Trempabilité de l’acier et essai Jominy de trempe en bout

La trempabilité n’est pas la dureté

Un acier peut être dur en surface sans être profondément trempé. Cette affirmation est essentielle pour interpréter correctement un résultat Jominy. La dureté est la résistance d’un matériau à la pénétration ou à une autre forme spécifiée de déformation, mesurée par une méthode telle que Rockwell, Brinell ou Vickers. La trempabilité est différente : elle décrit jusqu’à quelle profondeur, et avec quelle uniformité, un acier développe de la dureté lorsqu’un traitement défini d’austénitisation et de trempe produit un historique de refroidissement défini.

Cette distinction est importante, car la dureté est un état mesuré en un emplacement particulier, tandis que la trempabilité décrit la réponse d’un matériau à travers une section. Une valeur unique de Rockwell C relevée en surface n’identifie ni la vitesse de refroidissement qui l’a produite, ni la microstructure sous-jacente, ni la dureté conservée au centre d’une pièce. Dire simplement qu’un acier est « dur » ne permet pas de répondre à ces questions. Le présent article emploie donc la terminologie de l’ASTM A255 et d’ASM International, plutôt que de considérer la dureté et la trempabilité comme des propriétés interchangeables.

Définitions utilisées par l’ASTM A255 et ASM International

L’ASTM A255-20 définit la trempabilité comme « la profondeur jusqu’à laquelle l’acier se trempe lors de la trempe ». Cette définition est concise, mais son mot important est profondeur. La trempabilité n’est pas un autre nom pour la valeur de dureté figurant sur un certificat d’essai. Elle concerne la pénétration de la trempe depuis la surface vers l’intérieur pendant le refroidissement.

Courbe de trempabilité JominyCourbe de trempabilité Jominy Graphique représentant la dureté mesurée en fonction de la distance par rapport à l’extrémité trempée à l’eau d’une éprouvette normalisée.

La même norme spécifie l’essai quantitatif de trempe en bout, ou essai Jominy. Son éprouvette est une barre cylindrique d’un pouce de diamètre. Après chauffage jusqu’à la condition d’austénitisation prescrite, une extrémité est trempée par un jet d’eau contrôlé. Des mesures de dureté sont ensuite effectuées à des distances croissantes de cette extrémité trempée. La courbe de dureté en fonction de la distance ainsi obtenue est la courbe de trempabilité Jominy.

L’ISO 642:2024 spécifie l’essai de trempabilité des aciers par trempe en bout, avec une éprouvette de 25 mm de diamètre et d’au moins 100 mm de longueur. Ces dimensions sont proches de celles de la spécification ASTM, mais ne constituent pas une simple reformulation informelle de cette dernière. Un résultat doit être rattaché à la norme et à l’édition qui ont défini l’éprouvette, le cycle de chauffage, le dispositif de trempe, les emplacements de mesure et la méthode de présentation des résultats. Dans le cas contraire, l’expression « dureté Jominy » peut désigner une valeur sans identifier un essai reproductible.

ASM International donne une signification métallurgique plus large. Son chapitre de 1990 consacré aux aciers au carbone et faiblement alliés décrit la trempabilité comme la propriété qui régit la profondeur et la répartition de la dureté produite par la trempe. ASM identifie également la composition de l’acier et la taille des grains d’austénite comme des facteurs principaux influençant la trempabilité. La teneur en carbone influe sur la dureté accessible par la martensite, tandis que les additions d’éléments d’alliage peuvent retarder, au cours du refroidissement, les transformations qui entrent en concurrence avec la formation de martensite. La taille des grains d’austénite modifie elle aussi le comportement lors des transformations. Ces facteurs agissent par l’intermédiaire de l’historique thermique ; ils ne transforment pas la trempabilité en une valeur de dureté fixe.

Pourquoi un acier dur peut avoir une trempabilité limitée

Considérons deux éprouvettes dont les surfaces trempées présentent la même dureté élevée. Cette observation établit uniquement que les régions superficielles ont atteint une microstructure et un état capables de produire ces valeurs. Elle ne permet pas d’établir que les deux éprouvettes ont été trempées jusqu’à la même profondeur.

La surface se refroidit le plus rapidement lors d’une trempe conventionnelle. Si l’acier a une trempabilité limitée, la surface peut se transformer principalement en martensite, tandis que les régions plus éloignées de la surface refroidissent plus lentement et forment des mélanges tels que de la bainite, de la perlite ou d’autres produits de transformation. Ces régions peuvent présenter une dureté bien plus faible que celle de la surface. Une petite éprouvette de laboratoire peut donc sembler entièrement dure, alors qu’un composant plus volumineux fabriqué à partir de la même coulée développe un cœur plus tendre, car la chaleur s’évacue moins rapidement depuis son intérieur.

C’est pourquoi la dureté et la trempabilité répondent à des questions d’ingénierie différentes. Un essai de dureté demande : « Quelle est la résistance de cet emplacement à l’indenteur spécifié ? » Un essai de trempabilité demande : « Comment la dureté évolue-t-elle avec la distance par rapport à une surface trempée, dans le cadre de ce dispositif de refroidissement défini ? » La première question peut recevoir une réponse favorable en un point, tandis que la seconde reste défavorable.

La composition chimique de l’acier illustre cette différence. Le carbone influe fortement sur la dureté maximale de la martensite, mais une dureté superficielle potentielle élevée ne garantit pas une trempe en profondeur. Inversement, les éléments d’alliage qui retardent les transformations par diffusion peuvent permettre à un acier de former de la martensite plus loin de la surface trempée, même si la dureté en un emplacement donné dépend de la teneur en carbone et de la microstructure locale. La taille des grains, le traitement thermique antérieur, la taille de l’éprouvette et la sévérité de la trempe influent également sur le résultat observé. La trempabilité est donc une réponse de l’acier dans des conditions données, et non une simple caractéristique isolée attachée à une nuance.

Une mesure de dureté superficielle peut également dissimuler une non-uniformité due à une décarburation, à une calamine, à des dommages de rectification, à de l’austénite retenue ou à un emplacement de mesure inadapté. Cette mesure peut être valide pour la surface concernée tout en étant dépourvue de valeur comme preuve de la répartition de la dureté à travers la section.

