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Traitement thermique

# Décarburation de l’acier : causes, mesure et contrôle

Découvrez comment se forme la décarburation de l’acier, comment la mesurer et comment la maîtriser.

![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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- [Ce qu’est la décarburation de l’acier — et ce qu’elle n’est pas](/fr/wiki/traitement-thermique/d%C3%A9carburation-de-l-acier-causes-mesure-et-contr%C3%B4le#ce-qu-est-la-décarburation-de-l-acier-et-ce-qu-elle-n-est-pas "Ce qu’est la décarburation de l’acier — et ce qu’elle n’est pas")
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## Ce qu’est la décarburation de l’acier — et ce qu’elle n’est pas

### Définition de la décarburation et de la zone décarburée

La décarburation de l’acier est la perte, au voisinage de la surface, de carbone ou de phases riches en carbone d’un produit en acier pendant le chauffage, la transformation ou le service. La région affectée est la **zone décarburée** : une couche située sous la surface initiale ou finie, dans laquelle la teneur en carbone, la fraction de phases contenant du carbone, ou les deux, sont inférieures à celles du cœur non affecté. Le *Damage and Failure Modes of Structural Steel Components* du NIST décrit cette zone comme une perte, au voisinage de la surface, de carbone et de phases riches en carbone lorsque le carbone superficiel réagit avec l’oxygène pour former du monoxyde de carbone gazeux (CO) ou du dioxyde de carbone (CO₂).

La décarburation résulte du couplage d’une réaction de surface et de la diffusion du carbone à l’état solide, plutôt que de l’oxydation seule. Strong evidence

La situation habituelle est celle d’un traitement thermique, d’un forgeage, d’un laminage, d’un frittage ou d’une autre opération à haute température au cours de laquelle la surface de l’acier est en contact avec un gaz capable d’éliminer le carbone. Les gaz de four contenant de l’oxygène sont des causes courantes, mais la réaction est déterminée par davantage que la seule présence d’oxygène. Le carbone doit diffuser de l’intérieur vers la surface, les réactions superficielles doivent se dérouler à une vitesse suffisante, et l’atmosphère du four doit présenter une activité effective du carbone inférieure à celle de l’acier. Si l’atmosphère possède un potentiel carbone supérieur à celui de la surface de l’acier, le carbone peut au contraire pénétrer dans l’acier. La surface agit donc comme une interface réactionnelle couplée à la diffusion à l’état solide.

Le chapitre *Steel Decarburization—Mechanisms, Models, Prevention, Correction, and Effects on Component Life* de l’ASM décrit la diffusion du carbone à travers le fer austénitique vers la surface comme un élément central du processus. À température élevée, le carbone se déplace dans le réseau de l’austénite tandis que les réactions à la surface consomment du carbone. Le gradient de concentration qui en résulte peut s’étendre au-delà de la surface visiblement altérée. Une couche de calamine sombre, à elle seule, ne permet pas de déterminer la profondeur de la perte de carbone.

La décarburation partielle et la décarburation totale décrivent des états métallurgiques plutôt que des catégories universelles de profondeur.
| Condition | Signification | Indication structurale typique |
|---|---|---|
| Décarburation partielle | La teneur en carbone ou en phase riche en carbone est réduite, mais celle-ci demeure présente | Réduction de la perlite, de la teneur en carbures ou de la fraction de phase modifiée |
| Décarburation totale | Le constituant riche en carbone attendu a été éliminé de la couche concernée | Structure superficielle pauvre en carbone ou entièrement ferritique |

Les métallurgistes distinguent généralement la **décarburation partielle** de la **décarburation totale**. La décarburation partielle signifie qu’une certaine quantité de carbone subsiste dans la couche affectée, bien que sa concentration ou sa teneur en phases riches en carbone soit inférieure à celle de l’acier non affecté. La décarburation totale signifie que le constituant riche en carbone attendu compte tenu de la composition de l’acier et de son état de traitement thermique a été éliminé de la couche considérée, laissant une structure pauvre en carbone. Il s’agit de conditions métallurgiques, et non de catégories universelles de profondeur. La norme ISO 3887:2023, *Steels — Determination of the depth of decarburization*, spécifie trois méthodes de détermination de la profondeur de décarburation des produits en acier, mais la signification d’une profondeur mesurée dépend toujours du critère et de la méthode spécifiés.

La transition entre le matériau décarburé et le matériau non affecté peut être nette, progressive ou irrégulière. Un acier hypoeutectoïde peut présenter une couche superficielle ferritique dans laquelle la perlite a été réduite ou éliminée. Un acier à plus forte teneur en carbone peut présenter une teneur réduite en carbures, une perlite modifiée ou une couche entièrement ferritique près de la surface. Les éléments d’alliage influencent également l’activité du carbone, la diffusion, la stabilité des phases et l’aspect de la zone transformée. Pour cette raison, la « profondeur de décarburation » ne correspond pas toujours à une limite unique et évidente, visible à faible grossissement.

### Décarburation et distinction avec l’oxydation, la calamine, la carburation et l’appauvrissement en carbone dû à la transformation

#### Conditions de surface connexes

Oxydation

Réaction des constituants de l’acier avec l’oxygène, la vapeur d’eau ou le dioxyde de carbone.

Calaminage

Formation et élimination de produits à base d’oxydes de fer à la surface.

Cémentation

Entrée nette de carbone dans la surface de l’acier.

Décarburation

Perte de carbone ou de phases riches en carbone près de la surface.

La décarburation et l’oxydation se produisent souvent simultanément, mais ce ne sont pas des synonymes. **L’oxydation** est la réaction des constituants de l’acier avec des espèces oxydantes telles que l’oxygène, la vapeur d’eau ou le dioxyde de carbone. L’oxydation du fer peut produire un film d’oxyde ou de la calamine, tandis que l’oxydation du carbone peut produire du CO ou du CO₂ et réduire la teneur en carbone sous la surface. Une atmosphère de four peut donc oxyder la surface sans produire de zone décarburée significative en pratique, ou provoquer les deux effets simultanément.

La **formation de calamine** désigne principalement la formation et l’élimination de produits d’oxydation adhérents ou non adhérents à la surface de l’acier. Selon la température et les conditions gazeuses, la calamine peut contenir des oxydes de fer tels que la wüstite, la magnétite et l’hématite. Une couche épaisse de calamine ne permet pas d’établir la profondeur de la perte de carbone. Inversement, une décarburation peut se produire sous une atmosphère ou un revêtement produisant peu de calamine visible. L’ouvrage *Atmosphere Control for the Protection of Metals During Production Processes* de Cambridge établit spécifiquement un lien entre l’exposition directe à des atmosphères de combustion en excès d’oxygène et l’oxydation, la formation de calamine et la décarburation, tout en considérant ces phénomènes comme des effets liés mais distincts.

Activité du carbone **Activité du carbone** Mesure thermodynamique du potentiel chimique du carbone par rapport à un état de référence défini ; elle dépend de la concentration, de la température, de la phase et des éléments d’alliage.

La force motrice chimique s’exprime plus précisément par l’**activité du carbone** ou le potentiel carbone du four que par une simple désignation telle qu’« atmosphère oxydante ». Lors du traitement thermique de l’acier, le potentiel carbone est déterminé par la différence d’activité du carbone entre l’acier et son environnement, ainsi que par la cinétique des réactions superficielles. L’ouvrage *Furnace Atmosphere Controls in Heat Treating* de l’ASM identifie la concentration de vapeur d’eau, la concentration de dioxyde de carbone et la pression partielle d’oxygène comme des variables du four utilisées pour contrôler le potentiel carbone et prévenir la perte de carbone. Le supplément 2020 *2704CP Handbook* d’Eurotherm décrit l’estimation courante du potentiel carbone du four à partir d’une mesure de l’oxygène au moyen d’une sonde en zircone, combinée à la température du four et à la teneur en monoxyde de carbone, ou à partir de la mesure du point de rosée.

#### Limite de procédé

La recommandation de moins de 5 % d’hydrogène s’applique uniquement aux conditions de frittage sous azote/hydrogène citées. Ne pas l’utiliser comme limite générale de four sans vérifier la température, le point de rosée, la composition de l’acier, la géométrie, le débit de gaz et le temps de séjour.

La **carburation** est la condition opposée de transfert net de carbone : le carbone pénètre dans la surface de l’acier et augmente son activité ou sa concentration. Une atmosphère de four peut carburer une nuance d’acier et en décarburer une autre si leurs teneurs initiales en carbone ou leurs états de surface diffèrent. Même au sein d’une même charge, l’écoulement local des gaz, la température, le point de rosée, la suie, les fuites et l’espacement entre les pièces peuvent produire des résultats différents. Le guide *Sintering of Steels* de Linde, publié en 2023, indique que la vapeur d’eau présente dans les atmosphères d’azote et d’hydrogène provoque une décarburation et rapporte, dans les conditions de frittage citées, qu’une teneur en hydrogène inférieure à 5 % limitait les vitesses de carburation et de décarburation. Cette valeur ne constitue pas une règle universelle applicable aux fours ; la composition des gaz, la température, la géométrie de la poudre ou de l’acier massif et le temps de séjour restent déterminants.

Le carbone peut également être éliminé par une **transformation sans que le mécanisme classique de décarburation au four soit en jeu**. L’enlèvement mécanique, les brûlures de meulage, l’usinage, le décapage, les pertes à la fusion, la ségrégation ou la dissolution des carbures au cours d’un cycle thermique inadapté peuvent modifier la structure contenant le carbone ou la teneur en carbone mesurée près d’une surface. Le carbone peut se redistribuer lors d’un soudage ou d’une fabrication additive, et une couche décarburée peut être éliminée par usinage après le traitement thermique. Ces conditions ne doivent pas être automatiquement qualifiées de décarburation. Le terme est le plus justifié lorsqu’un déficit de carbone au voisinage de la surface est lié à un transfert de carbone, à une réaction ou à une perte sélective au cours du processus examiné.

Dans l’étude citée sur un acier à ressorts, l’épaisseur de ferrite décarburée a présenté une réponse non monotone à la température entre 700 et 1000 °C. Strong evidence

La température seule ne permet pas de prévoir la profondeur finale. Une étude publiée en 2021 dans le *Journal of Materials Research and Technology*, consacrée à un acier à ressort Fe-0.6C-1.8Si-0.8Mn testé entre 700 et 1000 °C, a montré que l’épaisseur de ferrite décarburée augmentait jusqu’à environ 800–825 °C, puis diminuait. Une température plus élevée accélère la diffusion du carbone, mais elle peut également modifier la formation des oxydes, les réactions gazeuses, la constitution des phases et la durée de la transformation considérée. Le maximum observé résulte donc d’effets couplés de diffusion et d’oxydation, et non d’une loi monotone dépendant uniquement de la température.

### Pourquoi la perte de carbone en surface est importante pour les performances de l’acier

Le carbone contrôle la fraction et la morphologie de la ferrite, de la perlite, de la bainite, de la martensite et des carbures qui se forment lors du refroidissement. L’élimination du carbone à la surface peut produire une couche plus tendre sur un acier dont le cœur était conçu pour durcir. Dans un composant trempé, la surface peut ne pas atteindre la dureté prévue, même si l’intérieur respecte la spécification. Dans un ressort, un engrenage, un roulement, un arbre ou une fixation, cette différence modifie le transfert des charges et la déformation locale.

La pénalité mécanique est souvent la plus importante à la surface, car c’est là que se concentrent les contraintes de contact, les contraintes de flexion, le frottement et l’amorçage des fissures. Une couche décarburée ferritique peut réduire la résistance à l’usure et la durée de vie en fatigue de contact. Sous flexion cyclique, la couche moins résistante peut commencer à plastifier ou à développer des glissements avant le cœur. Un gradient de carbone en surface peut également modifier le développement des contraintes résiduelles lors de la trempe, tandis que les oxydes et une calamine rugueuse fournissent des entailles ou des sites supplémentaires d’amorçage des fissures. L’ASM relie ces effets à la durée de vie des composants, à la prévention, à la correction et à la modélisation, plutôt que de considérer la décarburation comme un défaut purement esthétique.

Différentes méthodes peuvent donner des profondeurs de décarburation différentes sur la même coupe transversale.
| Méthode | Observation principale | Limitation principale |
|---|---|---|
| Métallographie | Fraction de phase, morphologie et transition visible | La limite peut être progressive ou dépendre de l’attaque |
| Dureté par microindentation | Réponse mécanique de la surface jusqu’au cœur | La dureté dépend également de la phase, de la taille des grains, des contraintes et de l’alliage |
| Analyse chimique | Concentration ou gradient de carbone | La résolution spatiale dépend du volume d’échantillonnage et de l’épaisseur de la couche |
| Dépistage | Indication rapide d’une zone suspecte | Peut ne pas permettre de prendre des décisions d’acceptation strictes |

La mesure doit correspondre à l’affirmation formulée. La norme ASTM E1077-14(2021), *Standard Test Methods for Estimating the Depth of Decarburization of Steel Specimens*, couvre les procédures de présélection, d’examen microscopique, de mesure de la microdureté par indentation et d’analyse chimique. Pour les litiges, sa méthode de référence repose sur une analyse quantitative rigoureuse ou une analyse linéaire. La norme SAE J419\_201801, *Methods of Measuring Decarburization*, fournit également des pratiques recommandées d’examen microscopique, de mesure de la dureté et d’analyse chimique pour les matériaux ferreux. La norme ISO 3887:2023 spécifie trois méthodes de mesure, ce qui confirme qu’une profondeur rapportée dépend de la méthode utilisée.

Profil de dureté **Profil de dureté** Suite de mesures de dureté prises à des distances contrôlées depuis une surface vers l’intérieur non affecté.

Un profil de dureté peut identifier la profondeur pratique à laquelle la résistance a retrouvé son niveau initial, tandis que la microscopie peut mettre en évidence la disparition de la perlite ou des constituants riches en carbures. L’analyse chimique peut détecter un gradient de carbone qu’aucune de ces deux méthodes ne permet de caractériser clairement. Ainsi, deux laboratoires peuvent rendre compte de « profondeurs de décarburation » différentes à partir de la même coupe transversale, sans que l’une ou l’autre des mesures ait été réalisée avec négligence. Le résultat doit préciser la méthode, le critère, l’orientation, le lieu de prélèvement et l’état de l’acier. La décarburation est d’abord un problème métallurgique de perte de carbone ; la couleur de la calamine n’est qu’un indice possible.

## La force motrice thermodynamique : l’activité du carbone à la surface

![Décarburation de l’acier : causes, mesure et contrôle](/images/uploads/e1e8e74f-8138-40ba-852f-c01f60539e01/wiki-inline-carbon-exchange-between-austenitic-steel-and-a-furnace-atmosphere-with-carbon-di-1920x1094.jpg)[](/images/uploads/e1e8e74f-8138-40ba-852f-c01f60539e01/wiki-inline-carbon-exchange-between-austenitic-steel-and-a-furnace-atmosphere-with-carbon-di-1920x1094.avif "Agrandir l'image — Décarburation de l’acier : causes, mesure et contrôle")Decarburization couples carbon diffusion through the steel with surface reactions controlled by furnace carbon activity.

### Échange de carbone entre l’acier et l’atmosphère du four

La décarburation commence lorsque la surface de l’acier est exposée à une atmosphère dont l’activité effective du carbone est inférieure à celle de l’acier. Le carbone se déplace alors de l’intérieur vers la surface par diffusion, tandis que des réactions de surface transforment ce carbone en espèces gazeuses qui quittent le métal. Le processus n’est donc pas simplement une « oxydation de la surface ». Il s’agit d’un échange couplé entre le carbone présent dans une solution solide ou une phase carbure et des gaz contenant du carbone.

La distinction entre **l’activité du carbone dans l’acier** et **l’activité atmosphérique du carbone** est fondamentale. L’activité du carbone, généralement notée aC, décrit le potentiel chimique du carbone par rapport à un état de référence défini. Dans l’acier, aC dépend de la concentration en carbone, de la température, de la structure cristalline et des éléments d’alliage. Une austénite contenant 0,60 % massique de C n’a pas la même activité du carbone qu’un alliage fer-carbone non allié présentant la même concentration en carbone, car le silicium, le manganèse, le chrome, le molybdène et d’autres éléments modifient le coefficient d’activité du carbone. La phase intervient également : l’activité du carbone dans l’austénite ne peut pas être transposée directement à la ferrite ou à la martensite sans tenir compte de leurs états thermodynamiques différents.

L’atmosphère du four possède une activité effective du carbone déterminée par les équilibres entre le monoxyde de carbone, le dioxyde de carbone, l’hydrogène, la vapeur d’eau, le méthane et d’autres gaz. Il ne s’agit pas d’une concentration en carbone au même sens que le pourcentage massique de carbone dans l’acier. Le « potentiel carbone atmosphérique » est une expression pratique de l’activité du carbone du gaz : il correspond à la teneur en carbone qu’atteindrait un fer ou un acier de référence s’il était exposé suffisamment longtemps pour parvenir à l’équilibre gaz-métal à une température donnée.

