroidissement ultérieure doit permettre la formation de martensite sans gradients thermiques excessifs. Demandez si un revenu séparé est obligatoire et spécifiez sa température, sa durée, son atmosphère et le nombre de cycles.

Enfin, définissez les éléments de preuve requis pour l’acceptation avant le début du traitement. La dureté seule ne peut pas prouver que l’austempérage a produit de la bainite ou que le martempérage a produit la structure martensitique recherchée. Exigez une analyse métallographique, un contrôle dimensionnel et une mesure de l’austénite résiduelle lorsque la nuance, la teneur en carbone, la couche cémentée ou les exigences de service rendent l’austénite résiduelle importante.

### Termes essentiels : Ms, bainite, martensite, austempérage, martempérage

**Ms**, ou température de début de formation de la martensite, est la température à laquelle la martensite commence à se former pendant le refroidissement dans les conditions considérées. Il ne s’agit pas d’une constante universelle de l’« acier » ; la teneur en éléments d’alliage, la teneur en carbone de l’austénite, le traitement thermique antérieur et l’état de contrainte l’influencent. Le martempérage interrompt le refroidissement juste au-dessus de Ms afin que les différences de température au sein de la pièce puissent diminuer avant le début de la transformation martensitique.

La **martensite** est un produit sans diffusion qui se forme lorsque l’austénite refroidit suffisamment rapidement pour supprimer la formation des produits diffusifs. Sa morphologie en lattes ou en plaques et sa dureté élevée résultent d’une transformation displacive et d’une sursaturation en carbone. La martensite est généralement suivie d’un revenu, car les contraintes à l’état trempé, la fragilité et l’instabilité dimensionnelle peuvent être inacceptables en service.

La **bainite** se forme à partir de l’austénite dans un intervalle de températures situé au-dessous de la plage de la perlite et au-dessus de la plage martensitique inférieure, bien que l’intervalle exact de transformation dépende de la composition et de l’état antérieur de l’austénite. Elle contient des régions ferritiques avec précipitation de carbures ou enrichissement en carbone, et sa morphologie varie avec la température de transformation. Une pièce austemperée peut également contenir de la martensite ou de l’austénite résiduelle si le maintien est trop court, si la température du bain est inadaptée ou si la cinétique de transformation n’est pas complètement établie.

L’**austempérage** consiste à tremper un acier austénitisé jusqu’à une température à laquelle se forme la bainite, à le maintenir jusqu’à l’obtention de la transformation austénite-bainite spécifiée, puis à le refroidir jusqu’à la température ambiante. Une étude de 2013 consacrée à l’AISI 52100 décrivait un milieu d’austempérage maintenu approximativement entre 200 et 400 °C, avec un maintien jusqu’à la formation de bainite. Pour des aciers AISI 8620, AISI 8822 et AISI 4320 cémentés, des expériences ont utilisé des températures d’austempérage de 260, 288 et 304 °C et ont signalé moins de déformation que le traitement conventionnel par cémentation, trempe et revenu dans les conditions étudiées. Ces valeurs sont des données de procédé et non des réglages universels.

Le **martempérage** est une trempe interrompue. L’ASM Handbook Volume 4A (2013) identifie la température d’austénitisation, la température du bain, le temps de maintien, l’agitation et la vitesse de refroidissement comme des variables de contrôle. La pièce est maintenue brièvement dans l’huile ou le sel, juste au-dessus de Ms, jusqu’à l’égalisation de sa température, puis refroidie à travers la plage martensitique. Le résultat recherché est la martensite, et non la bainite ; la pièce doit ensuite être revenue avant sa mise en service. Un traitement de 1946 consacré à la formation de la martensite a établi le principe de réduction de la fissuration : diminuer les gradients de température avant la transformation, tout en sacrifiant le moins possible de la dureté réalisable.

Les noms décrivent donc l’objectif de transformation. Un bain de sel ne suffit pas à faire d’un cycle un austempérage, et un maintien court ne suffit pas à en faire un martempérage. C’est la microstructure observée qui détermine si le procédé visé a effectivement eu lieu. La norme SAE AMS-H-6875C (2020) couvre quatre classes d’aciers et autorise l’austempérage, la trempe ausbay et le martempérage lorsqu’ils sont spécifiés ; les exigences applicables au matériau et au produit restent déterminantes.

### Enregistrements minimaux pour un traitement thermique reproductible

#### Enregistrements minimaux du procédé

- **Matériau** Désignation de l’acier, numéro de coulée ou de lot, dimensions de la section et état cémenté.
- **Chauffage** Température d’austénitisation, atmosphère, durée de chauffage et durée de maintien.
- **Transfert et bain** Temps de transfert, composition du bain, température, agitation, chargement et rétablissement de la température.
- **Transformation** Critère et durée d’égalisation ou de maintien bainitique.
- **Refroidissement et revenu** Méthode de refroidissement final, température de revenu, durée, atmosphère et cycles.
- **Vérification** Dureté, métallographie, évaluation de l’austénite retenue et contrôle dimensionnel.