Profondeur et répartition de la dureté après la trempe

L’essai Jominy crée une gamme contrôlée de vitesses de refroidissement dans une seule éprouvette. La procédure de l’Université de l’Illinois chauffe une éprouvette cylindrique jusqu’à sa température d’austénitisation, trempe une extrémité au moyen d’un jet d’eau, puis mesure la dureté à des distances croissantes de cette extrémité. L’Université de Cambridge explique le principe physique : l’extrémité trempée se refroidit directement dans l’eau, tandis que le reste se refroidit dans l’air, ce qui produit une gamme continue de vitesses de refroidissement le long de la barre.

Une diminution progressive et une diminution abrupte représentent des réponses de trempabilité différentes, même lorsque les éprouvettes présentent une dureté similaire près de l’extrémité. Strong evidence

La distance par rapport à l’extrémité trempée constitue donc un moyen pratique d’échantillonner différents historiques de refroidissement. Près de l’extrémité, la vitesse de refroidissement est élevée et la dureté peut être importante. Plus loin, le refroidissement est plus lent et la courbe peut descendre à mesure que des produits de transformation autres que la martensite deviennent plus présents. La forme et la position de la courbe décrivent la répartition de la dureté dans les conditions de l’essai. Une diminution progressive traduit une réponse différente de celle d’une diminution abrupte, même si les deux éprouvettes présentent une dureté similaire au premier point de mesure.

Une courbe Jominy ne reproduit pas directement le profil de dureté de chaque composant réel. Le composant peut présenter un diamètre, une géométrie, un état de surface, un cycle d’austénitisation, un niveau d’agitation ou un milieu de trempe différents. L’extraction de chaleur d’un cylindre dans un dispositif de trempe en bout n’est pas identique à celle d’une dent d’engrenage, d’un arbre, d’une plaque ou d’un angle. La courbe constitue une comparaison normalisée et une donnée d’entrée pour la conception du procédé, et non une garantie universelle applicable à toute dimension de section.

La courbe ne mesure pas non plus la dureté à toutes les vitesses de refroidissement possibles avec une précision illimitée. Sa signification dépend de la procédure d’essai et de la précision des mesures de dureté effectuées aux distances spécifiées. La Materials Education Foundation décrit donc l’essai Jominy comme une mesure de la dureté à des distances croissantes d’une extrémité trempée, destinée à déterminer la trempabilité de l’acier.

La dureté et la trempabilité sont des propriétés différentes, et la seule dureté superficielle ne peut pas remplacer une courbe de trempabilité. Strong evidence

[1][1] Standard Test Methods for Determining Hardenability of Steel. ASTM International. ASTM International standard, 2020.

La conclusion correcte est précise : la dureté indique la résistance mesurée en un emplacement donné ; la trempabilité indique la profondeur et la répartition de la dureté produite par une trempe définie. L’ASTM A255-20, l’ISO 642:2024 et ASM International maintiennent cette distinction. La dureté superficielle seule ne peut pas remplacer une courbe de trempabilité.

Ce que mesure l’essai de trempe en bout de Jominy

Un essai Jominy n’attribue pas une seule valeur de dureté à un acier pour ensuite appeler cette valeur sa trempabilité. Il mesure la manière dont la dureté évolue le long d’une éprouvette ayant subi une gamme contrôlée de conditions de refroidissement. Le résultat est une courbe de trempabilité : la dureté représentée en fonction de la distance par rapport à l’extrémité trempée.

Cette distinction est importante. La dureté est la résistance d’un emplacement particulier à la pénétration ou à la déformation. La trempabilité est l’aptitude de l’acier à développer une certaine dureté jusqu’à une profondeur donnée pendant la trempe. La norme ASTM A255-20 définit la trempabilité comme « la profondeur jusqu’à laquelle l’acier se trempe lors de la trempe » et spécifie l’essai quantitatif de trempe en bout, ou essai Jominy, au moyen d’une éprouvette cylindrique de 1 pouce de diamètre. La norme ISO 642:2024 spécifie une éprouvette d’essai de trempe en bout en acier de 25 mm de diamètre et d’au moins 100 mm de longueur. La faible différence dimensionnelle reflète les exigences énoncées dans deux normes, et non deux significations différentes de la trempabilité.

L’essai crée différentes histoires thermiques dans une même pièce d’acier. Son extrémité trempée se refroidit dans les conditions les plus sévères, tandis que les zones plus éloignées se refroidissent à des vitesses progressivement plus faibles. Si l’acier forme facilement de la martensite dans ces conditions, une dureté élevée s’étend plus loin le long de la barre. Si la transformation commence avant que les régions plus éloignées puissent former une quantité importante de martensite, la dureté diminue plus rapidement avec la distance. La courbe montre donc à la fois la dureté développée lors d’une trempe sévère et la distance sur laquelle l’acier peut conserver cette réponse.

Austénitisation de l’éprouvette cylindrique

AusténitisationAusténitisation Chauffage de l’acier dans une plage de températures prescrite afin que la structure initiale devienne austénitique avant la trempe.

La procédure commence par une éprouvette cylindrique usinée. Le Materials Technology and Innovation Laboratory de l’Université de l’Illinois décrit la séquence suivante : chauffer l’éprouvette jusqu’à sa température d’austénitisation, appliquer un jet d’eau sur l’une de ses extrémités, mesurer la dureté à des distances croissantes par rapport à cette extrémité, puis représenter la dureté en fonction de la distance. L’austénitisation transforme la structure initiale en austénite, la phase à haute température à partir de laquelle se forment les produits de trempe. La température de chauffage et le temps de maintien sont sélectionnés en fonction de l’acier et de la procédure ; ces paramètres ne sont pas interchangeables.

Cette étape de préparation établit l’état à partir duquel la réponse au refroidissement sera mesurée. La teneur en carbone, les additions d’éléments d’alliage, la microstructure initiale et la taille des grains d’austénite peuvent toutes influer sur ce qui se produit après la sortie de l’éprouvette du four. ASM International a identifié la composition de l’acier et la taille des grains d’austénite comme les principaux facteurs influençant la trempabilité dans son étude de 1990 consacrée à la dureté et à la trempabilité des aciers. Un essai réalisé après un traitement d’austénitisation inapproprié peut fournir une mesure de dureté valide pour cette éprouvette, mais cette mesure ne représente pas nécessairement la trempabilité spécifiée de la nuance.