Lorsque la surface de l’acier et l’atmosphère sont à l’équilibre, leurs potentiels chimiques du carbone sont égaux. Si l’atmosphère présente un potentiel carbone inférieur, le carbone quitte l’acier. Si sa valeur est supérieure, le carbone pénètre dans l’acier et une carburation se produit. Si les deux valeurs sont proches, une faible variation de la composition du gaz, de la température ou de l’état de surface peut inverser le sens de l’échange.

Plusieurs réactions gazeuses entraînent le carbone hors de l’acier. L’oxygène peut réagir avec le carbone de surface selon des réactions représentées approximativement par

\\\[ \\mathrm{C + \\tfrac{1}{2}O\_2 \\rightarrow CO} \\\]

et

C+O2→CO2.

Le dioxyde de carbone et la vapeur d’eau sont également des composants oxydants importants. Leurs réactions peuvent être représentées comme suit :

C+CO2→2⁢CO

et

C+H2⁢O→CO+H2.

Les produits, en particulier CO et CO₂, peuvent ensuite participer à d’autres réactions en phase gazeuse. Une faible concentration de gaz oxydant peut malgré tout provoquer une décarburation mesurable si le gaz élimine continuellement le carbone de la surface et si l’atmosphère du four est continuellement renouvelée.

Les variables d’atmosphère doivent être interprétées conjointement plutôt que considérées comme des indicateurs interchangeables.
| Variable d’atmosphère | Rôle dans le contrôle du potentiel carbone | Mesure ou interprétation |
|---|---|---|
| Concentration en vapeur d’eau | Peut accroître la tendance à la perte de carbone | Souvent surveillée indirectement par le point de rosée |
| Concentration en dioxyde de carbone | Peut réagir avec le carbone de surface et modifier l’équilibre gazeux | Interprétée avec le CO et la température |
| Pression partielle d’oxygène | Indique la tendance oxydante et influence la formation d’oxydes | Mesurée couramment à l’aide d’une sonde en zircone |
| Teneur en monoxyde de carbone | Influence l’équilibre CO/CO₂ et le potentiel carbone | Associée à la mesure de l’oxygène par sonde et à la température |

#### Étapes de la perte de carbone

1. **Diffusion** Le carbone se déplace de l’intérieur vers la surface exposée.
2. **Réaction de surface** Les gaz contenant de l’oxygène consomment ou transfèrent le carbone à l’interface.
3. **Évacuation gazeuse** Le CO, le CO₂ ou d’autres produits quittent la surface métallique.
4. **Formation du profil** Un gradient de concentration et de microstructure se développe sous la surface.

L’approche fondée sur le potentiel carbone décrite dans *Le potentiel carbone lors du traitement thermique de l’acier* est utile, car elle sépare la force motrice thermodynamique de la vitesse de réaction. L’échange de carbone est entraîné par la différence entre l’activité du carbone dans l’acier et celle imposée par l’atmosphère. La cinétique des réactions de surface détermine la rapidité avec laquelle cette différence se manifeste. Le carbone doit d’abord atteindre la surface, y réagir, puis passer dans la phase gazeuse. Une étape lente à l’un quelconque de ces stades peut réduire la vitesse de décarburation observée sans supprimer la force motrice sous-jacente.

### Activité du carbone, potentiel d’oxygène et cinétique des réactions de surface

La pression partielle d’oxygène constitue une mesure directe du caractère oxydant de l’atmosphère, mais elle ne définit pas à elle seule le potentiel carbone. Une pression partielle d’oxygène très faible peut coexister avec un mélange gazeux qui élimine néanmoins rapidement le carbone, en particulier lorsque de la vapeur d’eau ou du dioxyde de carbone est présent et que la réaction concernée bénéficie d’une cinétique favorable à la température de traitement.

Les recommandations ASM de 2013, *Contrôle des atmosphères de four lors des traitements thermiques*, identifient la concentration en vapeur d’eau, la concentration en dioxyde de carbone et la pression partielle d’oxygène comme des variables du four utilisées pour contrôler le potentiel carbone et prévenir la décarburation. Ces variables sont liées, mais elles ne sont pas interchangeables. Le point de rosée constitue une mesure indirecte de la vapeur d’eau. Une sonde en zircone réagit principalement au potentiel d’oxygène. Aucune de ces mesures ne fournit à elle seule toutes les grandeurs nécessaires au calcul de l’activité du carbone imposée à la surface de l’acier.

Par exemple, l’équilibre de

\\\[ \\mathrm{CO\_2 + C \\rightleftharpoons 2CO} \\\]

dépend du rapport entre le monoxyde de carbone et le dioxyde de carbone ainsi que de la température. L’équilibre de

\\\[ \\mathrm{H\_2O + C \\rightleftharpoons CO + H\_2} \\\]

dépend de la vapeur d’eau, de l’hydrogène, du monoxyde de carbone et de la température. L’augmentation de pCO2 ou de pH2O, toutes les autres conditions étant maintenues constantes, accroît généralement la tendance à la décarburation. L’augmentation du rapport CO/CO₂ réduit généralement le caractère oxydant et peut accroître le potentiel carbone effectif. L’hydrogène modifie l’interprétation de la vapeur d’eau, car la grandeur pertinente est souvent le rapport pH2O/pH2, plutôt que la seule concentration en vapeur d’eau.

La surface de l’acier peut ne pas atteindre immédiatement l’activité du carbone correspondant à l’équilibre avec le gaz. Les films d’oxyde, la calamine, les oxydes des éléments d’alliage, la rugosité de surface, la vitesse du gaz et l’épaisseur de la couche limite influent tous sur le transfert des espèces réactives. Un oxyde compact peut temporairement limiter le transfert du carbone, tandis qu’une calamine fissurée ou poreuse peut exposer du métal frais et créer des sites de réaction locaux. La diffusion du carbone à travers l’austénite peut alors devenir la résistance déterminante, notamment lorsque la couche appauvrie s’épaissit. Le chapitre ASM *D ಸಂಪarburisation de l’acier — Mécanismes, modèles, prévention, correction et effets sur la durée de vie des composants* décrit cette modification de la concentration se propageant vers l’intérieur comme une diffusion du carbone à travers le fer austénitique vers une surface réactive.

Cela explique pourquoi un four peut afficher une mesure moyenne satisfaisante de la sonde alors que les pièces présentent néanmoins une décarburation locale. La composition du gaz peut varier selon la position dans le four, la géométrie de la charge, les fuites, les produits de combustion et la circulation. Une sonde mesure son propre environnement local ; elle ne mesure pas automatiquement l’atmosphère au niveau de chaque surface d’acier.

Une recette nominale, telle qu’un mélange d’azote, d’hydrogène et de monoxyde de carbone dans des proportions données, ne constitue donc pas une preuve de maîtrise du potentiel carbone. L’humidité réelle, le dioxyde de carbone, les entrées d’oxygène, la dissociation des gaz, le débit, la pression du four et l’étalonnage de la sonde doivent être connus ou maîtrisés. Les recommandations de Linde relatives au frittage, publiées en 2023, indiquent que la vapeur d’eau présente dans les atmosphères d’azote et d’hydrogène provoque une décarburation et donnent, dans les conditions de frittage citées, une indication expérimentale selon laquelle une teneur en hydrogène inférieure à 5 % limite les vitesses de carburation et de décarburation. Cette valeur ne constitue pas une règle universelle applicable aux fours. Sa signification dépend du système gazeux considéré, de la température, de l’acier, du temps de séjour et du niveau de vapeur d’eau.

L’activité du carbone varie également avec la composition de l’acier. Dans l’acier à ressort Fe-0.6C-1.8Si-0.8Mn étudié entre 700 et 1000 °C, le silicium influe sur la thermodynamique du carbone et sur le comportement à l’oxydation, tandis que le manganèse et l’évolution de l’équilibre ferrite-austénite influent sur la diffusion et la stabilité des phases. La réponse de la surface ne peut pas être prédite à partir du seul pourcentage de carbone.

### Pourquoi la composition de l’atmosphère ne peut pas être interprétée indépendamment de la température

La température intervient dans tous les aspects du bilan. Elle modifie les constantes d’équilibre des réactions gazeuses, l’activité du carbone dans l’austénite, la stabilité des oxydes, la vitesse des réactions de surface et le coefficient de diffusion du carbone. Le même rapport CO/CO₂ peut donc imposer des potentiels carbone différents à des températures de four différentes. Un mélange gazeux protecteur à une température donnée peut provoquer une décarburation à une autre.

La température modifie également le processus qui contrôle la profondeur mesurée. À température plus élevée, la diffusion du carbone à travers l’austénite devient plus rapide, mais les réactions d’oxydation et le transport gazeux peuvent évoluer simultanément. Le résultat ne correspond donc pas nécessairement à une augmentation monotone de la profondeur de décarburation. Dans une étude publiée en 2021 sur l’acier à ressort Fe-0.6C-1.8Si-0.8Mn traité entre 700 et 1000 °C, l’épaisseur de ferrite décarburée a augmenté jusqu’à environ 800–825 °C, puis a diminué. Ce maximum montre clairement qu’il est erroné de considérer la température comme une règle à variable unique. Les transformations de phase, la formation de calamine, la disponibilité de l’oxygène et la cinétique des réactions étaient couplées.

Le *Supplément au manuel 2704CP* d’Eurotherm, publié en 2020, décrit l’estimation courante du potentiel carbone du four à partir de mesures de l’oxygène effectuées au moyen d’une sonde en zircone, combinées à la température du four et à la teneur en monoxyde de carbone, ou à partir d’une mesure du point de rosée. Le terme de température est essentiel dans les deux approches. Un signal de sonde utilisé sans la température correcte, l’analyse des gaz et l’étalonnage appropriés peut produire une valeur de potentiel carbone plausible, mais erronée.

Le document de Cambridge, *Contrôle de l’atmosphère pour la protection des métaux au cours des procédés de production*, avertit également qu’une exposition directe à des atmosphères de combustion contenant un excès d’oxygène peut provoquer une oxydation, la formation de calamine et une décarburation. L’objectif pratique du contrôle n’est pas une désignation gazeuse telle que « neutre » ou « réductrice ». Il s’agit d’un équilibre de surface mesuré et spécifique à la température, qui empêche l’activité du carbone de l’acier de dépasser l’activité effective du carbone de l’atmosphère pendant une durée suffisante pour créer une zone appauvrie inacceptable.

## Diffusion, réaction et formation d’une couche décarburée

La décarburation est produite par un flux de carbone en mouvement, et non par la seule oxydation. Lors du chauffage dans la plage austénitique, le carbone dissous dans le fer migre vers une surface où l’atmosphère environnante l’élimine plus rapidement que l’acier ne peut le remplacer. Le chapitre de l’ASM Handbook intitulé *Steel Decarburization—Mechanisms, Models, Prevention, Correction, and Effects on Component Life* décrit ce processus comme l’interaction entre la diffusion du carbone à travers le fer austénitique, les réactions de surface et la chimie de l’atmosphère du four.

La surface de l’acier devient donc un puits pour le carbone. Si l’atmosphère présente une activité du carbone inférieure à celle de l’acier, le carbone s’écoule vers l’extérieur. Il peut en résulter une perte de carbone dissous, la dissolution de phases riches en carbone, la formation de ferrite à la surface, ou une combinaison de ces effets. Le NIST décrit la région affectée comme une zone de décarburation proche de la surface, dans laquelle le carbone et les phases riches en carbone ont été éliminés, généralement après que le carbone de surface a réagi avec l’oxygène pour former du monoxyde de carbone gazeux (CO) ou du dioxyde de carbone (CO₂).

Cette description explique également pourquoi une profondeur de décarburation mesurée n’est pas une constante fixe du matériau. Elle dépend de la température, de la durée, de la géométrie de la section, de l’état de phase, de la composition de l’alliage, de la composition de l’atmosphère et de la méthode utilisée pour identifier la limite.

### Diffusion du carbone dans l’austénite

Au-dessus de la température de transformation pertinente, le carbone occupe des sites interstitiels dans l’austénite, phase cubique à faces centrées du fer. Sa concentration n’est pas uniforme lorsque la surface perd du carbone. Un gradient de concentration se développe : la concentration en carbone est la plus faible près de la surface exposée et se rapproche de la composition à cœur plus profondément dans la section. Ce gradient fournit la force motrice de la diffusion.

Première loi de Fick **Première loi de Fick** Relation de diffusion indiquant que le flux est proportionnel au gradient négatif de concentration, le coefficient de diffusion définissant l’échelle du transport.

Une description simplifiée utilise la première loi de Fick :

JC=−DC⁢∂⁢CC∂⁢x

Ici, JC est le flux de carbone, DC le coefficient de diffusion du carbone dans l’austénite, CC la concentration en carbone et x la distance par rapport à la surface. Le signe négatif indique un déplacement dans le sens opposé au gradient de concentration. Le coefficient de diffusion augmente fortement avec la température, ce qui est souvent représenté par une relation d’Arrhenius :

DC=D0⁢exp⁢(−QRT)

où D0 est un facteur de fréquence, Q l’énergie d’activation, R la constante des gaz et T la température absolue.

Une distance de diffusion approximative varie comme DCt, où t est la durée d’exposition. Cela ne permet pas, à lui seul, de prédire la profondeur de décarburation mesurée, car la concentration en surface n’est pas automatiquement nulle et la réaction à la surface peut être lente. Cela montre toutefois pourquoi une exposition plus longue dans le four permet généralement à l’appauvrissement en carbone de s’étendre plus profondément, tandis qu’une température plus élevée peut accroître la profondeur affectée en accélérant le transport.

#### Facteurs qui modifient le transport du carbone

Austénite

Le carbone diffuse rapidement à travers les sites interstitiels de la phase cubique à faces centrées.

Ferrite

Des voies interstitielles différentes produisent un problème de diffusion différent.

Dimension de la section

Les produits minces peuvent développer des zones d’appauvrissement qui se chevauchent depuis des surfaces opposées.

Bords et angles

Une plus grande surface exposée et une diffusion multidirectionnelle peuvent accroître la non-uniformité.

L’état de phase modifie le problème de transport. Le carbone diffuse beaucoup plus rapidement dans l’austénite que dans la ferrite, car les sites interstitiels et les voies de diffusion diffèrent. Un traitement thermique qui franchit la transformation austénite-ferrite peut donc produire un profil reflétant le déplacement du carbone dans une phase et la transformation dans une autre. De la ferrite de surface peut se former parce que la concentration locale en carbone tombe en dessous de celle nécessaire pour stabiliser l’austénite à la température de traitement. Cette couche ferritique n’est pas simplement un produit de réaction d’oxydation ; il s’agit également d’une transformation de phase provoquée par la perte de carbone.

La dimension de la section est importante, car un produit mince peut atteindre un état appauvri à partir de ses deux faces. Dans une barre épaisse, la région centrale peut conserver une concentration en carbone proche de sa valeur initiale, tandis que les deux zones de surface se développent indépendamment. Dans une tôle mince, les champs de diffusion peuvent se chevaucher, réduisant ou supprimant un cœur entièrement carburé. Les arêtes et les angles ajoutent une autre difficulté : leur surface exposée plus importante par unité de volume et leurs chemins de diffusion bidimensionnels peuvent produire un appauvrissement plus profond ou moins uniforme que sur une large face plane.

### Réactions de surface qui éliminent le carbone

La diffusion amène le carbone jusqu’à la surface, mais une réaction de surface doit le consommer ou le transférer pour qu’une décarburation durable puisse se produire. La réaction peut faire intervenir l’oxygène, la vapeur d’eau, le dioxyde de carbone ou d’autres constituants de l’atmosphère. Parmi les réactions représentatives figurent :

Csteel+12⁢O2→CO

Csteel+O2→CO2

Csteel+H2⁢O→CO+H2

Csteel+CO2→2⁢CO

Les réactions gazeuses réelles peuvent se produire à travers des films d’oxyde et des espèces de surface adsorbées ; ces équations doivent donc être considérées comme des réactions globales plutôt que comme une séquence complète d’étapes élémentaires. L’oxygène peut d’abord produire une calamine d’oxyde de fer, tandis que le carbone présent sur ou sous cette calamine réagit avec l’environnement oxydant. L’ouvrage de Cambridge intitulé *Atmosphere control for the protection of metals during production processes* établit un lien entre les atmosphères de combustion présentant un excès d’oxygène, l’oxydation, la formation de calamine et la décarburation.

L’activité du carbone fournit une description thermodynamique plus utile que la seule concentration en oxygène. Le potentiel carbone de l’atmosphère du four est l’activité du carbone que l’atmosphère imposerait à l’acier dans des conditions données. Lorsque l’acier présente une activité du carbone supérieure à celle de l’atmosphère, la décarburation est favorisée. Lorsque l’atmosphère possède un potentiel carbone plus élevé, le carbone peut pénétrer dans l’acier et une carburation peut se produire. La littérature consacrée au potentiel carbone souligne que cet échange est contrôlé à la fois par la différence d’activité et par la cinétique des réactions de surface.