Un enregistrement reproductible relie le matériau, le parcours thermique, l’état du bain et les résultats des contrôles. Au minimum, consignez :

- la désignation de l’acier, le numéro de coulée ou de lot, les dimensions de la section, la géométrie de la pièce, la masse de la charge et l’état cémenté ou non cémenté ;
- la profondeur de cémentation ainsi que les informations relatives au carbone superficiel ou au carbone du cœur lorsqu’une cémentation est utilisée ;
- la température d’austénitisation, l’atmosphère du four, les temps de chauffage et de maintien, ainsi que la température mesurée de la charge ;
- le temps de transfert du four vers le bain, la composition du bain, sa température, l’agitation ou la circulation, l’espacement des pièces et le rétablissement de la température du bain ;
- pour l’austempérage, le temps d’égalisation, la température et la durée du maintien de transformation, ainsi que les éléments démontrant que la réaction bainitique a atteint l’état spécifié ;
- pour le martempérage, la valeur de Ms lorsqu’elle est établie, la température du bain au-dessus de Ms, le maintien d’égalisation, le mode et la vitesse de refroidissement final, ainsi que le moment à partir duquel la transformation martensitique a été autorisée à se poursuivre ;
- la température de revenu, la durée, l’atmosphère, le mode de refroidissement et le nombre de cycles de revenu ;
- l’emplacement de la mesure de dureté, la méthode d’essai, l’échelle et les résultats ; la préparation métallographique et des images représentatives ; la méthode de mesure de l’austénite résiduelle et son pourcentage lorsqu’ils sont pertinents ; ainsi que les mesures dimensionnelles avant et après traitement.

Un enregistrement de cycle doit mentionner l’étalonnage des instruments et les relevés réels de température, et pas seulement les consignes nominales. La microstructure doit être contrôlée en surface, au cœur et dans la zone de transition lorsqu’une couche cémentée est présente. Le contrôle dimensionnel doit inclure les caractéristiques les plus susceptibles de se déplacer : diamètre extérieur, alésage, forme des dents, planéité, faux-rond et déformation au niveau des variations de section.

**Référence rapide :** spécifiez la désignation de l’acier ; les dimensions de la section ; l’état cémenté ou non cémenté ; la température d’austénitisation ; le temps de transfert ; la composition et la température du bain ; l’agitation ; le maintien d’égalisation ou de transformation ; le refroidissement final ; le revenu ; la dureté ; l’analyse métallographique ; l’évaluation de l’austénite résiduelle lorsqu’elle est pertinente ; et le contrôle dimensionnel. Vérifiez ensuite la structure. La bainite confirme l’objectif d’austempérage ; la martensite formée après égalisation et suivie d’un revenu confirme l’objectif de martempérage.

## Références

1. \[1\] ASM International. [ASM Handbook Volume 4A: Martempering of Steels](https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/18/chapter-abstract/278992/Martempering-of-Steels-1). ASM Handbook, 2013. [](/fr/wiki/traitement-thermique/austrempe-et-martrempe-de-l-acier#wiki-cite-ref-1) https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/18/chapter-abstract/278992/Martempering-of-Steels-1
2. \[2\] The Temperature Range of Martensite Formation. Study on martensite formation, 1946. [](/fr/wiki/traitement-thermique/austrempe-et-martrempe-de-l-acier#wiki-cite-ref-2) Source details supplied in the article; no URL provided
3. \[3\] [Short-term low-temperature austempering in medium-carbon low-alloy steel](https://doi.org/10.1007/s12540-020-00957-6). Metal and Materials International, 2020. [](/fr/wiki/traitement-thermique/austrempe-et-martrempe-de-l-acier#wiki-cite-ref-3) https://doi.org/10.1007/s12540-020-00957-6
4. \[4\] SAE International. [Heat Treatment of Steel Raw Materials](https://www.normsplash.com/Samples/SAE/165267379/SAE-AMSH-6875C-2020-en.pdf). SAE AMS-H-6875C, 2020. [](/fr/wiki/traitement-thermique/austrempe-et-martrempe-de-l-acier#wiki-cite-ref-4) https://www.normsplash.com/Samples/SAE/165267379/SAE-AMSH-6875C-2020-en.pdf
5. \[5\] SAE International. [Austempering Process for Carburized Low-Alloy Steels](https://saemobilus.sae.org/papers/austempering-process-carburized-low-alloy-steels-2013-01-0949). SAE Technical Paper 2013-01-0949, 2013. [](/fr/wiki/traitement-thermique/austrempe-et-martrempe-de-l-acier#wiki-cite-ref-5) https://saemobilus.sae.org/papers/austempering-process-carburized-low-alloy-steels-2013-01-0949

 **En bref**

Produit d’austrempe

Bainite

Produit de martrempe

Martensite après refroidissement contrôlé

Maintien d’austrempe

Température de transformation bainitique

Maintien de martrempe

Juste au-dessus de Ms

Revenu post-traitement

Requis pour l’acier soumis à la martrempe

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