L’éprouvette doit également être manipulée de manière à contrôler son histoire thermique avant l’application du jet d’eau. Le but n’est pas de reproduire toutes les géométries de trempe industrielles. Il s’agit de créer une comparaison reproductible dans laquelle l’éprouvette part d’un état austénitique défini, puis rencontre une configuration de trempe en bout connue. C’est pourquoi un résultat Jominy doit être associé à ses conditions d’essai, à la désignation du matériau et à la norme applicable. Une courbe dépourvue de ce contexte constitue un élément probant incomplet.

L’éprouvette est cylindrique, car une forme reproductible facilite la comparaison de la réponse thermique et transformationnelle d’un essai à l’autre. La norme ASTM A255-20 indique un diamètre d’éprouvette de 1 pouce, tandis que la norme ISO 642:2024 indique un diamètre de 25 mm et une longueur d’au moins 100 mm. Ces dimensions doivent être rapportées telles qu’elles ont été utilisées ; elles ne doivent pas être amalgamées silencieusement dans une « barre Jominy standard » générique.

Trempe à l’eau d’une extrémité

Une fois l’éprouvette austénitisée positionnée dans l’appareil, de l’eau frappe une extrémité sous la forme d’un jet contrôlé. La description de l’Université de l’Illinois identifie ce jet d’eau comme l’action de trempe caractéristique. La ressource pédagogique de science des matériaux de Cambridge, publiée en 2012, explique le résultat physique : une extrémité est trempée à l’eau tandis que le reste de la barre refroidit à l’air.

L’extrémité située sous le jet subit le refroidissement le plus sévère. La chaleur quitte rapidement cette région, ce qui réduit le temps disponible pour que l’austénite se transforme en ferrite, en perlite ou en d’autres produits se formant plus lentement avant que la température n’atteigne la plage martensitique. Une fraction plus importante de martensite peut donc se former à l’extrémité trempée, sous réserve de la composition de l’acier et de son état austénitique initial. Sa dureté mesurée peut être élevée, mais cette valeur unique ne représente que la réponse en un emplacement donné, soumis à la partie la plus sévère de cette histoire particulière de refroidissement.

Le reste de l’éprouvette n’est pas directement arrosé. Il perd de la chaleur par ses surfaces exposées et par conduction vers l’extrémité trempée, tout en échangeant également de la chaleur avec l’air ambiant. Par conséquent, sa vitesse de refroidissement est inférieure à celle de l’extrémité, même si sa valeur exacte dépend de la position, de la géométrie de l’éprouvette, des conditions d’écoulement de l’eau, de la température, de l’état de surface et des propriétés thermiques de l’acier. L’essai n’impose pas une vitesse de refroidissement uniforme à l’ensemble du cylindre.

Cette configuration explique également pourquoi l’essai Jominy n’est pas simplement un essai de dureté réalisé avec un dispositif spécial. Un essai de dureté conventionnel peut fournir une valeur unique à partir d’un emplacement sélectionné. L’essai de trempe en bout produit intentionnellement une série d’emplacements ayant subi des histoires thermiques différentes, puis compare leurs réponses en dureté. La Materials Education Foundation décrit la méthode en ces termes : la dureté est mesurée à des distances croissantes par rapport à l’extrémité trempée afin de déterminer la trempabilité de l’acier.

Création d’un gradient de vitesse de refroidissement le long de l’éprouvette

La mesure essentielle est la distance par rapport à l’extrémité trempée à l’eau. Immédiatement à cette extrémité, le refroidissement est le plus sévère. En s’en éloignant, le refroidissement devient progressivement moins sévère, créant une gamme continue de vitesses de refroidissement le long de la barre, comme l’explique Cambridge. Une seule éprouvette représente ainsi de nombreuses conditions de trempe, depuis une réponse à une trempe sévère à l’eau près de l’extrémité jusqu’à des réponses correspondant à un refroidissement plus lent à l’air dans les zones plus éloignées.

Après le refroidissement, des mesures de dureté sont effectuées à des distances croissantes par rapport à l’extrémité trempée. Ces mesures sont représentées en fonction de la distance, ce qui produit la courbe de trempabilité Jominy. Une courbe décroissant lentement indique qu’une dureté importante persiste plus loin de l’extrémité ; une décroissance rapide indique que la dureté reste limitée à proximité de la région soumise à la trempe sévère. La courbe décrit la répartition de la dureté produite par cette configuration de refroidissement définie, ce qui correspond à la définition donnée dans le chapitre d’ASM consacré aux aciers au carbone et faiblement alliés : la trempabilité est la propriété qui régit la profondeur et la répartition de la dureté produite par la trempe.

La courbe n’indique pas, à elle seule, la dureté de chaque composant possible. Un engrenage, une plaque, un arbre ou une barre de forte épaisseur possède ses propres gradients de température entre la surface et le centre, et son milieu de trempe ainsi que son agitation peuvent différer de la configuration Jominy. La conversion d’une distance Jominy en une réponse attendue pour un composant nécessite des corrélations appropriées ou une analyse distincte du traitement thermique. La courbe n’élimine pas non plus les effets de la composition ou de la taille des grains d’austénite. Ces facteurs contribuent précisément à déterminer la courbe.

Un essai Jominy peut donc permettre de comparer des aciers ou des conditions de traitement thermique lorsque les éprouvettes et les procédures sont contrôlées. Il peut montrer jusqu’où s’étend la réponse en dureté d’un acier dans le cadre de l’histoire de trempe en bout prescrite. Il ne peut pas transformer une seule valeur de pénétration en une description complète de la trempabilité. Le résultat utile est la relation entre la dureté et la distance, rattachée aux dimensions de l’éprouvette, au traitement d’austénitisation, aux conditions de trempe à l’eau, à la méthode de mesure de la dureté et à la norme applicable.

Géométrie de l’éprouvette et normes d’essai

Un résultat Jominy n’est pertinent que lorsque l’éprouvette, le cycle de chauffage, le dispositif de trempe, les mesures de dureté et la méthode de présentation des résultats sont connus. L’essai ne produit pas une constante de matériau indépendante de sa procédure. Il enregistre la réponse d’une éprouvette d’acier particulière à une histoire thermique définie, la dureté mesurée variant à mesure que la distance par rapport à l’extrémité trempée augmente.