L’ouvrage de l’ASM intitulé *Furnace Atmosphere Controls in Heat Treating* identifie la concentration en vapeur d’eau, la concentration en dioxyde de carbone et la pression partielle d’oxygène comme des variables importantes pour contrôler le potentiel carbone du four. Le supplément *2704CP Handbook* d’Eurotherm, publié en 2020, décrit l’estimation courante du potentiel carbone à partir d’une mesure de l’oxygène effectuée au moyen d’une sonde en zircone, combinée à la température du four et à la teneur en monoxyde de carbone, ou à partir de la mesure du point de rosée. Ces mesures décrivent les conditions dans le four ; elles ne mesurent pas directement le profil de carbone à l’intérieur de chaque composant.

La recommandation de moins de 5 % d’hydrogène ne doit pas être généralisée au-delà des conditions de frittage citées. Limited evidence

La vapeur d’eau appelle une attention particulière. Les recommandations de Linde de 2023, intitulées *Sintering of steels*, indiquent que la vapeur d’eau présente dans les atmosphères d’azote et d’hydrogène provoque une décarburation et citent une recommandation expérimentale selon laquelle une teneur en hydrogène inférieure à 5 % limitait les vitesses de carburation et de décarburation dans les conditions de frittage indiquées. Cette valeur ne constitue pas une limite universelle applicable aux fours. Le débit de gaz, la température, la composition de l’acier, le point de rosée, l’état de surface et la géométrie de l’équipement déterminent si une atmosphère donnée est oxydante, neutre, carburante ou décarburante.

### Couplage entre la vitesse de réaction et la vitesse de diffusion

La surface et l’intérieur forment un système couplé unique. Si la réaction de surface est très rapide, la concentration en carbone proche de la surface peut chuter fortement, produisant un gradient prononcé et un flux contrôlé par la diffusion. Si le transport du carbone à travers l’austénite est rapide mais que la réaction de surface est lente, le carbone s’accumule près de la surface et la perte globale est contrôlée par la réaction. Entre ces deux limites, les deux résistances jouent un rôle.

Une condition limite conceptuelle utile est :

−DC∂⁢CC∂⁢x|s=ks⁢(CC,s−CC,eq)

où ks est un coefficient de réaction de surface, CC,s la concentration en carbone à la surface et CC,eq la concentration en équilibre avec l’atmosphère. Un faible ks maintient la surface relativement riche en carbone ; un ks élevé entraîne la concentration en surface vers la valeur d’équilibre avec l’atmosphère. La vitesse du gaz dans le four, la couverture d’oxyde, la fissuration de la calamine et la composition du gaz peuvent toutes modifier le coefficient effectif de surface.

Ce couplage produit, dans de nombreuses éprouvettes, un gradient plutôt qu’une limite chimique abrupte. La concentration en carbone varie continûment ou semi-continûment avec la profondeur, et la microstructure associée évolue dans une zone à mesure que varient la fraction de ferrite, la teneur en carbures, la dureté et la réponse à l’attaque métallographique. Une limite d’aspect net peut apparaître lorsqu’une méthode d’essai applique un seuil, mais ce seuil constitue une convention de mesure et pas nécessairement une discontinuité physique.

La température n’impose pas non plus une règle monotone simple. Une étude réalisée en 2021 sur un acier à ressort Fe-0.6C-1.8Si-0.8Mn traité entre 700 et 1000 °C a montré que l’épaisseur de ferrite décarburée augmentait jusqu’à environ 800–825 °C, puis diminuait. Ce résultat reflète des effets antagonistes : la diffusion s’accélère lorsque la température augmente, tandis que la stabilité des phases, le comportement à l’oxydation, les vitesses de réaction de surface et la durée passée dans une phase donnée modifient le profil. \[1\] \[1\] [**Steels — Determination of the depth of decarburization**](https://www.iso.org/standard/86689.html). International Organization for Standardization. ISO standard, 2023.

La mesure peut modifier la profondeur rapportée. L’ISO 3887:2023 spécifie trois méthodes pour déterminer la profondeur de décarburation dans les produits sidérurgiques. La norme ASTM E1077-14(2021) couvre les procédures de contrôle préliminaire, d’examen microscopique, de mesure de la microdureté et d’analyse chimique ; lorsque les résultats sont contestés, elle désigne l’analyse quantitative rigoureuse ou l’analyse linéaire comme méthode de référence. La norme SAE J419\_201801 fournit également des pratiques recommandées pour les examens microscopiques, les mesures de dureté et les analyses chimiques. Un critère de dureté peut identifier une zone affectée plus étendue qu’un examen métallographique, tandis qu’une analyse chimique peut détecter une perte de carbone entraînant peu de modifications visibles. La couche rapportée est donc le résultat de l’exposition dans le four et de la définition choisie pour déterminer où la décarburation prend fin.

## Température, durée et réponse non monotone de la décarburation

La température influe sur la décarburation par l’intermédiaire de plusieurs variables liées, et pas uniquement par la diffusion. L’augmentation de la température de la pièce accroît généralement la mobilité du carbone, mais elle modifie également la constitution des phases de l’acier, la vitesse des réactions gaz–métal, la croissance ou l’élimination de la calamine, ainsi que le potentiel carbone à la surface. La couche mesurée reflète donc un problème à frontière mobile : le carbone quitte l’acier, l’atmosphère consomme ou fournit des espèces carbonées, et la microstructure utilisée pour définir la frontière peut changer au cours du même cycle thermique.

Cette distinction est importante, car la « profondeur de décarburation » est un résultat de mesure, et non une grandeur physique unique indépendante de la méthode. La norme ISO 3887:2023, *Steels — Determination of the depth of decarburization*, spécifie trois méthodes pour déterminer la profondeur dans les produits en acier. La norme ASTM E1077-14(2021), *Standard Test Methods for Estimating the Depth of Decarburization of Steel Specimens*, comprend des procédures de criblage, d’examen microscopique, de mesure de la dureté par microindentation et d’analyse chimique ; elle désigne l’analyse quantitative rigoureuse ou l’analyse linéaire comme méthode de référence lorsque les résultats sont contestés. La norme SAE J419\_201801, *Methods of Measuring Decarburization*, fournit également des méthodes d’examen microscopique, de mesure de la dureté et d’analyse chimique. Une courbe de température obtenue à partir de l’épaisseur de ferrite n’est donc pas interchangeable avec une courbe obtenue à partir de la récupération de la dureté ou d’un profil de concentration en carbone.

### Effets du chauffage et du maintien en température

Au cours du chauffage, la surface peut commencer à perdre du carbone avant que le composant n’atteigne sa température nominale de maintien. La force motrice pertinente est la différence entre l’activité du carbone dans l’acier et le potentiel carbone effectif de l’atmosphère du four. Une atmosphère à faible potentiel carbone extrait le carbone par l’intermédiaire de réactions de surface impliquant des espèces contenant de l’oxygène, tandis que le carbone diffuse ensuite de l’intérieur vers la surface. Le chapitre de l’ASM, *Steel Decarburization—Mechanisms, Models, Prevention, Correction, and Effects on Component Life*, décrit ce processus couplé comme une diffusion du carbone à travers le fer austénitique vers la surface, suivie de réactions formant du monoxyde de carbone ou du dioxyde de carbone gazeux.

L’estimation de diffusion la plus simple suggère que la profondeur affectée varie approximativement selon la racine carrée du temps, x∼Dt, où D est la diffusivité du carbone. Comme D augmente fortement avec la température, une température plus élevée et un maintien plus long peuvent tous deux accroître la distance sur laquelle la concentration en carbone évolue. Cette relation est utile, mais incomplète. Elle suppose une phase stable, une condition de surface fixe et une concentration limite qui ne varie pas. Le chauffage dans un four viole ces trois hypothèses.

La formation de l’austénite modifie la solubilité et le transport du carbone. À des températures inférieures à la plage de transformation pertinente, le carbone se déplace à travers la ferrite, tandis qu’au-dessus de cette plage, il est transporté à travers l’austénite et la surface peut développer de la ferrite, de la perlite ou d’autres constituants pauvres en carbone pendant le refroidissement. La température à laquelle ces transformations se produisent dépend de la composition et de l’histoire thermique. Le silicium et le manganèse déplacent le comportement de transformation et modifient la stabilité ainsi que l’aspect de la microstructure proche de la surface. Une couche qui apparaît comme de la ferrite décarburée après refroidissement constitue donc l’enregistrement final à la fois du profil de carbone à haute température et du chemin de transformation.

La durée du maintien modifie également le temps dont dispose l’atmosphère pour réagir avec la surface. Une exposition courte peut produire une couche appauvrie en carbone avec peu de calamine. Une exposition plus longue peut approfondir le gradient de carbone, épaissir l’oxyde, fissurer ou détacher la calamine, et exposer du métal frais au gaz. La calamine peut temporairement ralentir l’accès du gaz, mais elle peut aussi créer des voies de réaction locales lorsqu’elle devient poreuse ou se détache. L’effet du temps ne reste donc pas nécessairement proportionnel à t. \[2\] \[2\] [**Furnace Atmosphere Controls in Heat Treating**](https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/8/chapter-abstract/106617/Furnace-Atmosphere-Controls-in-Heat-Treating). ASM International. ASM Handbook, 2013.

Le contrôle de l’atmosphère doit être pris en compte dans toute comparaison de températures. Les recommandations de l’ASM publiées en 2013 identifient la concentration de vapeur d’eau, la concentration de dioxyde de carbone et la pression partielle d’oxygène comme des variables du four utilisées pour contrôler le potentiel carbone et prévenir la décarburation. Le *2704CP Handbook supplement* d’Eurotherm, publié en 2020, décrit l’estimation courante du potentiel carbone à partir des mesures d’oxygène effectuées avec une sonde en zircone, combinées à la température du four et à la teneur en monoxyde de carbone, ou à partir de la mesure du point de rosée. Ces relevés sont importants, car deux essais réalisés à la même température de l’acier peuvent imposer des activités du carbone différentes à la surface. Les recommandations de Linde publiées en 2023 pour le frittage indiquent que la vapeur d’eau présente dans les atmosphères d’azote/hydrogène provoque une décarburation et donnent comme directive expérimentale qu’une teneur en hydrogène inférieure à 5 % limite les vitesses de carburation et de décarburation dans les conditions de frittage citées. Cette directive s’applique aux conditions de frittage indiquées ; elle ne constitue pas une règle générale pour les fours.

![Décarburation de l’acier : causes, mesure et contrôle](/images/uploads/9b652d82-661e-4513-be50-52eaa6e4a35a/wiki-inline-a-controlled-laboratory-comparison-of-fe-0-6c-1-8si-0-8mn-spring-steel-specimens-1920x1288.jpg)[](/images/uploads/9b652d82-661e-4513-be50-52eaa6e4a35a/wiki-inline-a-controlled-laboratory-comparison-of-fe-0-6c-1-8si-0-8mn-spring-steel-specimens-1920x1288.avif "Agrandir l'image — Décarburation de l’acier : causes, mesure et contrôle")In one spring-steel study, measured decarburized ferrite thickness peaked near 800–825 °C rather than rising steadily.

### L’exemple de l’acier à ressorts entre 700 et 1000 °C

Un contre-exemple particulièrement utile à une explication fondée uniquement sur la température provient d’une étude publiée en 2021 dans le *Journal of Materials Research and Technology* sur un acier à ressorts Fe-0.6C-1.8Si-0.8Mn. Le matériau a été étudié entre 700 et 1000 °C. L’épaisseur de ferrite décarburée a augmenté lorsque la température s’est élevée dans la partie inférieure de la plage étudiée, a atteint un maximum vers 800–825 °C, puis a diminué aux températures plus élevées dans le cadre de cette expérience.

Le résultat est non monotone. Cela ne signifie pas que la diffusion est devenue plus lente au-dessus de 825 °C. La diffusion du carbone devient généralement plus rapide lorsque la température augmente. Plusieurs effets antagonistes ont plutôt évolué simultanément. Dans la partie inférieure de la plage d’essai, l’augmentation de la température a accéléré le transport du carbone et les réactions de surface, tout en assurant une exposition suffisante pour permettre le développement d’une région décarburée ferritique plus étendue. Lorsque la température s’est approchée de 800–825 °C, puis l’a dépassée, la stabilité des phases et le comportement de transformation ont changé. La quantité et la morphologie de la ferrite visible après refroidissement ne représentaient plus une simple extension de la couche observée à plus basse température.

L’oxydation de surface est également devenue plus influente. À température élevée, les gaz du four contenant de l’oxygène peuvent réagir plus rapidement avec le fer et le carbone. Le document de Cambridge, *Atmosphere control for the protection of metals during production processes*, indique qu’une exposition directe à des atmosphères de combustion riches en oxygène peut provoquer une oxydation, une formation de calamine et une décarburation. Une calamine épaisse ou modifiée peut changer l’apport de gaz réactif au métal, tandis que sa formation peut consommer le fer de surface et modifier l’emplacement auquel la perte de carbone est enregistrée. Une oxydation plus rapide peut donc accroître la sévérité chimique de l’atmosphère tout en réduisant, redistribuant ou masquant la zone ferritique choisie pour la mesure.

Le maximum rapporté par l’étude doit être interprété comme la conséquence de la composition Fe-0.6C-1.8Si-0.8Mn, du cycle compris entre 700 et 1000 °C, de la durée d’exposition, de l’atmosphère du four, de la géométrie de l’éprouvette, du chemin de refroidissement et de la définition retenue de la ferrite décarburée. Il ne s’agit pas d’une loi universelle selon laquelle les [aciers à ressorts](/fr/catégories/aciers-à-ressorts "aciers à ressorts") atteindraient leur décarburation maximale à 800–825 °C. Une autre nuance, une autre atmosphère ou une autre durée de maintien peut déplacer le maximum, voire le faire sortir entièrement de la plage étudiée.

### Pourquoi une température plus élevée ne signifie pas toujours une couche mesurée plus épaisse

Trois questions distinctes sont souvent confondues : quelle quantité de carbone a quitté l’acier, jusqu’à quelle distance la perturbation de concentration s’est étendue et quelle quantité de matériau décarburé la méthode d’essai a mise en évidence. Une température plus élevée peut accroître les deux premières tout en diminuant la troisième.

La réaction de surface peut devenir si rapide que l’oxydation, la croissance de la calamine ou les limitations liées à l’écoulement des gaz contrôlent la condition limite. Si la surface est recouverte d’une calamine compacte, l’élimination du carbone peut être limitée après une période initiale. Si la calamine devient poreuse ou se détache sous forme d’écailles, la réaction peut de nouveau s’accélérer. La vapeur d’eau, le dioxyde de carbone, la pression partielle d’oxygène, le monoxyde de carbone et l’hydrogène influent chacun sur l’équilibre entre oxydation, élimination du carbone et échange de carbone. Le potentiel carbone est donc une variable de contrôle du four, et non une propriété fixe de la température.

Le changement de phase constitue une autre raison pouvant expliquer une épaisseur mesurée plus faible. Une région austénitique appauvrie en carbone peut se transformer pendant le refroidissement en ferrite et en d’autres constituants dont l’aspect dépend de la vitesse de refroidissement et de la composition locale. À une température de traitement plus élevée, la morphologie ferritique finale peut être plus mince, discontinue ou remplacée près de la surface par de l’oxyde et des constituants transformés, même lorsque le transport du carbone a été rapide. Un critère microscopique fondé sur la ferrite peut alors indiquer une profondeur plus faible que celle révélée par un profil chimique.

La méthode de mesure peut inverser le classement apparent de deux traitements. La métallographie peut localiser la frontière à partir de la morphologie de la ferrite ; la dureté par microindentation peut identifier une transition de dureté à une position différente ; l’analyse chimique peut révéler un gradient plus étendu sans interface nette. La norme ASTM E1077-14(2021) reconnaît ces distinctions en couvrant les quatre types de procédures et en réservant l’analyse quantitative ou linéaire à l’utilisation comme méthode de référence en cas de litige. Les comparaisons doivent donc maintenir constants l’orientation de l’éprouvette, la préparation de la coupe, l’attaque métallographique, le grossissement, l’espacement des mesures de dureté, la profondeur d’échantillonnage et le critère de présentation des résultats.

La conclusion pratique est directe : la température doit être considérée comme une coordonnée parmi d’autres dans une expérience thermique, chimique et microstructurale couplée. Une comparaison valide consigne la vitesse de chauffage, la durée du maintien, la composition de l’atmosphère ou le potentiel carbone, l’état de la calamine, le chemin de refroidissement, la désignation de l’acier et la méthode de mesure. Le résultat obtenu pour l’acier Fe-0.6C-1.8Si-0.8Mn entre 700 et 1000 °C montre pourquoi une augmentation de la température peut d’abord épaissir, puis amincir, la couche de ferrite décarburée mesurée. Il constitue un argument contre une règle de température monotone, et non la preuve que la température est sans importance.