Cette distinction est importante, car la dureté et la trempabilité répondent à des questions différentes. La dureté est la résistance mesurée en un emplacement donné selon une méthode d’essai spécifiée. La trempabilité est la profondeur et la répartition de la dureté obtenues lorsqu’un acier est trempé. ASTM A255-20 la définit comme « la profondeur jusqu’à laquelle l’acier durcit lorsqu’il est trempé ». Une courbe Jominy nécessite donc davantage qu’une seule valeur de dureté : elle nécessite la distance par rapport à l’extrémité trempée ainsi que les conditions ayant créé le gradient de refroidissement.

ASTM A255 et l’éprouvette de 1 pouce

ASTM A255-20, Standard Test Methods for Determining Hardenability of Steel, spécifie l’essai quantitatif de trempe en bout, ou essai Jominy, au moyen d’une éprouvette cylindrique de 1 pouce de diamètre. Cette dimension n’est pas une simple description d’une barre d’essai. Elle fait partie de la méthode d’essai et influe sur la réponse thermique de l’éprouvette avant, pendant et après la trempe en bout.

La procédure habituelle commence par le chauffage de l’éprouvette cylindrique à la température d’austénitisation requise. L’éprouvette est ensuite positionnée dans le dispositif d’essai, et un jet d’eau entre en contact avec l’une de ses extrémités. L’extrémité trempée se refroidit le plus rapidement ; les emplacements plus éloignés reçoivent un refroidissement direct moindre et refroidissent donc dans des conditions différentes. Après refroidissement, la dureté est mesurée à des distances croissantes de l’extrémité trempée, puis ces mesures sont reportées afin de former une courbe de trempabilité. Le Materials Technology and Innovation Laboratory de l’University of Illinois décrit cette séquence comme le chauffage d’une éprouvette cylindrique à la température d’austénitisation, la trempe d’une extrémité au moyen d’un jet d’eau et la mesure de la dureté le long de l’éprouvette.

La géométrie crée une plage contrôlée plutôt qu’une vitesse de refroidissement unique. Comme l’explique l’University of Cambridge, une extrémité est trempée à l’eau tandis que le reste refroidit à l’air, ce qui produit une plage continue de vitesses de refroidissement le long de la barre. La courbe montre par conséquent jusqu’à quelle distance l’acier conserve sa capacité à former des produits de transformation durs, à mesure que la sévérité du refroidissement diminue avec la distance.

Une forte baisse de la dureté peut indiquer que l’acier ne durcit fortement qu’à proximité de l’extrémité trempée. Une courbe plus plate indique que la dureté est conservée plus loin de cette extrémité dans les conditions de l’essai. Aucune de ces observations ne doit être transformée en une affirmation universelle concernant toutes les pièces possibles. Les pièces réelles présentent des diamètres, des formes, des historiques thermiques de four, des temps de transfert et des milieux de trempe différents. Une courbe Jominy constitue une comparaison normalisée de la réponse du matériau, et non une cartographie directe de la dureté pour toutes les géométries.

ASTM A255 est également importante lorsque le matériau est identifié par une désignation de nuance. Un résultat rapporté pour un acier au carbone ou faiblement allié doit indiquer la nuance, l’identification de la coulée ou de l’échantillon lorsqu’elle est applicable, l’orientation de l’éprouvette si elle est pertinente pour le procès-verbal d’essai, ainsi que l’édition applicable de la méthode. La composition de l’acier et la taille du grain austénitique sont des facteurs déterminants de la trempabilité, comme le souligne ASM International. La courbe est donc liée à la fois au matériau soumis à l’essai et à son état thermique antérieur.

ISO 642:2024 et l’éprouvette de 25 mm sur au moins 100 mm

ISO 642:2024, Steel—Hardenability test by end quenching (Jominy test), spécifie une éprouvette de 25 mm de diamètre et d’au moins 100 mm de longueur. Cette géométrie ressemble à celle de l’agencement ASTM, mais « similaire » ne signifie pas « identique ». Un diamètre de 25 mm est approximativement inférieur de 0,4 mm à 1 pouce, soit 25,4 mm. Cette différence peut sembler minime ; toutefois, un essai fondé sur une norme est défini par ses dimensions et ses procédures spécifiées, et non par une ressemblance visuelle.

La désignation ISO établit également une longueur minimale : l’éprouvette doit mesurer au moins 100 mm de long. Le diamètre et la longueur doivent être considérés conjointement avec les exigences relatives au chauffage, au positionnement, à la trempe en bout, à la préparation de surface, à l’essai de dureté et à la présentation des résultats. Un laboratoire ne peut pas établir la conformité à ISO 642:2024 en plaçant simplement une barre sous un jet d’eau et en reportant la dureté sur un graphique. C’est l’ensemble de la méthode qui régit le résultat.

Cela est particulièrement important lorsque des données sont transférées entre laboratoires ou comparées à des courbes publiées. Deux rapports peuvent tous deux employer le terme « Jominy », alors que l’un indique ISO 642:2024 et l’autre ASTM A255-20. Leur principe nominal d’essai est le même : une éprouvette d’acier chauffée est trempée à une extrémité, puis la dureté est mesurée à des distances progressivement croissantes. Leurs exigences dimensionnelles et procédurales doivent néanmoins être vérifiées avant de considérer les courbes comme directement équivalentes.

La longueur minimale de l’éprouvette ISO illustre également pourquoi une dimension d’éprouvette ne constitue pas un nombre isolé. Il doit y avoir suffisamment de matière au-delà de l’extrémité trempée pour fournir la plage prévue de réponse au refroidissement et les emplacements de mesure requis. Modifier la longueur, l’état de l’extrémité, le dispositif, l’alimentation en eau ou le temps d’exécution peut changer l’histoire thermique. La courbe mesurée décrit alors l’essai modifié, et pas nécessairement la réponse spécifiée par ISO 642:2024.

Pourquoi il ne faut pas confondre les normes et les dimensions de l’éprouvette

ASTM A255 et ISO 642:2024 décrivent des essais de trempe en bout étroitement apparentés, mais les normes doivent être nommées plutôt que regroupées sous une « valeur Jominy » indéfinie. La méthode ASTM spécifie une éprouvette cylindrique de 1 pouce de diamètre. ISO 642:2024 spécifie une éprouvette de 25 mm de diamètre et d’au moins 100 mm de longueur. Il s’agit d’exigences dimensionnelles établies, et non de désignations interchangeables.

Un rapport fiable doit donc indiquer la norme et son édition, les dimensions de l’éprouvette, l’identification de l’acier, les conditions d’austénitisation, les détails de la trempe, l’échelle de dureté, les distances de mesure, ainsi que la courbe ou le tableau de données obtenu. Si un laboratoire modifie une dimension ou une procédure exigée, le rapport doit indiquer que l’essai a été modifié, plutôt que de laisser entendre une conformité exacte.

Cette discipline de présentation des résultats prévient une erreur courante : attribuer une valeur unique de dureté à la trempabilité. Une mesure de dureté effectuée à 10 mm, 20 mm ou à toute autre distance décrit un point de la courbe de réponse. Elle n’établit pas l’ensemble de la profondeur ou de la répartition du durcissement. La Materials Education Foundation décrit l’essai Jominy comme une mesure de la dureté à des distances croissantes d’une extrémité trempée afin de déterminer la trempabilité de l’acier ; la pluralité des emplacements de mesure est au cœur de la méthode.

La norme fait partie intégrante du résultat. Sans elle, l’expression « dureté Jominy » laisse sans réponse la question de savoir quelles géométrie d’éprouvette, dispositif de refroidissement, règles de préparation et règles de mesure ont été utilisés. Lorsque la norme est identifiée, la courbe possède une signification définie et peut être comparée avec les précautions appropriées.

De la distance de trempe à la courbe de trempabilité

Un essai Jominy transforme une éprouvette trempée en une série de mesures de dureté. La variable clé n’est pas simplement la dureté de l’acier en un point donné. Il s’agit de la manière dont la dureté mesurée évolue à mesure que la vitesse de refroidissement locale diminue avec l’augmentation de la distance par rapport à l’extrémité trempée.

La norme ASTM A255-20 définit la trempabilité comme la profondeur jusqu’à laquelle l’acier durcit lors de la trempe. Sa méthode quantitative de trempe en bout utilise une éprouvette cylindrique de 1 pouce de diamètre (ASTM International, 2020). La norme ISO 642:2024 spécifie, pour l’essai de trempe en bout, une éprouvette en acier de 25 mm de diamètre et d’au moins 100 mm de longueur (International Organization for Standardization, 2024). Ces dimensions sont proches, mais elles ne doivent pas être considérées comme des descriptions interchangeables de tous les essais. La norme applicable régit l’éprouvette, le chauffage, la trempe, la méthode de mesure de la dureté et les exigences de présentation des résultats.

L’essai commence par le chauffage de la pièce cylindrique à la température d’austénitisation spécifiée. Une extrémité est ensuite exposée à un jet d’eau, tandis que le reste de la barre refroidit à l’air. L’University of Illinois décrit cette séquence comme la base de la procédure Jominy (University of Illinois Materials Technology and Innovation Laboratory, 2024). Comme l’extrémité trempée perd sa chaleur le plus rapidement, elle subit le refroidissement le plus sévère. Le refroidissement devient progressivement moins sévère à mesure que l’on s’éloigne le long de la barre. L’University of Cambridge décrit cette configuration comme produisant une gamme continue de vitesses de refroidissement le long de l’éprouvette (University of Cambridge, 2012).

Préparation des surfaces de mesure de la dureté

La dureté ne peut pas être mesurée de manière fiable sur une surface recouverte de calamine, de matériau décarburé, de marques d’usinage grossières ou d’une couche d’oxyde irrégulière. Une fois que l’éprouvette a subi la trempe prescrite et a suffisamment refroidi pour pouvoir être manipulée, la surface destinée aux mesures est préparée de manière à ce que le pénétrateur rencontre un acier sain plutôt qu’un matériau altéré ou endommagé.

L’extrémité trempée n’est pas le seul emplacement pertinent. La surface de mesure s’étend longitudinalement à partir de cette extrémité, ce qui permet d’effectuer les mesures de dureté à des distances connues. La préparation de la surface doit donc produire une bande raisonnablement plane et propre le long de la barre. Le meulage ou l’usinage élimine la calamine et la couche proche de la surface affectée par le chauffage, tandis qu’une finition maîtrisée limite les erreurs dues aux rainures, aux ondulations ou à un échauffement excessif lors du meulage. La préparation ne doit pas introduire un nouvel effet thermique ni enlever une quantité de matière telle que la géométrie prévue de l’éprouvette et les emplacements de mesure soient modifiés.

Les modalités exactes de finition, l’échelle de dureté, l’espacement et le format de présentation des résultats relèvent de la norme d’essai choisie. Les normes ASTM A255-20 et ISO 642:2024 ne doivent pas être combinées sans discernement : un laboratoire appliquant les exigences ASTM doit préparer et mesurer l’éprouvette conformément aux prescriptions ASTM, tandis qu’un essai ISO doit suivre la norme ISO 642. L’enjeu est procédural, et non esthétique. Une empreinte de dureté réalisée sur de la calamine ou de l’acier décarburé peut rendre compte de l’état de cette surface plutôt que de celui de l’acier trempé situé en dessous.

La surface doit également présenter une largeur suffisante et un espacement adéquat entre les empreintes afin que les mesures de dureté restent indépendantes. Des empreintes trop rapprochées, trop proches d’un bord ou situées sur une zone visiblement défectueuse peuvent fausser le résultat. Si la surface est courbe ou mal finie, le pénétrateur risque de ne pas se positionner correctement. C’est pourquoi un résultat Jominy constitue une séquence de mesure contrôlée, et non un simple contrôle informel de la dureté réalisé n’importe où sur la barre.

Mesure de la dureté à des distances croissantes

Une fois la surface de mesure prête, la dureté est relevée à une série de distances croissantes par rapport à l’extrémité trempée à l’eau. La première mesure correspond à l’acier qui s’est refroidi dans les conditions les plus sévères de l’essai. Les mesures suivantes correspondent à des emplacements qui se sont refroidis plus lentement. La distance est mesurée depuis l’extrémité trempée, le long de l’éprouvette, et chaque mesure est associée à sa position exacte.