## Atmosphères de four et principales causes du procédé

La décarburation n’est pas causée par une « oxydation » au sens vague de toute pénétration d’oxygène dans un four. Elle se produit lorsque la surface de l’acier perd du carbone plus rapidement que le carbone ne peut être fourni depuis l’intérieur. L’équilibre déterminant fait intervenir l’activité du carbone dans l’acier, l’activité du carbone dans le gaz, la cinétique des réactions de surface, la diffusion à travers l’austénite ou la ferrite, la température et l’apport d’espèces oxydantes. Un four peut donc produire de la calamine sans produire la même profondeur de décarburation qu’un autre four, et une faible variation de la chimie du gaz peut modifier le résultat même lorsque la température réglée et la durée de maintien restent inchangées.

Le chapitre de l’ASM Handbook intitulé *Steel Decarburization—Mechanisms, Models, Prevention, Correction, and Effects on Component Life* décrit la diffusion du carbone à travers le fer austénitique vers la surface, tandis que les réactions de surface consomment le carbone. Le NIST définit une zone de décarburation comme une perte de carbone près de la surface et une perte de phases riches en carbone lorsque le carbone de surface réagit avec l’oxygène pour former du monoxyde de carbone ou du dioxyde de carbone gazeux. La question pratique n’est donc pas simplement de savoir si de l’oxygène est présent. Il faut déterminer si la réaction de surface abaisse suffisamment l’activité du carbone en surface pour établir un gradient de carbone vers l’intérieur de l’acier.

Le document de l’ASM intitulé *Furnace Atmosphere Controls in Heat Treating* identifie la concentration de vapeur d’eau, la concentration de dioxyde de carbone et la pression partielle d’oxygène comme des variables du four utilisées pour contrôler le potentiel carbone et prévenir la décarburation. Ces variables doivent être considérées comme des mesures de conduite du procédé, et non comme des explications formulées après coup. Le guide Eurotherm de 2020 décrit l’estimation courante du potentiel carbone à partir d’une mesure de l’oxygène effectuée au moyen d’une sonde en zircone, combinée à la température du four et à la teneur en monoxyde de carbone, ou à partir du point de rosée. Chaque méthode a ses limites ; un dossier de four doit donc relier les relevés de gaz, l’historique des températures, la position de la charge, le débit de gaz et l’état mesuré de l’acier.

### Vapeur d’eau, dioxyde de carbone, pression partielle d’oxygène et produits de combustion

La vapeur d’eau est souvent le premier élément suspecté, car elle peut oxyder le carbone à la surface de l’acier. Une réaction simplifiée est la suivante :

Csteel+H2⁢O→CO+H2

Le dioxyde de carbone peut participer à la réaction suivante :

Csteel+CO2→2⁢CO

Les produits sont gazeux ; le carbone est donc éliminé de la région proche de la surface au lieu de rester sous forme d’un oxyde riche en carbone. La pression partielle d’oxygène joue également un rôle, car elle détermine la tendance à former des oxydes de fer et influe sur les réactions qui établissent les teneurs en monoxyde de carbone et en dioxyde de carbone. Ces réactions sont couplées : un gaz présentant une faible teneur globale en oxygène peut néanmoins contenir suffisamment de vapeur d’eau ou de dioxyde de carbone pour réduire l’activité du carbone en surface.

Le monoxyde de carbone n’est pas automatiquement protecteur. Son effet dépend de l’équilibre entre les réactions de cémentation et de décarburation, de la température du gaz, de la composition de l’acier et du rapport entre CO et CO₂. Un gaz contenant du CO peut apporter du carbone dans certaines conditions de potentiel carbone et en retirer dans d’autres. Le potentiel carbone est donc un concept d’équilibre chimique, et non une propriété attachée à un gaz particulier. La vitesse d’échange du carbone dépend également de la cinétique des réactions de surface ; la diffusion à l’intérieur de l’acier peut être rapide tandis que la réaction de surface reste l’étape déterminante, ou l’inverse peut se produire.

Les produits de combustion peuvent rapidement perturber cet équilibre. Un brûleur mal régulé peut produire un excès d’oxygène, une forte teneur en vapeur d’eau ou un rapport CO₂/CO anormal. Une combustion riche en combustible peut générer du monoxyde de carbone et des dépôts liés à la suie, tandis qu’une infiltration d’air peut augmenter la teneur en oxygène et en humidité après l’entrée du gaz dans le four. Une charge humide, un réfractaire humide ou un outillage récemment lavé peut libérer de la vapeur pendant la montée en température. Une fuite au niveau d’une porte, d’un joint, d’un pavillon de brûleur, de l’arbre d’un ventilateur ou d’une section de refroidissement peut aspirer de l’air ambiant, en particulier lorsque la pression du four devient inférieure à la pression atmosphérique.

Ces observations constituent des hypothèses de contrôle du procédé, et non des diagnostics. L’affirmation selon laquelle « le four fuyait » doit être confirmée par des relevés de pression, des contrôles au gaz traceur, une inspection des joints, l’analyse des tendances du point de rosée ou des prélèvements localisés de gaz. L’affirmation selon laquelle « le gaz était humide » nécessite une mesure étalonnée du point de rosée ou de l’humidité, ainsi qu’un examen du fonctionnement du sécheur, de la température des conduites et des pratiques de purge. Une charge contaminée peut transporter de l’huile, du fluide de coupe, de la rouille, de la calamine ou des résidus de nettoyage qui se décomposent et modifient localement la chimie du gaz. L’inspection de la charge et la comparaison des résultats selon la position peuvent permettre de distinguer un problème généré par la charge d’une défaillance générale de l’atmosphère du four.

La température rend l’interprétation moins évidente. Dans une étude publiée en 2021 dans le *Journal of Materials Research and Technology* sur un acier à ressort Fe-0.6C-1.8Si-0.8Mn soumis à des températures comprises entre 700 et 1000 °C, l’épaisseur de ferrite décarburée augmentait jusqu’à environ 800–825 °C, puis diminuait. Ce résultat non monotone montre pourquoi la température seule ne constitue pas une explication suffisante. Une température plus élevée accélère la diffusion du carbone et les réactions de surface, mais elle peut également modifier la formation des oxydes, l’équilibre gazeux, la constitution des phases et la vitesse à laquelle le carbone est réapprovisionné depuis l’intérieur.

### Atmosphères à excès d’oxygène et formation de calamine

Le document de Cambridge intitulé *Atmosphere control for the protection of metals during production processes* fournit une mise en garde directe : l’exposition à des atmosphères de combustion contenant un excès d’oxygène peut provoquer une oxydation, une formation de calamine et une décarburation susceptibles de nécessiter une élimination ultérieure. Cette formulation est plus précise que l’affirmation selon laquelle la calamine et la décarburation seraient toujours identiques. La calamine est un produit d’oxydation présent sur la surface ou à proximité de celle-ci ; la décarburation est une modification de la teneur en carbone et de la microstructure contenant du carbone. Ces deux phénomènes se produisent souvent simultanément, car une surface oxydante consomme le carbone tandis que le fer réagit avec l’oxygène, mais leurs profondeurs et leurs vitesses ne coïncident pas nécessairement.

Une atmosphère à excès d’oxygène peut résulter d’un rapport air-combustible incorrect, d’une dérive de la régulation du brûleur, d’un mauvais mélange, de la défaillance d’un instrument de contrôle de l’oxygène ou de l’entrée d’air par les ouvertures du four. Un four peut également présenter une chimie moyenne des gaz acceptable alors qu’un jet de brûleur ou le bord de la charge est soumis localement à un panache oxydant. La disposition de la charge est importante. Un empilage trop serré peut entraver la circulation du gaz et créer des poches locales ; les angles exposés et les arêtes frontales peuvent réagir plus fortement que les surfaces protégées.

La calamine peut dissimuler les indices. L’oxyde peut s’écailler pendant le transfert, la grenailleuse, le redressage ou le décapage, laissant une surface d’apparence propre malgré la présence d’un gradient de carbone sous la surface. À l’inverse, une couche de calamine sombre ou épaisse ne permet pas d’établir la profondeur exacte de la décarburation. L’étude du four doit comparer l’aspect de la calamine, la teneur en carbone de surface, le profil de dureté, la structure métallographique et les relevés de l’atmosphère, plutôt que de déduire l’un de ces éléments à partir d’un autre.

La maîtrise du procédé commence par une combustion stable et une pression du four vérifiée. Le réglage fin de l’oxygène du brûleur, la pression du combustible, la pression de l’air, la position du registre, la pression du four et l’état de l’évacuation doivent être contrôlés au moyen d’instruments étalonnés. L’ouverture des portes, les pratiques de chargement et les intervalles entre le transfert et la trempe peuvent admettre de l’air au stade le plus dommageable. Si le résultat varie selon la charge, il convient de cartographier les surfaces affectées et de les corréler avec la position des brûleurs, les entrées de gaz, les joints et les schémas d’écoulement. Si toutes les surfaces présentent une modification similaire, il faut examiner l’historique des valeurs de consigne, l’alimentation en gaz et le contrôle du potentiel carbone.

### Atmosphères de frittage N2/H2 et rôle de l’humidité \[3\] \[3\] [**Sintering of steels**](https://static.prd.echannel.linde.com/wcsstore/EE_REN_Industrial_Gas_Store/pdf/Sintering-of-steels-brochure-EN.pdf). Linde. Linde technical guidance, 2023.

Les atmosphères azote-hydrogène utilisées pour le frittage des poudres métalliques nécessitent une mise en garde particulière. L’hydrogène est couramment ajouté pour réduire les oxydes et favoriser un environnement de frittage propre, mais l’atmosphère n’est pas automatiquement neutre vis-à-vis du carbone. Le guide de Linde de 2023, *Sintering of steels*, indique que la vapeur d’eau présente dans les atmosphères N2/H2 provoque une décarburation. L’humidité peut réagir avec le carbone présent dans le comprimé ou à la surface de l’acier, tandis que l’hydrogène modifie l’équilibre et le comportement du transport dans le mélange gazeux.

Linde cite également une recommandation expérimentale selon laquelle une teneur en hydrogène inférieure à 5 % limite les vitesses de cémentation et de décarburation dans les conditions de frittage indiquées. Cette valeur doit rester associée à ces conditions. Il ne s’agit pas d’une règle universelle applicable au traitement thermique, au forgeage, au recuit ou à toutes les compositions de poudres métalliques. L’appliquer sans vérifier la température, le point de rosée, la teneur en carbone, la vitesse du gaz, le temps de séjour et la conception du four reviendrait à transformer un résultat spécifique à un contexte en une spécification trompeuse.

Lors du frittage, l’humidité peut être introduite avec l’azote ou l’hydrogène fournis, résulter d’un séchage incomplet, se condenser dans des conduites froides ou être libérée par les réfractaires et les outillages. Une hausse du point de rosée au cours d’une production peut indiquer un problème de sécheur, une fuite sur un composant refroidi à l’eau, une purge insuffisante ou la présence de matériaux entrants humides. La réponse doit vérifier la source au moyen de mesures du point de rosée au niveau de l’alimentation en gaz et de l’entrée du four, d’essais d’étanchéité, de contrôles de la température des conduites et d’une comparaison entre des essais à four vide et à four chargé. \[4\] \[4\] [**Standard Test Methods for Estimating the Depth of Decarburization of Steel Specimens**](https://store.astm.org/e1077-14r21.html). ASTM International. ASTM standard, 2021.

La seule composition du gaz ne suffit pas. La poudre contenant du carbone, la décomposition du lubrifiant, les dépôts du four et la géométrie des comprimés peuvent modifier l’atmosphère locale autour des pièces. Il convient de mesurer le carbone ou la microstructure en plusieurs positions, d’enregistrer le point de rosée pendant l’intégralité du cycle thermique et de comparer le résultat avec le schéma d’écoulement des gaz dans le four. Lorsqu’un désaccord porte sur la profondeur mesurée, l’ISO 3887:2023 spécifie trois méthodes de détermination de la profondeur de décarburation dans les produits en acier. La norme ASTM E1077-14(2021) couvre les procédures de dépistage, d’examen microscopique, de mesure de la microdureté et d’analyse chimique ; dans les litiges, l’analyse quantitative rigoureuse ou l’analyse linéaire y est désignée comme méthode de référence. Le diagnostic de l’atmosphère et la méthode de mesure doivent être examinés conjointement ; modifier l’un ou l’autre peut modifier le résultat déclaré du procédé.

## Comment la décarburation est mesurée selon les normes

Une profondeur de décarburation déclarée n’est pas une propriété unique, indépendante de la méthode. Elle résulte d’un système d’essai : la norme sélectionnée, la section prélevée dans le produit, la préparation de surface, la résolution de l’instrument et la règle utilisée pour déterminer où la décarburation prend fin. Deux laboratoires peuvent examiner la même barre et obtenir des profondeurs différentes sans qu’aucune des deux mesures ne soit négligente.

La raison métallurgique est simple, mais importante. Lors du chauffage, le carbone se déplace à travers l’austénite vers une surface dont l’activité du carbone est inférieure à celle de l’acier. Les réactions de surface impliquant l’oxygène, la vapeur d’eau et le dioxyde de carbone peuvent consommer du carbone en formant du monoxyde de carbone ou du dioxyde de carbone. Si l’atmosphère du four fournit du carbone avec une activité suffisante, la réaction peut être réduite ou inversée ; dans le cas contraire, la diffusion depuis l’intérieur alimente la réaction de surface. ASM identifie la concentration de vapeur d’eau, la concentration de dioxyde de carbone et la pression partielle d’oxygène comme des variables du four utilisées pour contrôler le potentiel carbone et limiter la décarburation. Eurotherm décrit des estimations courantes du potentiel carbone fondées sur les mesures d’oxygène effectuées à l’aide d’une sonde en zircone, combinées à la température du four et à la teneur en monoxyde de carbone, ou sur la mesure du point de rosée.

La zone mesurée dépend donc de l’historique thermique et atmosphérique, et pas seulement de la température maximale. Une étude de 2021 portant sur un acier à ressort Fe-0.6C-1.8Si-0.8Mn, soumis à des températures comprises entre 700 et 1000 °C, a constaté que l’épaisseur de la ferrite décarburée augmentait jusqu’à environ 800–825 °C, puis diminuait. Ce résultat met en garde contre le fait de considérer la température comme une variable de contrôle agissant dans une seule direction : la diffusion s’accélère avec la température, mais la formation d’oxydes, la constitution des phases, la cinétique de surface et le potentiel carbone disponible évoluent également.

![Décarburation de l’acier : causes, mesure et contrôle](/images/uploads/f28a33c5-9bd7-48ac-97fe-ff5e1d9a7b89/wiki-inline-a-steel-decarburization-test-specimen-prepared-for-metallography-microindentatio-1520x1920.jpg)[](/images/uploads/f28a33c5-9bd7-48ac-97fe-ff5e1d9a7b89/wiki-inline-a-steel-decarburization-test-specimen-prepared-for-metallography-microindentatio-2027x2560.avif "Agrandir l'image — Décarburation de l’acier : causes, mesure et contrôle")ISO 3887:2023 provides three routes for determining decarburization depth: microscopy, hardness, and chemical analysis.

### ISO 3887:2023 et ses trois méthodes de mesure

ISO 3887:2023 propose trois voies, car la décarburation peut être définie par la structure, la dureté ou la composition.
| Famille de méthodes ISO | Ce qu’elle évalue | Base de décision appropriée |
|---|---|---|
| Examen métallographique | Modifications de phase et de morphologie de la surface jusqu’au cœur | Décarburation complète ou partielle |
| Mesure de la dureté | Gradient des propriétés mécaniques avec la profondeur | Critère fonctionnel de la zone ramollie |
| Analyse chimique | Profil de concentration du carbone | Limite d’acceptation de la teneur en carbone |

ISO 3887:2023, *Aciers — Détermination de la profondeur de décarburation*, spécifie trois méthodes pour les produits en acier. Elles correspondent, sur le plan conceptuel, à l’examen métallographique, à la mesure de la dureté et à l’analyse chimique. La norme ne déclare donc pas qu’un essai universel unique définit la décarburation. Elle propose différentes voies adaptées à différents matériaux, géométries, exigences d’acceptation et capacités de laboratoire.

La voie métallographique examine une coupe transversale polie, depuis la surface d’origine vers l’intérieur. L’attaque révèle des changements de microstructure, tels qu’une couche ferritique, une diminution de la teneur en perlite ou en carbures et une transition vers le cœur non affecté. Cette méthode peut distinguer la décarburation complète, dans laquelle les phases riches en carbone ont pratiquement disparu, de la décarburation partielle, dans laquelle le niveau de carbone ou la fraction de perlite et de carbures a diminué, mais où les constituants d’origine subsistent. Son principal avantage est de fournir une preuve visuelle directe. Sa faiblesse tient au fait que la limite peut être progressive ou en bandes, ou être influencée par le contraste produit par l’attaque. Une ligne mesurée constitue alors l’interprétation d’une transition, et non une interface naturellement nette.