La Materials Education Foundation décrit l’essai Jominy comme une mesure de la dureté à des distances croissantes à partir d’une extrémité trempée afin de déterminer la trempabilité de l’acier (Materials Education Foundation, 2024). Cette formulation souligne la distinction essentielle : l’essai ne pose pas seulement la question « Quelle est la dureté de cet acier ? » Il demande plutôt : « Comment la réponse de l’acier en matière de dureté évolue-t-elle lorsque les conditions de refroidissement changent le long d’une éprouvette définie ? »

L’échelle de dureté doit être indiquée. Pour de nombreux résultats Jominy sur les aciers, la dureté est exprimée selon Rockwell C lorsque le matériau est suffisamment dur pour cette échelle, mais la norme choisie et la plage mesurée déterminent la méthode autorisée. Une valeur dépourvue de son échelle est incomplète. « 52 » peut désigner des HRC, une autre échelle Rockwell ou une autre méthode de mesure de la dureté ; ces valeurs ne peuvent pas être comparées comme si elles décrivaient la même propriété.

Une seule mesure près de l’extrémité trempée peut montrer la dureté obtenue dans une condition de refroidissement sévère donnée. Elle ne permet pas d’établir jusqu’à quelle profondeur cette dureté s’étend. De même, une mesure de dureté effectuée plus loin de l’extrémité peut refléter un refroidissement plus lent, mais elle ne peut pas, à elle seule, décrire la transition complète entre une dureté élevée et une dureté faible. La trempabilité est une distribution de la réponse, et non une valeur unique de dureté.

Selon ASM International (1990), la composition chimique de l’acier et la taille des grains d’austénite sont les principaux facteurs qui influencent cette réponse. Le carbone influe sur la dureté atteignable de la structure transformée, tandis que les éléments d’alliage et la taille des grains influent sur les conditions de refroidissement nécessaires aux transformations concurrentes. La courbe Jominy enregistre le résultat combiné de ces facteurs dans le cadre de l’historique thermique spécifié pour l’essai. Elle n’isole pas à elle seule l’influence de la composition ou de la taille des grains.

Tracé de la dureté en fonction de la distance par rapport à l’extrémité trempée

Les mesures deviennent une courbe de trempabilité lorsque la dureté est portée sur l’axe vertical en fonction de la distance par rapport à l’extrémité trempée, portée sur l’axe horizontal. L’axe vertical doit indiquer l’échelle de dureté, par exemple HRC lorsque cela est applicable. L’axe horizontal doit indiquer les unités de distance et le point de référence : zéro correspond à l’extrémité trempée à l’eau, et une distance croissante signifie un refroidissement progressivement moins sévère.

La courbe commence normalement par la dureté mesurée au point le plus proche de l’extrémité trempée, puis suit l’évolution de la dureté le long de la barre. Une forte baisse signifie que la dureté diminue considérablement sur une courte distance. En pratique, l’acier ne conserve sa dureté élevée après trempe que sur une partie relativement limitée de cette éprouvette. Une baisse plus progressive signifie que la dureté mesurée reste élevée plus loin de l’extrémité trempée, ce qui indique une plus grande profondeur de durcissement dans le gradient de refroidissement Jominy. La forme de la courbe est aussi importante que le premier point.

La courbe doit être tracée à partir des mesures effectuées, et non remplacée par une valeur unique sélectionnée. Les essais répétés, les méthodes d’ajustement autorisées, l’incertitude de mesure et les règles de présentation des normes ASTM A255-20 ou ISO 642:2024 déterminent la manière dont le résultat final est présenté. Une ligne lissée peut aider à montrer la tendance, mais elle ne doit pas dissimuler la dispersion des mesures ni suggérer une précision que celles-ci ne permettent pas de justifier.

Une courbe Jominy est la réponse à un historique de trempe en bout défini. Elle permet de comparer des aciers soumis aux mêmes exigences d’essai et de montrer comment la dureté évolue avec la distance. Elle ne peut pas, à elle seule, prédire le profil exact de dureté dans un engrenage épais, une plaque, un arbre ou une pièce moulée trempés dans un bac donné. La géométrie de la pièce, l’agitation, le milieu de trempe, le temps de transfert, la pratique d’austénitisation et la microstructure initiale modifient l’historique de refroidissement. La courbe constitue donc un indicateur de la trempabilité dans les conditions d’essai spécifiées, et non un substitut à l’analyse du traitement thermique d’une pièce donnée.

Vitesse de refroidissement, transformation et signification de la courbe

Conditions de refroidissement continu le long de la barre

Une éprouvette Jominy ne subit pas une seule sévérité de trempe d’une extrémité à l’autre. Elle subit un gradient. Dans l’essai normalisé, une éprouvette cylindrique en acier est d’abord chauffée à sa température d’austénitisation, puis l’une de ses extrémités est exposée à un jet d’eau, tandis que le reste de l’éprouvette refroidit à l’air. Le Materials Technology and Innovation Laboratory de l’Université de l’Illinois décrit cette séquence comme la procédure Jominy de base (2024). L’extrémité refroidie à l’eau perd rapidement de la chaleur ; les positions plus éloignées reçoivent un refroidissement direct moindre et échangent principalement de la chaleur par l’intermédiaire de l’éprouvette et de l’air environnant.

Cette configuration crée une gamme continue de conditions de refroidissement le long de la barre, comme l’explique l’Université de Cambridge dans sa présentation de l’essai (2012). L’historique exact du refroidissement n’est pas déterminé par la distance seule. Il dépend également de la géométrie de l’éprouvette, de la température initiale, de la disposition du jet d’eau, des conditions de trempe, des surfaces exposées et des propriétés thermiques de l’acier. La distance constitue donc une position contrôlée dans l’essai, et non une conversion universelle en une vitesse de refroidissement unique applicable à chaque éprouvette ou à chaque composant de production.

Les dimensions font partie intégrante de la méthode et ne sont pas de simples détails accessoires. ASTM A255-20 spécifie l’essai quantitatif de trempe en bout avec une éprouvette cylindrique de 1 pouce de diamètre. ISO 642:2024 spécifie une éprouvette de 25 mm de diamètre et d’au moins 100 mm de longueur. Ces désignations et ces dimensions ne doivent pas être mélangées inconsidérément lors de la comparaison des résultats, car une modification de la géométrie ou de la procédure peut modifier les flux thermiques et, par conséquent, la réponse aux transformations. Une courbe Jominy n’a de signification que par rapport à la norme et aux conditions d’essai dans lesquelles elle a été obtenue.