La méthode par mesure de la dureté utilise des mesures effectuées à des distances contrôlées de la surface. Une couche superficielle à plus faible teneur en carbone présente généralement une dureté inférieure à celle du matériau non affecté, bien que les éléments d’alliage, la taille des grains, les phases retenues, la réponse au revenu et les contraintes résiduelles puissent également modifier la dureté. La microindentation est particulièrement utile lorsque la couche affectée est mince, mais les empreintes doivent être suffisamment petites et suffisamment espacées pour éviter le chevauchement des zones plastifiées. Un espacement approprié pour une zone épaisse peut brouiller une zone peu profonde. À l’inverse, un espacement très faible peut rendre les mesures individuelles sensibles aux grains locaux et aux dommages de préparation.

L’analyse chimique mesure le carbone en fonction de la distance par rapport à la surface, soit au moyen de couches retirées individuellement, soit par une autre technique à résolution spatiale. Il s’agit de l’approche la plus directe lorsque le critère d’acceptation est la concentration en carbone plutôt qu’une limite de phase visible. Elle présente également une limitation importante : la résolution chimique. Si le matériau est retiré par couches de 0,05 mm, une limite déclarée ne peut pas être attribuée de manière crédible à 0,005 mm. La contamination de surface, la calamine, la ferrite décarburée mélangée au métal non affecté et le volume échantillonné par la méthode analytique peuvent déplacer le profil apparent.

ISO 3887:2023 doit être considérée comme un cadre de référence pour choisir et déclarer l’une de ces méthodes. Une profondeur microscopique, une profondeur correspondant à une transition de dureté et une profondeur de perte de carbone définie chimiquement peuvent toutes être valides tout en décrivant des limites différentes. Le rapport doit identifier la méthode et la définition utilisées, plutôt que de présenter la « profondeur » comme si sa signification allait de soi.

### Familles de procédures selon ASTM E1077-14(2021)

ASTM E1077-14(2021), *Méthodes d’essai normalisées pour l’estimation de la profondeur de décarburation des éprouvettes en acier*, organise la question en procédures de contrôle préliminaire, d’examen microscopique, de mesure de la microdureté et d’analyse chimique. Il s’agit de familles de procédures, et non de désignations interchangeables pour un même essai.

Le contrôle préliminaire constitue l’étape de décision rapide. Un examen à faible grossissement ou une mesure de dureté limitée en traversée peut indiquer si une surface ne présente aucune décarburation manifeste, si elle comporte une zone importante ou si elle nécessite un examen plus précis. Le contrôle préliminaire est utile pour les vérifications en production et pour la sélection des éprouvettes, mais il ne convient pas automatiquement à une limite d’acceptation serrée. Un examen visuel grossier peut ne pas détecter une mince couche partiellement décarburée ; un intervalle de dureté étendu peut dissimuler un gradient peu profond.

L’examen microscopique fournit une estimation linéaire ou quantitative lorsque la section est préparée et mesurée avec soin. L’éprouvette doit être découpée de manière que la face examinée soit perpendiculaire à la surface d’origine. Une coupe longitudinale répond à une question différente de celle d’une coupe transversale : elle peut révéler des variations le long du produit et peut intersecter différemment la structure issue du laminage ou du forgeage. La surface d’origine doit rester identifiable. Le meulage peut éliminer une zone mince, l’arrondissement peut déformer le bord et une attaque excessive peut exagérer le contraste.

Le grossissement modifie le résultat pratique. À faible grossissement, l’opérateur peut déclarer la bande extérieure la plus éloignée présentant une altération visible. À plus fort grossissement, un appauvrissement fin en carbures ou une étroite région ferritique peut devenir mesurable. Le champ de vision, l’éclairage, le réactif d’attaque, l’étalonnage et le nombre de zones mesurées jouent tous un rôle. ASTM E1077-14(2021) identifie l’analyse quantitative ou linéaire rigoureuse comme approche de référence en cas de litige. Cette désignation repose sur un principe solide : lorsqu’un résultat est contesté, le laboratoire doit remplacer une impression visuelle par des mesures documentées effectuées le long de lignes ou à des emplacements définis.

L’essai de microdureté transforme le gradient de propriété entre la surface et le cœur en une estimation de profondeur. La traversée doit commencer suffisamment loin du bord pour éviter les effets de bord, mais suffisamment près pour permettre de résoudre la zone attendue. L’espacement des empreintes, la charge, le temps de maintien, la planéité de la surface et le critère utilisé pour déterminer le retour à la dureté du cœur doivent être déclarés. Si les empreintes sont trop espacées, la profondeur indiquée devient un intervalle plutôt qu’une limite précise. Si elles sont trop rapprochées, la déformation produite par une empreinte peut influencer la suivante.

L’analyse chimique est préférable lorsque la décision dépend directement de la concentration en carbone, mais le volume échantillonné et la limite de détection déterminent la plus petite caractéristique qui puisse être mesurée de manière crédible. Un profil de carbone mesuré chimiquement peut montrer une diminution progressive là où la microscopie révèle une transition de phase nette. Aucun des deux résultats ne doit être présenté comme l’autre.

### SAE J419\_201801 et sélection de la méthode

SAE J419\_201801, *Méthodes de mesure de la décarburation*, fournit des pratiques recommandées pour l’examen microscopique, la mesure de la dureté et l’analyse chimique des matériaux ferreux. Elle doit être utilisée de préférence avec la spécification du produit et le dossier de traitement thermique, et non en remplacement de l’un ou de l’autre. ISO 3887:2023 fournit trois voies de mesure définies pour les produits en acier ; ASTM E1077-14(2021) présente des concepts d’estimation et de méthode de référence ; SAE J419\_201801 apporte des recommandations pratiques concernant les méthodes. Leurs désignations doivent rester visibles dans le rapport, car elles établissent des contextes procéduraux différents.

La sélection de la méthode doit suivre le risque de défaillance. Choisir la microscopie lorsque la question pertinente concerne la décarburation complète ou partielle et que la microstructure peut être interprétée de manière fiable. Choisir la microdureté lorsque le gradient de propriété est important et que la couche est suffisamment épaisse pour permettre une traversée défendable. Choisir l’analyse chimique lorsqu’une limite de teneur en carbone est spécifiée ou lorsque les éléments d’alliage et le traitement thermique rendent la dureté ambiguë en tant qu’indicateur indirect. Utiliser le contrôle préliminaire uniquement pour une décision initiale, sauf si l’exigence applicable au produit l’autorise explicitement.

#### Champs minimaux du rapport de mesure

- **Identité du matériau** Produit, nuance, état de traitement thermique et spécification applicable.
- **Échantillonnage** Orientation de la section, emplacement de la surface et nombre de zones examinées.
- **Préparation** Détails de la découpe, de l’enrobage, du meulage, du polissage et de l’attaque.
- **Mesure** Grossissement, charge et espacement des mesures de dureté, ou résolution de l’analyse chimique.
- **Critère** Définition de la profondeur affectée complète, partielle ou totale.
- **Résultat** Valeurs maximale et moyenne, dispersion et limites, le cas échéant.

Chaque rapport doit indiquer le produit et la nuance, la spécification applicable, l’orientation de la section, l’emplacement et le nombre des zones examinées, la séquence de préparation de surface, le grossissement du microscope ou la charge et l’espacement des mesures de dureté, la résolution analytique, le critère de définition de la limite et la convention de déclaration. Il doit également distinguer la profondeur maximale de la profondeur moyenne et préciser si la valeur se rapporte à une décarburation complète, à une décarburation partielle ou à la profondeur totale affectée.

Ces informations ne constituent pas une simple documentation périphérique de la mesure. Elles font partie intégrante de la mesure. Une valeur de décarburation dépourvue de définition de sa limite et de sa méthode peut créer un désaccord artificiel, tandis qu’une méthode soigneusement identifiée rend les résultats de différents laboratoires comparables dans les limites réelles de ces méthodes.

## Mesure métallographique : ce que le microscope peut et ne peut pas montrer

### Préparation des coupes et attaque métallographique

Un examen métallographique doit commencer par une coupe réalisée normalement, c’est-à-dire perpendiculairement, à la surface traitée. Pour une tôle, une barre, un fil ou une pièce forgée, la coupe doit exposer le trajet complet depuis la surface d’origine jusqu’au matériau non affecté. Une coupe parallèle à la surface ne peut pas établir la profondeur de décarburation, car elle montre une variation latérale et non la transition requise entre la surface et le cœur. L’échantillonnage doit également consigner l’orientation du produit, l’état de traitement thermique, l’emplacement de la surface, ainsi que toute opération d’usinage ou d’élimination de la calamine effectuée avant l’examen.

La face coupée doit être protégée contre tout échauffement supplémentaire. Une coupe abrasive réalisée avec une force excessive peut revenir la surface, étaler du matériau ramolli sur la coupe ou arracher des inclusions. Ces effets peuvent créer une fausse bande proche de la surface. L’enrobage, lorsqu’il est nécessaire, doit soutenir le bord sans l’arrondir ; l’arrondissement du bord réduit la distance apparente entre la surface et la première structure non affectée. Le meulage doit être effectué avec des abrasifs de finesse progressivement croissante, avec une lubrification suffisante et un contrôle de la pression permettant d’éliminer les dommages précédents plutôt que de les accentuer. Le polissage final ne doit laisser aucun métal entraîné, aucun abrasif incrusté ni aucune rayure profonde traversant la surface.

La surface d’origine du produit doit rester identifiable. Si la calamine est éliminée avant le prélèvement de la coupe, le laboratoire doit consigner ce fait et conserver, lorsque cela est possible, une pièce représentative. À défaut, l’analyste risque de prendre l’interface calamine–métal pour la surface fabriquée et de rendre compte d’une profondeur erronée. Une couche d’oxyde visiblement sombre ne constitue pas en elle-même une mesure de la décarburation. La calamine témoigne de l’oxydation ; la décarburation témoigne de la perte de carbone dans l’acier sous-jacent, et les deux phénomènes peuvent se produire simultanément, séparément ou à des vitesses différentes.

L’attaque métallographique révèle le contraste entre les phases après le polissage. Le réactif et le temps d’attaque doivent être adaptés à la nuance et à l’examen prévu. Le nital est largement utilisé pour les aciers au carbone et faiblement alliés, mais la concentration, l’état de l’alcool, le temps d’application et le rinçage influencent le contraste. Une attaque excessive peut assombrir la ferrite ou faire paraître une transition plus large. Une attaque insuffisante peut masquer la perlite fine et produire une couche apparemment appauvrie en carbone. Une surface correctement préparée, non attaquée, reste utile pour vérifier les dommages dus au meulage, les pores, les inclusions et la pénétration de la calamine ; la surface attaquée est ensuite utilisée pour interpréter la structure de l’acier.

#### Note d’interprétation

La métallographie montre les effets structuraux de la perte de carbone, de l’historique thermique, de l’alliage, de la vitesse de refroidissement et des réactions de surface. Confirmer, lorsque cela est approprié, un diagnostic contesté de perte de carbone par des données de dureté ou des éléments chimiques.

Le microscope ne mesure pas directement le carbone. Il montre comment la teneur en carbone, l’historique thermique, les éléments d’alliage, la vitesse de refroidissement et les réactions de surface ont influencé la structure.

### Interprétation de la ferrite, de la perlite et du gradient de carbone

Dans un acier au carbone hypoeutectoïde, une perte de carbone pendant le chauffage austénitique produit généralement une région proche de la surface contenant davantage de ferrite et moins de perlite que l’intérieur. L’intérieur peut présenter la structure ferrite–perlite attendue, tandis que la zone superficielle contient des grains de ferrite s’étendant plus profondément que dans le matériau non affecté. Il s’agit de l’indication métallographique classique d’une décarburation partielle. Si l’appauvrissement en carbone est suffisamment important, la région superficielle visible peut être presque entièrement ferritique, ce qui est souvent décrit comme une décarburation complète selon les critères d’essai applicables.

La transition constitue rarement une limite chimique nette. Le carbone diffuse à travers l’austénite vers une surface dont l’activité du carbone est inférieure à celle de l’acier. À la surface, des réactions impliquant l’oxygène, la vapeur d’eau, le dioxyde de carbone ou d’autres gaz du four consomment du carbone ou modifient l’équilibre interfacial du carbone. La structure mesurée reflète donc conjointement la diffusion, la cinétique des réactions de surface, la température, la durée d’exposition et le potentiel carbone du four. L’ouvrage d’ASM, *Steel Decarburization—Mechanisms, Models, Prevention, Correction, and Effects on Component Life*, décrit ce processus couplé plutôt que de le considérer comme une simple oxydation.

La ferrite et la perlite sont des indicateurs utiles, mais elles ne constituent pas automatiquement la preuve d’une décarburation. Une bande riche en ferrite peut résulter d’une modification locale de la vitesse de refroidissement, d’une zone affectée par la chaleur transformée ou du gradient microstructural initial issu du forgeage ou du laminage. Un artefact de zone affectée par la chaleur dû au soudage, au coupage thermique, au meulage ou à une réparation antérieure peut produire une taille de grain et un contraste de phases modifiés sans gradient de carbone correspondant. La ségrégation peut également modifier la fraction locale de perlite. Une bande de ségrégation du manganèse ou du silicium, par exemple, peut modifier le comportement de transformation et produire une structure différente de celle des zones adjacentes, même si la concentration en carbone n’a pas diminué à la surface.

L’analyste doit comparer plusieurs emplacements autour du périmètre et, lorsque cela est possible, examiner une région de référence non affectée provenant du même produit et de la même coulée. La profondeur doit être vérifiée par rapport à une variation de la fraction de phases, de la morphologie des grains ou de la dureté, et non déduite d’une seule photographie isolée. Une réduction progressive de la perlite vers la surface confirme un appauvrissement en carbone lorsque la surface est correctement identifiée et que l’historique thermique est connu. Elle ne permet pas d’établir la cause liée au four.

Les transformations de phases peuvent encore compliquer l’interprétation. Un acier ayant été austénitisé puis refroidi rapidement peut contenir de la martensite ou de la bainite sous une couche superficielle ferritique. La limite apparente peut représenter une variation de la teneur en carbone, une variation de la vitesse de refroidissement, ou les deux. Dans les nuances à teneur moyenne en carbone telles que AISI/SAE 1045, une surface ferritique au-dessus d’un cœur transformé plus dur peut être compatible avec une décarburation, mais le métallographe a néanmoins besoin d’éléments de preuve issus de la dureté ou de la chimie si le résultat est contesté. Dans les nuances alliées, le chrome, le molybdène, le silicium et le manganèse influencent la stabilité des phases et la réponse à l’attaque ; une comparaison visuelle avec un acier au carbone ordinaire est donc hasardeuse.

La température seule ne permet pas non plus de prédire la couche observée. Une étude publiée en 2021 sur un acier à ressort Fe-0.6C-1.8Si-0.8Mn, testé entre 700 et 1000 °C, a montré que l’épaisseur de ferrite décarburée augmentait jusqu’à environ 800–825 °C, puis diminuait. Une diffusion plus importante à température élevée n’a pas entraîné d’augmentation monotone, car les conditions d’oxydation et de réaction de surface ont également changé. C’est l’une des raisons pour lesquelles un résultat microscopique doit être interprété parallèlement aux relevés de l’atmosphère du four. ASM identifie la concentration en vapeur d’eau, la concentration en dioxyde de carbone et la pression partielle d’oxygène comme des variables du four pertinentes pour le potentiel carbone. Eurotherm décrit l’inférence du potentiel carbone à partir de mesures de l’oxygène effectuées avec une sonde en zircone, combinées à la température et à la teneur en monoxyde de carbone, ou à partir de la mesure du point de rosée. Ces contrôles expliquent l’exposition ; ils ne remplacent pas l’examen de l’acier.

### Analyse linéaire ou quantitative lors des examens contradictoires

Un examen de dépistage peut identifier l’existence d’une zone superficielle suspecte, mais une profondeur de décarburation rapportée nécessite des critères définis. ASTM E1077-14(2021), *Standard Test Methods for Estimating the Depth of Decarburization of Steel Specimens*, couvre les méthodes de dépistage, d’examen microscopique, de mesure de la dureté par microindentation et d’analyse chimique. Cette norme désigne l’analyse quantitative ou linéaire rigoureuse comme approche de référence lorsque les parties sont en désaccord. ISO 3887:2023, *Steels — Determination of the depth of decarburization*, spécifie trois méthodes de mesure de la profondeur dans les produits en acier, tandis que SAE J419\_201801, *Methods of Measuring Decarburization*, présente des pratiques recommandées d’analyse microscopique, de mesure de dureté et d’analyse chimique pour les matériaux ferreux.

L’analyse linéaire transforme une transition visuelle en mesure consignée. Une ligne d’essai est tracée depuis la surface d’origine identifiée vers le cœur, et l’analyste consigne la position à laquelle le critère structural spécifié est atteint. Selon la norme et le contrat, ce critère peut concerner la fin de la décarburation complète, la fin de la décarburation partielle ou le retour à la structure normale du cœur. Le rapport doit préciser quelle limite a été mesurée. L’expression « profondeur de décarburation », sans cette définition, peut désigner des distances différentes.

Pour la microscopie quantitative, le laboratoire doit documenter le grossissement, l’échelle étalonnée, le réactif d’attaque, l’emplacement de la coupe, le nombre et l’espacement des mesures, ainsi que la règle utilisée pour localiser chaque limite. Plusieurs lignes radiales ou transversales sont préférables à un seul champ choisi pour sa commodité, en particulier pour les barres et les pièces forgées, où l’exposition peut varier sur la circonférence. Les images doivent inclure la référence de surface et une barre d’échelle. Si la transition est irrégulière, les valeurs minimale, maximale et moyenne ainsi que la dispersion des mesures peuvent être plus importantes qu’une seule valeur arrondie.

Un examen contradictoire doit séparer l’observation de l’interprétation. Il peut établir que la fraction de ferrite augmente vers la surface, que la perlite disparaît à une distance mesurée ou que la dureté varie dans la même zone. Il ne doit pas affirmer que l’atmosphère du four contenait un excès d’oxygène au seul motif que la micrographie est riche en ferrite. La pénétration de la calamine, les dommages de polissage, la ségrégation et une couche transformée sans rapport doivent être pris en compte et, le cas échéant, vérifiés par microscopie sans attaque, profils de dureté, analyse chimique ou examen d’une seconde coupe.

Le microscope est donc très performant pour localiser les indices structuraux, mais limité lorsqu’il s’agit d’identifier leur cause et le profil exact du carbone. Le concept d’examen de référence d’ASTM est important, car il remplace la confiance visuelle par une règle de mesure documentée. En cas de litige, le résultat attendu est la reproductibilité : un autre examinateur doit savoir d’où provenait la coupe, comment elle a été préparée, quelle limite a été définie et comment la profondeur rapportée a été calculée.

## Méthodes de mesure de la dureté et d’analyse chimique

La décarburation est souvent exprimée par une profondeur en millimètres, mais cette valeur dépend de la manière dont la profondeur a été mesurée. Un profil de dureté enregistre une variation de la réponse mécanique locale. Un profil chimique enregistre la composition dans un volume échantillonné. L’examen métallographique enregistre les phases et la morphologie. Il s’agit d’observations liées, mais de mesures qui ne sont pas interchangeables.

La norme ISO 3887:2023, *Steels — Determination of the depth of decarburization*, spécifie trois méthodes de mesure de la profondeur de décarburation dans les produits en acier. La norme ASTM E1077-14(2021), *Standard Test Methods for Estimating the Depth of Decarburization of Steel Specimens*, couvre les procédures de contrôle préliminaire, d’examen microscopique, de mesure de la microdureté par indentation et d’analyse chimique. La norme SAE J419\_201801, *Methods of Measuring Decarburization*, définit également des pratiques recommandées d’examen microscopique, de mesure de la dureté et d’analyse chimique pour les matériaux ferreux. La méthode appropriée dépend de la question de savoir si le résultat constitue un contrôle de production, une mesure de conformité à une spécification, ou un élément de preuve dans le cadre d’une défaillance ou d’un litige.

### Profils de microdureté par indentation

Un profil de microdureté par indentation consiste à réaliser une série d’empreintes de petite taille depuis la surface exposée vers le cœur non affecté, puis à représenter graphiquement la dureté en fonction de la distance. L’essai utilise généralement des empreintes Vickers ou Knoop, la charge et l’espacement étant choisis de façon à résoudre le gradient attendu sans chevauchement des zones plastifiées. Le résultat est un profil de la réponse mécanique proche de la surface.

Une couche décarburée contient généralement moins de perlite, moins de carbures ou une fraction plus importante de ferrite que le matériau de base. Elle tend donc à présenter une dureté plus faible, en particulier dans les aciers à teneur moyenne ou élevée en carbone, dont la résistance dépend fortement des phases riches en carbone. Le profil peut montrer une forte augmentation de la surface vers le cœur, une transition progressive ou aucune variation nette. Un critère de dureté spécifié peut alors être utilisé pour estimer la limite de la zone affectée.

Cette limite ne constitue pas un dosage direct du carbone. La dureté dépend également de l’équilibre entre les phases, de la taille des grains, de la formation de martensite ou de bainite, du revenu, des contraintes résiduelles, des éléments d’alliage, de la direction d’essai et de la ségrégation locale de la microstructure en bandes. Une surface tendre peut être le résultat d’une décarburation, mais aussi d’une histoire thermique différente ou d’une préparation de surface inadéquate. Inversement, une région appauvrie en carbone peut conserver une dureté importante si ses produits de transformation ou sa teneur en éléments d’alliage compensent en partie la perte de carbone.

La préparation de surface est importante. La calamine, les brûlures de meulage, les arêtes arrondies et le positionnement d’une empreinte trop près du bord peuvent fausser les premières mesures. L’indenteur doit être suffisamment petit pour détecter le gradient, mais pas au point que les grains individuels de ferrite, les carbures ou la rugosité de surface dominent la mesure. Un espacement excessivement faible peut également provoquer une interaction entre les empreintes voisines. Le profil doit traverser la surface selon sa normale et se poursuivre suffisamment loin dans le matériau pour que plusieurs mesures établissent la dureté de référence du matériau non affecté.

La norme ASTM E1077-14(2021) inclut la microdureté par indentation parmi ses procédures d’estimation, mais elle ne transforme pas un profil de dureté en profil chimique. La méthode est particulièrement probante lorsque la transition de dureté concorde avec les observations métallographiques et avec le gradient de carbone attendu. Elle l’est moins lorsque l’acier a subi une trempe, un revenu, une sphéroïdisation ou un traitement de surface complexes.

L’histoire thermique du four peut également produire un résultat non monotone. Dans une étude publiée en 2021 dans le *Journal of Materials Research and Technology* sur un acier à ressort Fe-0.6C-1.8Si-0.8Mn chauffé entre 700 et 1000 °C, l’épaisseur de ferrite décarburée augmentait avec la température jusqu’à environ 800–825 °C, puis diminuait. La température seule ne déterminait pas l’épaisseur mesurée de la couche. L’activité du carbone à la surface de l’acier, les réactions d’oxydation, la diffusion à travers l’austénite et la durée d’exposition variaient toutes simultanément. Un profil de dureté réalisé après un tel cycle ne doit donc pas être interprété selon une règle simple voulant qu’une température plus élevée entraîne toujours une plus grande profondeur de décarburation.

### Analyse chimique et profondeur d’échantillonnage

L’analyse chimique répond à une question différente : quelle quantité de carbone est présente dans le matériau retiré ou prélevé à un emplacement défini ? Elle constitue donc l’approche la plus directe du point de vue de la composition, mais « directe » ne signifie pas spatialement exacte. Le résultat représente le volume de matériau recueilli, et non nécessairement la concentration en carbone dans un plan géométrique donné.

L’analyse globale par combustion, par exemple, peut mesurer précisément le carbone dans une éprouvette préparée, tout en effectuant une moyenne sur l’ensemble de l’épaisseur de l’échantillon. Elle ne peut pas identifier un gradient de surface de 20 micromètres si l’échantillon fait plusieurs millimètres d’épaisseur. Pour résoudre la décarburation, l’analyste doit retirer des couches successives, prélever une tranche mince soigneusement définie ou utiliser une technique de microanalyse caractérisée par un volume d’interaction connu. La géométrie de l’échantillonnage fait partie intégrante du résultat.

L’enlèvement de matière en surface est particulièrement important. Si une éprouvette est analysée avec de la calamine, de l’huile, des débris de meulage ou une couche de matériau retirée involontairement, la valeur de carbone rapportée peut ne pas correspondre à la surface initiale de l’acier. Le décapage chimique, l’usinage, l’enlèvement électrolytique ou le meulage contrôlé peuvent chacun modifier l’incrément de profondeur et introduire une contamination. La méthode doit documenter la surface de référence initiale, la quantité retirée à chaque étape, la surface ou la masse recueillie, ainsi que le fait que la valeur rapportée corresponde à une moyenne sur une couche ou à une mesure ponctuelle.

Un profil chimique établi couche par couche peut révéler une concentration en carbone qui augmente progressivement vers le cœur plutôt qu’une interface nette. Ce profil peut ne pas produire la même « profondeur » qu’un critère de dureté ou qu’une limite métallographique. Une méthode peut définir la profondeur affectée comme l’endroit où le carbone atteint une fraction choisie de la valeur nominale du matériau massif ; une autre peut la définir comme l’endroit où la morphologie de la ferrite ou des carbures n’est plus discernable. Les valeurs peuvent différer sans qu’aucun des deux essais ne soit invalide.

L’atmosphère du four fournit un contexte utile pour interpréter de tels profils. L’ouvrage de 2013 d’ASM International, *Furnace Atmosphere Controls in Heat Treating*, identifie la concentration de vapeur d’eau, la concentration de dioxyde de carbone et la pression partielle d’oxygène comme des variables utilisées pour contrôler le potentiel carbone du four et prévenir la décarburation. Les échanges de carbone sont régis par la différence d’activité du carbone entre l’acier et l’atmosphère, ainsi que par la cinétique de la réaction de surface. Le supplément de 2020 *2704CP Handbook* d’Eurotherm décrit l’estimation courante du potentiel carbone du four à partir de mesures de l’oxygène réalisées avec une sonde en zircone, combinées à la température du four et à la teneur en monoxyde de carbone, ou à partir de mesures du point de rosée.

Ces mesures constituent des éléments de preuve relatifs au procédé, et non une preuve de la teneur en carbone à la surface d’un composant. Le guide de frittage de Linde publié en 2023 indique que la vapeur d’eau présente dans les atmosphères N2/H2 provoque une décarburation et cite une recommandation expérimentale selon laquelle une teneur en hydrogène inférieure à 5 % limitait les vitesses de carburation et de décarburation dans les conditions de frittage indiquées. Cette valeur est conditionnelle et ne constitue pas une règle universelle applicable aux fours. Une exposition à un excès d’oxygène peut provoquer une oxydation, la formation de calamine et une décarburation, comme l’indique le guide de Cambridge consacré au contrôle de l’atmosphère pour les métaux.

### Corrélation entre dureté, microstructure et concentration en carbone

L’interprétation la plus solide repose sur la concordance entre des observations indépendantes. Une région de surface présentant une diminution de la teneur en carbone, une augmentation de la ferrite ou une diminution de la fraction de carbures, ainsi qu’une dureté plus faible, fournit un diagnostic cohérent de décarburation. Si seule la dureté varie, le résultat est indicatif. Si seule la teneur en carbone varie, l’analyste doit néanmoins prendre en compte l’étalement dû à l’échantillonnage, l’effet de moyenne et la préparation de surface. Si la microstructure varie sans gradient de carbone, l’histoire des transformations ou la ségrégation des éléments d’alliage peut en être responsable.

La corrélation exige que les emplacements soient correspondants. Le profil de dureté, la coupe métallographique et les prélèvements destinés à l’analyse chimique doivent être réalisés sur des coupes adjacentes ou sériées, avec une référence de surface commune. Un prélèvement de carbone qui effectue une moyenne sur les premiers 0,5 mm ne peut pas être comparé directement à une variation de dureté limitée aux premiers 0,1 mm. De même, une micrographie prise dans un angle peut ne pas représenter une grande surface plane, car la géométrie des bords modifie le transfert thermique et l’accès des gaz.

L’interprétation fondée sur les normes bénéficie de cette combinaison de méthodes lorsqu’une spécification, une expertise de défaillance ou un litige exige des éléments de preuve plus solides. La norme ASTM E1077-14(2021) désigne l’analyse quantitative rigoureuse ou linéaire comme approche de référence en cas de litige. Cette disposition est importante, car un contrôle rapide de la dureté peut identifier un matériau suspect, tandis qu’un examen quantitatif plus contrôlé peut établir la profondeur rapportée. Les normes ISO 3887:2023 et SAE J419\_201801 fournissent le cadre nécessaire à la sélection et à l’application des approches de mesure pertinentes ; le rapport de laboratoire doit néanmoins indiquer le critère utilisé, l’emplacement du prélèvement, la procédure de préparation, l’espacement des mesures du profil et, lorsque ces données sont disponibles, l’incertitude ou la répétabilité.

Une conclusion pratique s’impose : la dureté est souvent efficace pour localiser une transition, l’analyse chimique est utile pour confirmer la composition et la microscopie permet d’expliquer quelles phases ont évolué. Aucune de ces méthodes ne doit être considérée comme un substitut universel aux autres. La profondeur de décarburation rapportée n’a de signification que si la méthode d’essai, le volume d’échantillonnage, le critère d’acceptation et l’histoire thermique de l’acier sont indiqués parallèlement à la valeur mesurée.

## Contrôle de la décarburation lors des traitements thermiques et du frittage

Le contrôle de la décarburation commence par le potentiel carbone, et non par une recette nominale de gaz de four. Un mélange étiqueté « endothermique », « azote–méthanol » ou « N₂/H₂ » peut produire des conditions de transfert du carbone différentes lorsque la température, l’humidité, les fuites, le débit de gaz ou l’équilibre de combustion varient. L’acier réagit à l’activité du carbone à sa surface ainsi qu’aux vitesses des réactions superficielles qui consomment ou fournissent du carbone. Le carbone diffuse ensuite à travers l’austénite vers la surface. Le contrôle du four doit donc mesurer les variables de l’atmosphère qui régissent l’activité du carbone, plutôt que de supposer qu’une composition gazeuse fixe produira un résultat fixe.

Le potentiel carbone requis doit être établi en fonction de la nuance, de la dimension de la section, du cycle de chauffage et de maintien, ainsi que de toute opération ultérieure de cémentation, de trempe neutre ou de recuit brillant. Une atmosphère neutre pour une nuance au carbone ordinaire n’est pas automatiquement neutre pour un acier fortement allié, et le même point de consigne ne convient pas nécessairement à toutes les températures. L’objectif est de maintenir l’activité du carbone en surface suffisamment proche de la condition d’équilibre requise par l’acier afin d’empêcher la perte de carbone sans provoquer de cémentation indésirable.

### Réglage et maintien du potentiel carbone du four

Le potentiel carbone est l’activité effective du carbone que l’atmosphère du four peut imposer à l’acier à une température donnée. Si l’atmosphère présente un potentiel carbone inférieur à celui de la surface de l’acier, le carbone quitte l’acier. Si son potentiel est supérieur, le carbone y pénètre. Une excursion de courte durée peut avoir de l’importance lorsque la charge est mince, que la surface spécifique est élevée ou que le matériau reste longtemps à température.

L’ouvrage *Furnace Atmosphere Controls in Heat Treating* de l’ASM identifie la concentration de vapeur d’eau, la concentration de dioxyde de carbone et la pression partielle d’oxygène comme des variables du four utilisées pour contrôler le potentiel carbone et prévenir la décarburation. Ces variables sont liées par les réactions entre le monoxyde de carbone, le dioxyde de carbone, l’hydrogène, la vapeur d’eau et le carbone à la surface de l’acier. Une faible augmentation de H₂O ou de CO₂ peut donc modifier l’atmosphère effective, même lorsque les débits affichés d’azote, d’hydrogène ou de gaz d’enrichissement restent inchangés.

Les points de consigne doivent être établis à partir de la spécification de l’acier, de la qualification du procédé et des travaux d’étalonnage du four. Ils ne doivent pas être copiés d’un tableau de débits de gaz sans vérifier la température et la réponse de l’analyseur. Pour un cycle de trempe, le potentiel choisi peut être proche de la neutralité ou légèrement cémentant à la température d’austénitisation ; pour un cycle de frittage, les niveaux admissibles d’oxygène et d’humidité peuvent être spécifiés plus directement, car les pièces de métallurgie des poudres peuvent présenter une grande surface spécifique et une porosité interconnectée.

La température doit être contrôlée avec autant de rigueur que l’atmosphère. L’activité du carbone, les vitesses de réaction et la diffusion du carbone augmentent ou évoluent toutes avec la température, mais la profondeur de décarburation n’augmente pas nécessairement de manière linéaire. Une étude publiée en 2021 sur un acier à ressort Fe-0.6C-1.8Si-0.8Mn, réalisé entre 700 et 1000 °C, a montré que l’épaisseur de ferrite décarburée augmentait jusqu’à environ 800–825 °C, puis diminuait. Ce résultat traduit l’action concurrente de la diffusion, de l’oxydation, des transformations de phase et des réactions superficielles. Une température de four plus élevée ne constitue donc pas, à elle seule, la preuve d’une décarburation mesurée plus importante.

Le contrôle de l’atmosphère nécessite également un plan d’alarme et d’intervention. La défaillance d’une sonde, l’augmentation du point de rosée, la diminution du potentiel carbone, la perte de gaz d’enrichissement ou une variation inexpliquée du CO doivent entraîner, selon le risque associé au procédé, un maintien, une correction maîtrisée ou la mise en quarantaine de la charge. Un régulateur qui se contente d’actionner une vanne vers son point de consigne alors que le dispositif de mesure est encrassé peut maintenir une valeur affichée tout en produisant un acier décarburé.