La barre n’est pas non plus un composant miniature présentant un schéma de refroidissement simple « surface contre cœur ». Un composant trempé dans l’huile, l’eau, une solution polymère ou un gaz développe un champ de refroidissement spatial régi par sa forme et par les transferts thermiques au niveau de ses surfaces. L’éprouvette Jominy fournit en revanche un gradient de laboratoire reproductible. Elle échantillonne de nombreuses sévérités de refroidissement au cours d’un seul essai, mais ne reproduit pas toutes les géométries de composants.

Cette distinction est importante, car la trempabilité est une réponse à un historique thermique défini. ASTM A255-20 la définit comme la profondeur jusqu’à laquelle l’acier durcit lors de la trempe. Le chapitre de l’ASM consacré aux aciers au carbone et faiblement alliés décrit cette même propriété comme déterminant la profondeur et la répartition de la dureté obtenue par trempe (ASM International, 1990). Aucune de ces définitions n’indique que la trempabilité correspond à la valeur de dureté de l’acier avant ou après la trempe.

Transformation de l’austénite au cours de la trempe

Le chauffage transforme la structure initiale en austénite, à condition que le traitement d’austénitisation choisi soit approprié à la nuance et à l’état du matériau. La trempe élimine ensuite la chaleur suffisamment rapidement — ou suffisamment lentement à une position donnée — pour déterminer quelles transformations peuvent se produire à mesure que l’austénite refroidit. La question essentielle n’est pas simplement de savoir jusqu’à quelle température l’éprouvette refroidit. Il faut déterminer combien de temps l’austénite reste dans les plages de température où des produits diffusifs peuvent se former avant que le matériau n’atteigne les conditions de transformation à plus basse température.

À l’extrémité trempée à l’eau, l’historique du refroidissement peut inhiber les transformations qui produiraient autrement de la ferrite, de la perlite ou des constituants bainitiques, permettant ainsi à une plus grande proportion de l’austénite de se transformer en martensite lors d’un refroidissement ultérieur. Plus loin de l’extrémité trempée, le parcours thermique moins sévère laisse davantage de possibilités aux transformations concurrentes de s’amorcer. La structure finale peut alors contenir un mélange différent de produits de transformation, et sa dureté peut diminuer en conséquence. La courbe enregistre cette évolution, mais n’identifie pas à elle seule chaque constituant et ne fournit pas de fraction de phase.

Cette réserve est essentielle. Une mesure de dureté ne peut pas établir un diagramme complet de transformation, et une courbe Jominy ne peut pas être interprétée comme une liste directe des vitesses de refroidissement, à moins que ces vitesses n’aient été déterminées séparément pour le même appareil et dans les mêmes conditions. La courbe constitue un enregistrement indirect : chaque distance correspond à une réponse thermique particulière dans cet essai, et la dureté mesurée reflète la microstructure produite par cette réponse.

La composition contrôle la facilité avec laquelle les transformations sont retardées ou autorisées au cours du refroidissement. Le carbone influence fortement la dureté que la martensite peut atteindre, tandis que les éléments d’alliage peuvent modifier le comportement lors des transformations et accroître la profondeur sur laquelle une trempe produit une structure martensitique dure. La taille des grains d’austénite est également importante. L’ASM identifie la composition de l’acier et la taille des grains d’austénite comme des facteurs principaux influençant la trempabilité (ASM International, 1990). Une taille plus importante des grains d’austénite antérieure peut modifier les conditions de germination et la cinétique des transformations ; ainsi, deux éprouvettes nominalement constituées de la même nuance peuvent produire des courbes différentes si leurs historiques thermiques ou leurs structures granulaires diffèrent.

L’essai mesure donc la réponse d’un état particulier du matériau, et non celle d’une désignation de nuance abstraite. La température d’austénitisation, le temps de maintien, les traitements antérieurs, la taille des grains, l’état de surface et les détails de la trempe influencent tous la structure obtenue à partir de l’austénite. Un résultat correspondant à un état donné ne doit pas être considéré comme la preuve que tout traitement thermique de cette désignation produira la même courbe.

Pourquoi la dureté varie avec la distance

La dureté varie avec la distance parce que la distance modifie l’historique du refroidissement, lequel modifie à son tour la microstructure obtenue. À proximité de l’extrémité trempée, l’éprouvette perd sa chaleur de manière plus intense. Plus loin, la chaleur reste plus longtemps dans la barre et s’évacue dans des conditions différentes. Les structures obtenues peuvent donc aller d’un matériau principalement martensitique près de l’extrémité à des mélanges contenant des produits de transformation plus tendres aux endroits qui ont refroidi moins sévèrement. La transition précise dépend de la nuance et de l’état du matériau ; elle doit être mesurée et non déduite d’un diagramme générique.

La teneur en carbone contribue à la valeur mesurée, mais elle n’explique pas toute la courbe. La dureté de la martensite dépend fortement du carbone ; deux aciers présentant des teneurs en carbone différentes peuvent donc afficher des niveaux de dureté différents même si leur réponse à la trempe est par ailleurs similaire. Inversement, des aciers ayant une teneur en carbone comparable peuvent présenter des duretés différentes à une même distance Jominy lorsque l’alliage, la taille des grains, la propreté inclusionnaire ou la pratique d’austénitisation modifie le comportement lors des transformations.

La valeur mesurée dépend également de la méthode de mesure de la dureté et de la préparation de l’essai. Une décarburation de surface, la rugosité, l’alignement, l’espacement entre les empreintes, l’échelle de mesure et les défauts locaux peuvent fausser le résultat. L’essai est normalement réalisé à des distances successives de l’extrémité trempée, après préparation d’une surface de mesure longitudinale plane ou d’une autre surface spécifiée, puis en reportant la dureté en fonction de la distance. La Materials Education Foundation décrit cette interprétation de base : la dureté est mesurée à des distances croissantes de l’extrémité trempée afin de déterminer la trempabilité (2024).