![Décarburation de l’acier : causes, mesure et contrôle](/images/uploads/629badba-7494-4dc9-9fec-f9d297d99159/wiki-inline-a-heat-treatment-furnace-control-station-with-a-zirconia-oxygen-probe-dew-point-1920x1094.jpg)[](/images/uploads/629badba-7494-4dc9-9fec-f9d297d99159/wiki-inline-a-heat-treatment-furnace-control-station-with-a-zirconia-oxygen-probe-dew-point-1920x1094.avif "Agrandir l'image — Décarburation de l’acier : causes, mesure et contrôle")Carbon-potential control depends on temperature and atmosphere measurements rather than a nominal gas recipe alone.

### Capteurs, point de rosée, sondes à oxygène, température et monoxyde de carbone

Le supplément au *2704CP Handbook* d’Eurotherm décrit deux méthodes courantes d’estimation du potentiel carbone du four. La première associe une mesure de l’oxygène par sonde en zircone à la température du four et à la teneur en monoxyde de carbone. La seconde utilise une mesure du point de rosée. Ces méthodes sont liées, mais elles ne correspondent pas à des mesures interchangeables fournies par un seul et même capteur physique.

Une sonde à oxygène en zircone mesure le potentiel d’oxygène au moyen de la tension générée aux bornes d’un électrolyte en zircone à la température du four. Avec une teneur en CO connue ou contrôlée, le signal de la sonde et la température peuvent être convertis en une estimation du potentiel carbone. La compensation en température est essentielle : une même tension de sonde ne représente pas le même potentiel d’oxygène ou de carbone à des températures différentes. La teneur en CO est également indispensable au calcul. Si le régulateur suppose une valeur constante de CO alors que la composition réelle du gaz varie, le potentiel carbone indiqué peut être erroné, même si la cellule en zircone fonctionne correctement.

L’emplacement de la sonde est important. La mesure doit représenter l’atmosphère autour de la charge, et non celle d’un angle stagnant, d’un tube d’échantillonnage froid ou d’une zone proche d’une fuite d’air. La suie, la calamine, les condensats, le vieillissement de la sonde, le bruit électrique et les problèmes liés à l’air de référence peuvent fausser les relevés. Les opérateurs doivent vérifier la réponse de la sonde dans une condition d’étalonnage connue, inspecter la sonde et ses éléments de protection, puis comparer le signal avec des données indépendantes sur l’atmosphère après une opération de maintenance ou en cas de dérive inexpliquée. L’étalonnage ne peut pas corriger une sonde installée à un endroit où l’atmosphère du four n’est pas représentative.

La mesure du point de rosée constitue une autre méthode de surveillance, fondée sur la mesure de la teneur en humidité du gaz, généralement après un prélèvement et un refroidissement contrôlés. L’humidité est une variable d’alerte directe, car la vapeur d’eau peut oxyder le carbone à la surface de l’acier. L’ASM cite la concentration de vapeur d’eau parmi les variables utilisées pour contrôler le potentiel carbone, tandis que les recommandations de Linde pour le frittage, publiées en 2023, indiquent que la vapeur d’eau dans les atmosphères N₂/H₂ provoque une décarburation. Linde fournit également une règle directrice expérimentale selon laquelle une teneur en hydrogène inférieure à 5 % limite les vitesses de cémentation et de décarburation dans les conditions de frittage citées. Cette valeur est propre au procédé et ne constitue pas une limite universelle applicable à tous les fours, alliages, températures ou points de rosée.

Le point de rosée peut révéler l’entrée d’eau due à des réfractaires humides, à un séchage insuffisant du gaz, à des fuites, au nettoyage du four ou à une purge incomplète. Il ne peut pas, à lui seul, décrire toutes les réactions qui influent sur le potentiel carbone. Un point de rosée bas ne prouve pas que la charge est à l’abri si de l’air entre par le joint d’une porte ou si les conditions de CO₂, de CO, de température et de débit sont anormales. Pour cette raison, un système de mesure du point de rosée doit être interprété conjointement avec les mesures de température, de débit et de pression et, le cas échéant, avec celles de l’oxygène et du CO.

### Pratique de chargement, étanchéité, distribution des gaz et vérification du procédé

Une atmosphère bien contrôlée ne peut pas compenser une mauvaise pratique de chargement. Les pièces doivent être disposées de manière à permettre au gaz d’atteindre toutes les surfaces exposées et à éviter que les zones fortement compactées ne forment des régions stagnantes retenant l’humidité. Les paniers, montages, plateaux et revêtements de protection ne doivent pas bloquer l’écoulement autour des surfaces critiques. Les charges lourdes peuvent consommer le gaz d’enrichissement ou retarder le renouvellement de l’atmosphère, tandis que les charges froides ou humides peuvent libérer de l’humidité pendant la partie la plus sensible du cycle de chauffage.

L’étanchéité du four mérite la même attention que les analyseurs. Les jeux des portes, les fissures des moufles, les commandes des brûleurs, les joints des arbres de ventilateurs, les conduites d’échantillonnage et les ouvertures de transfert mal fermées peuvent entraîner l’aspiration d’air dans un four fonctionnant à basse pression. L’entrée d’air fournit de l’oxygène et peut provoquer une oxydation et une décarburation locales, même lorsque l’analyseur principal indique une valeur acceptable. Une pression positive, lorsqu’elle est adaptée à la conception du four, réduit les infiltrations, mais une pression excessive peut pousser le gaz de procédé à travers les joints et créer d’autres dangers. Des contrôles d’étanchéité doivent être effectués après les opérations de maintenance et chaque fois que les tendances de l’oxygène, du point de rosée ou du CO évoluent sans explication crédible liée au procédé.

La distribution des gaz doit être vérifiée et non déduite du débit total. Il convient de vérifier le fonctionnement de l’arrivée et de l’évacuation, les performances du ventilateur de circulation, la durée de purge, le fonctionnement du débitmètre et la stabilité de la pression. Dans le frittage continu, les zones doivent être inspectées séparément : l’atmosphère des sections de préchauffage, de haute température et de refroidissement peut être très différente. La vapeur d’eau libérée dans une zone peut se condenser ou réagir en aval, et un seul analyseur peut ne pas détecter une condition locale au niveau de la surface de la pièce.

La vérification du procédé se termine par l’examen de l’acier. Les échantillons représentatifs doivent inclure les emplacements les plus exposés à l’atmosphère du four ainsi que les zones les plus susceptibles d’être protégées par le contact ou l’empilage. La norme ISO 3887:2023, *Aciers — Détermination de la profondeur de décarburation*, spécifie trois méthodes de mesure de la profondeur de décarburation dans les produits en acier. La norme ASTM E1077-14(2021), *Standard Test Methods for Estimating the Depth of Decarburization of Steel Specimens*, couvre les procédures de contrôle, d’examen microscopique, de mesure de la dureté par microindentation et d’analyse chimique. En cas de litige, ASTM désigne l’analyse quantitative rigoureuse ou l’analyse linéaire comme méthode de référence. La norme SAE J419\_201801, *Methods of Measuring Decarburization*, fournit des pratiques recommandées d’examen microscopique, de mesure de dureté et d’analyse chimique pour les matériaux ferreux.

La méthode d’essai peut modifier la profondeur rapportée. Un profil de dureté peut mettre en évidence une zone fonctionnellement adoucie, tandis que la métallographie peut distinguer la décarburation de la ferrite d’une décarburation partielle ou différencier les dommages dus à l’oxydation. Les résultats doivent donc être comparés en utilisant la même norme, la même orientation de section, la même méthode de préparation, le même grossissement et le même critère d’acceptation. Si l’enregistrement du four semble satisfaisant mais que l’acier représentatif n’est pas conforme, il faut examiner le retard de la sonde, l’emplacement de l’échantillon, l’effet d’écran de la charge, l’humidité, l’entrée d’air et la validité du calcul du potentiel carbone avant de relever simplement le point de consigne. Une telle réaction peut remplacer la décarburation par une cémentation sans corriger le défaut sous-jacent.

## Conséquences de la correction, de la suppression, de l’acceptation et du rejet

La correction et l’acceptation dépendent de la spécification applicable, de la géométrie, du risque en service et de l’état résiduel vérifié.
| Décision | Cas où elle peut être appropriée | Vérification requise |
|---|---|---|
| Accepter | L’état mesuré satisfait à l’exigence applicable | Documenter la méthode, le critère et le résultat |
| Éliminer par usinage ou meulage | La couche affectée se situe dans la surépaisseur approuvée | Réinspecter la surface corrigée et la géométrie restante |
| Retraiter | Un cycle thermique complet qualifié peut rétablir les propriétés requises | Requalifier l’atmosphère, le chauffage, le refroidissement et les propriétés finales |
| Rejeter ou déclasser | La surface ou la section critique ne peut pas satisfaire à l’exigence | Consigner les éléments mesurés et la décision technique |

La décarburation n’est pas automatiquement un motif de rejet, mais elle ne constitue pas non plus un défaut que l’usinage corrige toujours. La décision dépend de la quantité de carbone perdue, de l’étendue de la zone affectée, des surfaces qui supportent les charges et du fait que la géométrie spécifiée laisse ou non suffisamment de matière pour permettre une suppression. Une fine couche ferritique située dans une surépaisseur d’usinage peut être éliminée sans compromettre les performances. La même profondeur mesurée sur un ressort fini, une dent d’engrenage, une portée de roulement ou un arbre soumis à la fatigue peut représenter une perte importante de capacité fonctionnelle. \[5\] \[5\] [**Standard Test Methods for Estimating the Depth of Decarburization of Steel Specimens**](https://store.astm.org/e1077-14r21.html). ASTM International. ASTM standard, 2021.

La première décision doit reposer sur une mesure vérifiée, et non sur la couleur de la calamine ou sur une seule empreinte de dureté. La norme ISO 3887:2023, *Aciers — Détermination de la profondeur de décarburation*, spécifie trois méthodes pour déterminer la profondeur de décarburation des produits en acier. La norme ASTM E1077-14(2021), *Méthodes d’essai normalisées pour l’estimation de la profondeur de décarburation des éprouvettes en acier*, couvre les procédures de dépistage, d’examen microscopique, de mesure de la dureté par microindentation et d’analyse chimique. Lorsque les résultats sont contestés, la norme ASTM E1077-14(2021) désigne l’analyse quantitative rigoureuse ou l’analyse linéaire comme méthode d’arbitrage. La norme SAE J419\_201801 définit également des pratiques recommandées d’examen microscopique, de mesure de la dureté et d’analyse chimique pour les matériaux ferreux.

Ces méthodes ne mettent pas nécessairement en évidence la même limite. Une méthode métallographique peut identifier une zone dans laquelle la perlite ou la martensite s’est transformée en ferrite, tandis qu’un profil de dureté peut montrer une transition plus progressive et définir la profondeur affectée selon un critère de dureté sélectionné. L’analyse chimique peut mesurer directement la concentration en carbone, mais elle peut aussi donner une valeur moyenne sur un volume d’échantillonnage. Par conséquent, « éliminer la décarburation » est une indication incomplète si la profondeur d’élimination requise et la méthode utilisée pour la vérifier ne sont pas précisées.

### Quand le matériau décarburé peut être éliminé par usinage ou rectification

L’élimination est généralement techniquement possible lorsque la couche affectée se trouve entièrement dans une surépaisseur d’usinage ou de rectification approuvée. Le tournage, le fraisage, la rectification cylindrique, la rectification plane et l’enlèvement contrôlé de matière peuvent mettre à nu un matériau présentant la teneur en carbone et le profil de dureté requis. La section restante doit néanmoins satisfaire aux exigences du plan, aux tolérances dimensionnelles, aux exigences d’état de surface et à toute exigence relative à la profondeur de couche ou au traitement thermique. Une pièce ne peut pas être déclarée corrigée simplement parce qu’une surface pâle ou tendre a disparu.

Le calcul de l’enlèvement doit tenir compte de la géométrie de la surface affectée. Si un arbre cylindrique perd 0,20 mm de rayon au cours de la rectification, son diamètre diminue de 0,40 mm. Sur une face plane, l’élimination de 0,20 mm réduit l’épaisseur de 0,20 mm. Une décarburation située sur un congé, un flanc de dent, un pied de filet ou une rainure de clavette peut être difficile à éliminer uniformément ; une rectification locale peut créer une contre-dépouille, des transitions vives ou des contraintes résiduelles de traction. Ces effets peuvent être plus préjudiciables que la perte de carbone initiale.

La surépaisseur nécessaire est également déterminée par le profil réel de carbone, et pas uniquement par la profondeur visible de la ferrite. Une zone partiellement décarburée peut présenter un gradient de carbone qui s’étend sous une couche entièrement ferritique. Si la propriété spécifiée dépend d’une dureté minimale ou d’une concentration minimale en carbone, la profondeur d’élimination doit atteindre ce critère sur toute la surface concernée. La vérification doit normalement être effectuée sur une coupe transversale représentative de la zone corrigée, la méthode et l’emplacement ayant été convenus avant la décision concernant la pièce.

L’usinage est généralement plus défendable pour un composant forgé ou laminé à l’état brut que pour un composant fini ne disposant que de peu de surépaisseur. Il peut également être approprié lorsque la surface affectée n’est pas fonctionnelle et que le plan autorise un enlèvement de matière. Il ne constitue pas un remède général pour un composant dont la surface critique a déjà atteint ses dimensions finales. La rectification ne peut pas rétablir une surépaisseur que la conception a déjà consommée.

La cause doit être traitée simultanément. L’ouvrage de l’ASM, *Furnace Atmosphere Controls in Heat Treating*, identifie la concentration en vapeur d’eau, la concentration en dioxyde de carbone et la pression partielle d’oxygène comme des variables du four utilisées pour contrôler le potentiel carbone et limiter la décarburation. Le supplément au *2704CP Handbook* d’Eurotherm décrit l’estimation courante du potentiel carbone à partir des mesures d’oxygène effectuées avec une sonde en zircone, combinées à la température du four et à la teneur en monoxyde de carbone, ou à partir de la mesure du point de rosée. Une pièce corrigée provenant d’un four qui continue à produire un faible potentiel carbone ne constitue pas une correction du procédé ; il s’agit d’une opération temporaire de tri.

### Quand une correction n’équivaut pas à une restauration

L’élimination d’une surface tendre ne rétablit ni la matière perdue, ni la géométrie modifiée, ni l’historique initial du traitement thermique. Cette distinction est essentielle dans le chapitre de l’ASM intitulé *Steel Decarburization—Mechanisms, Models, Prevention, Correction, and Effects on Component Life*. La décarburation résulte du déplacement du carbone à travers le fer austénitique vers une surface dont l’activité du carbone est inférieure à celle de l’acier, tandis que les réactions de surface avec l’atmosphère du four consomment du carbone. La zone finale dépend de la diffusion, de la température, de la durée d’exposition, de l’activité du carbone et de la cinétique des réactions de surface.

Une nouvelle chauffe ne peut reconstituer le carbone que dans des conditions de cémentation contrôlées, et elle peut introduire de nouveaux problèmes : croissance des grains, déformation, oxydation, austénite résiduelle, teneur excessive en carbone dans la couche ou profil de dureté différent de celui spécifié initialement. Le réchauffage d’un composant trempé et revenu n’équivaut pas à la répétition du traitement initial, sauf si l’ensemble du cycle thermique, l’atmosphère, la vitesse de refroidissement et la réponse au revenu ont été qualifiés. Pour une nuance durcissable par précipitation, une nuance pour outils, pour ressorts ou pour roulements, la correction requise peut impliquer une requalification complète plutôt qu’un traitement local de surface.

La perte de carbone modifie également la microstructure avant même que la matière ne soit éliminée. Une région décarburée peut contenir de la ferrite là où le traitement prévu aurait produit de la perlite, de la bainite ou de la martensite. La rectification de cette région ne rétablit pas les modifications dimensionnelles, la décarburation située sous une géométrie inaccessible ni un état de traitement thermique qui aurait été dépassé au cours du procédé. Elle ne prouve pas non plus que l’acier restant possède la dureté à cœur, la profondeur de couche, la ténacité ou l’état de contraintes résiduelles spécifiés.

La température seule ne permet pas de prévoir le résultat. Une étude publiée en 2021 dans le *Journal of Materials Research and Technology* sur un acier à ressort Fe-0.6C-1.8Si-0.8Mn, testé entre 700 et 1000 °C, a montré que l’épaisseur de ferrite décarburée augmentait jusqu’à environ 800–825 °C, puis diminuait. Ce comportement non monotone reflète la concurrence entre les effets de diffusion et d’oxydation. Les relevés d’atmosphère sont donc importants. Linde indique que la vapeur d’eau présente dans les atmosphères N2/H2 provoque une décarburation et cite une teneur en hydrogène inférieure à 5 % comme valeur indicative expérimentale limitant les vitesses de cémentation et de décarburation dans des conditions de frittage spécifiées ; cette valeur ne constitue pas une règle universelle applicable à tous les fours.

L’acceptation doit découler de la spécification produit applicable, du plan, de la norme de traitement thermique ou de l’exigence contractuelle. Aucune profondeur unique de décarburation n’est valable pour toutes les nuances ou tous les composants. Le document de référence peut spécifier une décarburation totale, partielle ou ferritique, un profil de dureté, une limite de teneur en carbone, une exigence liée à un emplacement donné, ou l’absence de limite parce qu’un usinage ultérieur élimine la zone. Si l’exigence est silencieuse, la décision technique doit reposer sur des éléments mesurés et sur une analyse du service, plutôt que sur une surépaisseur supposée applicable à toute l’industrie.

### Effets sur la fatigue, l’usure, la résistance et la durée de vie des composants

La fatigue est souvent le mode de défaillance le plus sensible, car les fissures s’amorcent sur les surfaces ou à proximité de celles-ci, là où interagissent les contraintes cycliques de traction, la rugosité, les inclusions, les entailles et les contraintes résiduelles. Une couche décarburée peut réduire la dureté et la limite d’élasticité en surface, augmenter la déformation plastique locale et modifier le gradient de dureté sous la surface. En flexion ou en torsion, cette couche peut se trouver exactement à l’endroit où la contrainte alternée est la plus élevée. Son élimination peut rétablir les performances en fatigue uniquement si la géométrie finale, l’état de surface, les contraintes résiduelles et la microstructure sous-jacente restent acceptables.

Le comportement à l’usure dépend de la pression de contact, des conditions de glissement ou de roulement, de la lubrification et du profil de dureté. Une couche ferritique tendre sur le flanc d’une dent d’engrenage, une came, un rail, un tourillon d’arbre ou une portée de roulement peut se déformer, s’étaler, provoquer du grippage ou s’user rapidement. En contact de roulement, la transition entre une zone superficielle tendre et un matériau plus dur peut concentrer les déformations et favoriser le phénomène de piqûres ou d’écaillage. Un composant peut réussir un essai de traction tout en tombant prématurément en panne en service parce que sa surface de contact ne possède pas la couche durcie spécifiée.

Les conséquences sur la résistance statique dépendent de la perte de section et de l’emplacement du défaut. Pour une section importante faiblement sollicitée, une zone superficielle peu profonde peut avoir un effet limité sur la résistance ultime à la traction. Dans un fil de ressort de faible diamètre, une pièce à paroi mince, un congé vif ou un pied de dent fortement chargé, la même profondeur peut représenter une fraction importante de la section porteuse. La diminution de la teneur en carbone peut réduire localement la dureté et la résistance, tandis que la rectification peut réduire davantage la section nette. Une modification géométrique apparemment minime peut accroître sensiblement la concentration de contraintes.

La durée de vie d’un composant ne peut donc pas être déduite de la seule profondeur de décarburation. La nuance, la teneur en carbone, la trempabilité de l’alliage, la profondeur affectée, le gradient de dureté, la contrainte superficielle, le mode de sollicitation, le rapport de contraintes, la sévérité de l’entaille, les contraintes résiduelles, l’environnement et la sensibilité de l’inspection sont tous déterminants. La décision appropriée peut consister à accepter la pièce, à éliminer la zone puis à effectuer une nouvelle inspection, à retraiter la pièce au moyen d’un traitement thermique qualifié, à la déclasser ou à la rejeter. La décision doit préciser la condition mesurée, l’exigence applicable, la quantité de matière éliminée et les éléments démontrant que le composant restant — et pas seulement son aspect — peut assurer la durée de vie prévue.

## Une procédure d’investigation et de rapport fondée sur les normes

La décarburation doit être examinée comme une question de conformité, et non comme une impression visuelle. Une couche de calamine sombre, une bande ferritique, une baisse de dureté et un gradient de carbone mesuré sont des observations liées, mais elles ne constituent pas des résultats interchangeables. L’investigation doit établir le lien entre l’exigence applicable au produit, la surface d’origine, la méthode d’examen, l’exposition thermique et l’atmosphère du four.

ISO 3887:2023, *Aciers — Détermination de la profondeur de décarburation*, spécifie trois méthodes de mesure de la profondeur de décarburation dans les produits en acier. ASTM E1077-14(2021), *Méthodes d’essai normalisées pour l’estimation de la profondeur de décarburation des éprouvettes en acier*, couvre les procédures de contrôle préliminaire, d’examen microscopique, de microdureté par indentation et d’analyse chimique. SAE J419\_201801, *Méthodes de mesure de la décarburation*, présente des pratiques recommandées d’examen microscopique, de mesure de la dureté et d’analyse chimique pour les matériaux ferreux. Ces documents fournissent des méthodes ; à eux seuls, ils ne déterminent pas si une coulée, une barre, une pièce forgée, une tôle ou un composant fini donné est acceptable.

### Définir la question et l’exigence d’acceptation applicable

Commencez par préciser la décision à prendre. Les questions possibles comprennent notamment :

- Le matériau est-il totalement décarburé, partiellement décarburé ou exempt de décarburation mesurable ?
- Quelle est la profondeur maximale admissible à partir de la surface d’origine ?
- L’exigence s’applique-t-elle à une seule surface, à toutes les surfaces, à une longueur d’échantillonnage spécifiée ou à l’ensemble du lot ?
- La limite est-elle exprimée sous forme de distance, de concentration en carbone, de variation de dureté, de limite métallographique ou de surépaisseur d’usinage autorisée ?
- L’exigence concerne-t-elle le produit livré ou le composant fini après rectification, tournage, grenaillage ou autre enlèvement de matière superficielle ?

La réponse doit provenir de la spécification d’achat applicable, de la norme produit, du plan, de la spécification de traitement thermique ou du document d’acceptation du client. Consignez la désignation exacte et sa révision. Par exemple, identifiez un matériau comme **AISI/SAE 1045** uniquement lorsque cette désignation est étayée par les dossiers matière, et identifiez séparément la norme produit, telle que **ASTM A29/A29M**, lorsque cette norme régit la barre. Ne remplacez pas une nuance spécifiée par une nuance nominale présentant une teneur en carbone similaire. **SAE J403 Grade 1045**, une spécification de produit ASTM et une désignation de nuance interne peuvent présenter une composition chimique apparentée, mais des dispositions différentes en matière d’échantillonnage, de mise en œuvre ou d’acceptation.

L’investigation doit également définir la « profondeur ». La profondeur de décarburation totale peut s’achever là où les phases riches en carbone ont disparu ; la profondeur de décarburation partielle peut s’étendre jusqu’au point où la teneur en carbone ou la microstructure retrouve celle du cœur non affecté. Un profil de dureté peut montrer une transition sans démontrer le profil exact du carbone. Inversement, un profil chimique peut identifier une perte de carbone alors qu’une surface transformée ou revenue rend la limite microstructurale moins évidente.

Rédigez la règle d’acceptation avant d’examiner l’éprouvette. Si l’exigence stipule « décarburation partielle maximale de 0,25 mm », le rapport ne doit pas lui substituer une valeur moyenne, une estimation visuelle ou le point le plus profond trouvé sur une section orientée différemment. En l’absence de critère d’acceptation, consignez l’état mesuré et signalez l’absence de règle de décision au lieu de déclarer le matériau acceptable.

### Sélectionner et documenter la méthode d’examen

Préservez la surface d’origine lors de l’échantillonnage. Repérez la surface avant la découpe, évitez tout meulage ou contact abrasif susceptible d’éliminer la couche affectée, et consignez la présence éventuelle de calamine, d’oxydation, d’un placage, d’un revêtement, de résidus de grenaillage ou de dommages d’usinage. Une éprouvette prélevée après dressage de la surface ne peut pas établir la profondeur de décarburation d’origine, sauf si la surépaisseur enlevée est connue et documentée.

L’emplacement et l’orientation de l’échantillonnage sont importants. Pour les barres, fils, tubes, tôles et pièces forgées, identifiez l’axe du produit, la section transversale ou longitudinale, la surface extérieure ou intérieure, l’angle, le bord et la distance par rapport à l’extrémité. Incluez les zones susceptibles d’avoir subi des expositions différentes dans le four, telles que les faces supérieure et inférieure, les angles arrondis, les extrémités ou les zones protégées par les dispositifs de fixation. Lorsque la réclamation concerne un défaut localisé, prélevez un échantillon au niveau de la zone signalée et, si possible, conservez une zone de comparaison non affectée située à proximité. Consignez le nombre d’éprouvettes et la raison du choix de chaque emplacement.

Choisissez la méthode en fonction de la question posée et du niveau de robustesse requis pour la décision. ISO 3887:2023 fournit trois approches de mesure ; l’approche sélectionnée, l’édition et l’article applicable doivent figurer dans le rapport. ASTM E1077-14(2021) autorise le contrôle préliminaire, l’examen microscopique, l’examen par microdureté et l’analyse chimique. Le contrôle préliminaire est utile pour localiser les zones suspectes, mais ne doit pas être présenté comme un résultat d’arbitrage lorsque la limite d’acceptation est proche de la valeur mesurée. ASTM E1077-14(2021) désigne l’analyse quantitative rigoureuse ou l’analyse linéaire comme approche d’arbitrage en cas de litige.

La microscopie constitue souvent la première méthode quantitative la plus pratique. Préparez une section normale à la surface, préservez le bord et indiquez la séquence de découpe, d’enrobage, de meulage, de polissage et d’attaque métallographique. Identifiez le réactif d’attaque et le grossissement d’examen. L’opérateur doit définir le critère de limite avant la mesure : disparition de la perlite ou d’autres constituants riches en carbone, modification de la morphologie de la ferrite, seuil d’image spécifié ou autre critère exigé par la norme sélectionnée. Indiquez si le résultat représente une décarburation totale, une décarburation partielle ou les deux.

La microdureté par indentation fournit un profil plutôt qu’une analyse directe du carbone. Indiquez le type d’indenteur, la force d’essai, l’espacement, la distance par rapport à la surface, l’orientation du profil et l’état d’étalonnage, ainsi que la règle utilisée pour identifier la transition. Des empreintes placées trop près du bord, trop proches les unes des autres ou au travers d’une limite microstructurale abrupte peuvent fausser le résultat. La dureté est également influencée par la taille des grains, la transformation de phase, le revenu, les contraintes résiduelles et l’austénite retenue ; une baisse de dureté doit donc être corrélée à l’examen microscopique.

Une analyse chimique peut être nécessaire lorsque le litige porte sur la concentration en carbone plutôt que sur une limite visible. Indiquez la technique, l’incrément d’échantillonnage, la surface ou la masse analysée, la résolution en profondeur, le matériau d’étalonnage, la limite de détection et précisez si le résultat correspond à un point, à une moyenne sur une couche ou à un profil reconstitué. Un gradient de carbone mesuré au moyen de couches épaisses ne peut pas étayer une affirmation précise concernant la profondeur.

Les enregistrements d’étalonnage et de préparation font partie du résultat. Consignez l’identification de l’instrument, la date d’étalonnage, les étalons de référence, la vérification du grossissement, la vérification de la dureté, l’analyste ainsi que l’incertitude de mesure ou la répétabilité. Mesurez plusieurs champs ou profils lorsque la norme et le plan d’acceptation le permettent, et indiquez les valeurs individuelles, la moyenne, l’étendue et le maximum lorsque chacune de ces valeurs présente une importance différente pour la décision.

### Relier les enregistrements du four aux données métallurgiques

Une zone superficielle mesurée constitue une preuve de l’état final du matériau, et non une explication complète de son origine. Examinez l’historique thermique complet : identification du four, numéro de coulée ou de charge, configuration du chargement, vitesse de chauffage, température d’austénitisation ou de frittage, durée de maintien, durée de transfert, conditions de refroidissement ainsi que toute opération de réchauffage ou de normalisation. Faites correspondre l’identité de l’éprouvette au relevé du four et au dossier de traçabilité du produit. Un relevé de four correspondant à la bonne date mais à la mauvaise charge ne constitue pas un élément probant.

Les données relatives à l’atmosphère doivent être interprétées conjointement avec la température et la durée. L’ouvrage d’ASM intitulé *Furnace Atmosphere Controls in Heat Treating* identifie la concentration en vapeur d’eau, la concentration en dioxyde de carbone et la pression partielle d’oxygène comme des variables utilisées pour contrôler le potentiel carbone du four et prévenir la décarburation. Le *2704CP Handbook supplement* d’Eurotherm décrit l’estimation courante du potentiel carbone à partir des mesures d’oxygène effectuées par une sonde en zircone, combinées à la température du four et à la teneur en monoxyde de carbone, ou à partir de la mesure du point de rosée. Consignez les valeurs réelles des capteurs, les événements d’alarme, les contrôles d’étalonnage, le rétablissement de la sonde, le débit de gaz et les périodes connues d’indisponibilité des capteurs ; ne considérez pas la consigne du régulateur comme la preuve de l’atmosphère réellement présente au niveau de la charge.

Le mécanisme est couplé. Le carbone diffuse à travers le fer austénitique vers une surface où l’activité du carbone est réduite par des réactions impliquant les gaz oxydants de l’atmosphère du four. La cinétique des réactions superficielles, la distance de diffusion, la température, la durée d’exposition et le potentiel carbone contribuent tous au phénomène. NIST décrit la zone de décarburation comme une perte superficielle de carbone et de phases riches en carbone lorsque le carbone de surface réagit avec l’oxygène pour former du monoxyde de carbone ou du dioxyde de carbone gazeux. La vapeur d’eau présente dans les atmosphères N2/H2 peut également provoquer une décarburation ; les recommandations de frittage de Linde publiées en 2023 rapportent qu’une teneur en hydrogène inférieure à 5 % limitait les vitesses de carburation et de décarburation dans les conditions indiquées, et non selon une règle universelle applicable à tous les fours.

La température seule ne peut pas expliquer tous les résultats. Une étude publiée en 2021 dans le *Journal of Materials Research and Technology* sur un acier à ressort Fe-0.6C-1.8Si-0.8Mn, testé entre 700 et 1000 °C, a constaté que l’épaisseur de ferrite décarburée augmentait jusqu’à environ 800–825 °C, puis diminuait. La diffusion et l’oxydation doivent donc être considérées conjointement.

Un rapport doit contenir l’identité de l’éprouvette ainsi que la coulée ou le lot ; la nuance et la spécification applicable ; l’état de la surface d’origine ; l’emplacement et l’orientation de l’échantillonnage ; le four et l’historique thermique ; les relevés d’atmosphère ; la norme d’examen et l’article applicable ; les détails de préparation ; l’étalonnage des instruments ; le profil de mesure ou le profil chimique ; les profondeurs de décarburation totale et partielle ; l’incertitude, la répétabilité et les limites ; les photographies ou cartographies ; la comparaison avec l’exigence d’acceptation ; ainsi que la justification de la décision.

Le processus reproductible est direct : identifier la nuance et l’historique thermique, préserver la surface d’origine, sélectionner et documenter les emplacements ainsi que l’orientation, choisir une méthode ISO, ASTM ou SAE, définir les critères de préparation et de mesure, comparer le profil mesuré à l’exigence applicable, puis corréler le résultat avec les relevés relatifs à l’atmosphère, à la température, au temps et aux capteurs. Ce n’est qu’ensuite que le matériau doit être accepté, retouché, soumis à un examen complémentaire ou rejeté.

## Références

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2. \[2\] ASM International. [Furnace Atmosphere Controls in Heat Treating](https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/8/chapter-abstract/106617/Furnace-Atmosphere-Controls-in-Heat-Treating). ASM Handbook, 2013. [](/fr/wiki/traitement-thermique/d%C3%A9carburation-de-l-acier-causes-mesure-et-contr%C3%B4le#wiki-cite-ref-2) https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/8/chapter-abstract/106617/Furnace-Atmosphere-Controls-in-Heat-Treating
3. \[3\] Linde. [Sintering of steels](https://static.prd.echannel.linde.com/wcsstore/EE_REN_Industrial_Gas_Store/pdf/Sintering-of-steels-brochure-EN.pdf). Linde technical guidance, 2023. [](/fr/wiki/traitement-thermique/d%C3%A9carburation-de-l-acier-causes-mesure-et-contr%C3%B4le#wiki-cite-ref-3) https://static.prd.echannel.linde.com/wcsstore/EE\_REN\_Industrial\_Gas\_Store/pdf/Sintering-of-steels-brochure-EN.pdf
4. \[4\] ASTM International. [Standard Test Methods for Estimating the Depth of Decarburization of Steel Specimens](https://store.astm.org/e1077-14r21.html). ASTM standard, 2021. [](/fr/wiki/traitement-thermique/d%C3%A9carburation-de-l-acier-causes-mesure-et-contr%C3%B4le#wiki-cite-ref-4) https://store.astm.org/e1077-14r21.html
5. \[5\] ASTM International. [Standard Test Methods for Estimating the Depth of Decarburization of Steel Specimens](https://store.astm.org/e1077-14r21.html). ASTM standard, 2021. [](/fr/wiki/traitement-thermique/d%C3%A9carburation-de-l-acier-causes-mesure-et-contr%C3%B4le#wiki-cite-ref-5) https://store.astm.org/e1077-14r21.html

 **En bref**

Phénomène principal

Perte de carbone ou de phases riches en carbone près de la surface

Région touchée

Zone décarburée

Produits gazeux courants

CO et CO₂

Principaux facteurs déterminants

Activité du carbone, chimie de l’atmosphère, diffusion, température, durée et méthode d’essai

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