La ligne tracée ne constitue donc pas une valeur de dureté directement représentative de l’ensemble de l’acier. Il s’agit d’une cartographie de la réponse en dureté dans le gradient thermique Jominy. Une valeur relativement élevée loin de l’extrémité trempée indique que l’acier a conservé une aptitude au durcissement dans une condition de refroidissement moins sévère que celle subie par l’extrémité. Une diminution rapide indique que la microstructure devient plus tendre à mesure que le refroidissement devient moins sévère. Ces observations concernent la forme et la position de la courbe de réponse, et non un classement universel fondé sur une seule valeur de dureté isolée.

Un ingénieur chargé de la conception d’un composant peut utiliser la courbe pour comparer la réponse au refroidissement d’un acier aux conditions de refroidissement attendues dans une pièce, mais seulement après avoir pris en compte la dimension de la section, la géométrie, le milieu de trempe et la pratique de traitement thermique. Le résultat Jominy ne prouve pas qu’un composant présentera une dureté identique à chaque position correspondante. Il fournit des données contrôlées sur la manière dont l’acier se transforme lorsque la sévérité du refroidissement diminue. Telle est la signification de la courbe, et c’est pourquoi la trempabilité doit rester distincte de la dureté.

Composition et taille des grains d’austénite

La trempabilité n’est pas synonyme de dureté. La norme ASTM A255-20 définit la trempabilité comme la profondeur jusqu’à laquelle l’acier se durcit lors de la trempe, tandis que l’ASM Handbook la décrit comme la propriété qui régit la profondeur et la répartition de la dureté produite par la trempe. Un acier peut atteindre une dureté élevée près d’une surface trempée, puis perdre rapidement de la dureté en direction de l’intérieur. Un autre acier peut présenter une dureté de surface similaire tout en conservant de la martensite, et donc une dureté utile, plus loin de la surface trempée.

La distinction apparaît clairement dans l’essai de trempe en bout de Jominy. La norme ASTM A255-20 spécifie une éprouvette cylindrique de 1 pouce de diamètre ; la norme ISO 642:2024 spécifie une éprouvette de 25 mm de diamètre et d’au moins 100 mm de longueur. Ces dimensions ne sont pas des détails interchangeables lorsque les résultats sont comparés. L’éprouvette est chauffée jusqu’à sa condition d’austénitisation spécifiée, suspendue verticalement, puis trempée à une extrémité par un jet d’eau. L’Université de l’Illinois décrit les mesures de dureté effectuées à des distances croissantes de cette extrémité trempée, tandis que l’Université de Cambridge explique que l’extrémité refroidie à l’eau et le reste refroidi à l’air créent une gamme continue de vitesses de refroidissement le long de la barre. Un graphique de la dureté en fonction de la distance constitue la courbe de trempabilité de Jominy.

La courbe est une réponse à la composition, à l’histoire thermique antérieure, à la géométrie de l’éprouvette, au traitement d’austénitisation et au mode de refroidissement imposé. Elle ne constitue pas une constante unique du matériau, indépendante des conditions d’essai. ASM International identifie la composition de l’acier et la taille des grains d’austénite comme des facteurs primordiaux qui influencent la trempabilité. Ces facteurs agissent par des mécanismes différents et ne doivent pas être réduits à la seule question : « Quelle est la dureté de l’acier ? »

Rôle de la composition de l’acier

TrempabilitéTrempabilité Aptitude de l’acier à développer et à conserver sa dureté sur une plus grande profondeur au cours d’une trempe définie ; elle est distincte de la dureté maximale.

La composition influence principalement la trempabilité en modifiant les températures et les vitesses auxquelles l’austénite se transforme pendant le refroidissement. Des éléments d’alliage tels que le manganèse, le chrome, le nickel et le molybdène peuvent retarder les transformations de l’austénite en ferrite, en perlite ou en bainite. Ces transformations étant décalées vers des temps plus longs, une plus grande partie de la section peut les éviter pendant la trempe et former plutôt de la martensite. Il en résulte un profil de dureté plus profond, à condition que la vitesse de refroidissement et la teneur en carbone de l’acier permettent la formation de martensite.

Le carbone intervient dans ce phénomène, mais ses rôles doivent être distingués. Il contribue fortement à la dureté que la martensite peut atteindre. Les additions d’éléments d’alliage, en revanche, sont particulièrement importantes pour modifier la cinétique des transformations et, par conséquent, la vitesse de refroidissement nécessaire pour supprimer la formation de produits diffusifs dans la section. Le carbone modifie également le comportement lors des transformations ; cette distinction n’est donc pas absolue, mais constitue une différence d’accent. Affirmer que « plus il y a d’éléments d’alliage, plus l’acier est dur » est trop simpliste. Une formulation plus exacte serait que la teneur en éléments d’alliage peut rendre une histoire de refroidissement donnée plus apte à produire de la martensite en profondeur, tandis que le carbone détermine en grande partie la dureté atteignable de cette martensite, avec des facteurs tels que le revenu et la microstructure.

La composition doit donc être identifiée par la nuance exacte, la spécification et la désignation applicable. « 4140 », par exemple, désigne une nuance d’acier allié au chrome-molybdène, mais un résultat rapporté nécessite également la spécification applicable au produit, les limites de composition chimique, le traitement thermique et la méthode d’essai. Le nom d’une nuance n’annule pas les plages de composition autorisées. Deux coulées relevant de la même désignation peuvent occuper des positions différentes dans ces limites, et de faibles variations de la teneur en carbone ou en éléments d’alliage peuvent modifier le comportement lors des transformations. « Acier faiblement allié » est une description utile d’une famille, mais ne constitue pas une définition chimique suffisante pour comparer deux courbes de Jominy.

La même prudence s’applique aux aciers au carbone et aux nuances destinées à la cémentation. Un acier au carbone non allié et un acier au nickel-chrome-molybdène peuvent présenter une dureté similaire à l’extrémité trempée, mais des pentes différentes et des distances différentes sur lesquelles la dureté est conservée. À l’inverse, une composition fortement carbonée peut produire une dureté élevée près de la surface sans durcir profondément dans une section de grande dimension. La courbe fournit les éléments probants pour la condition de refroidissement étudiée ; la nuance nominale, à elle seule, ne les fournit pas.

Le résultat de l’essai de Jominy ne peut pas non plus être transposé directement à toutes les formes de composants. Une barre cylindrique, une plaque et une pièce forgée complexe évacuent la chaleur différemment. La dimension de la section, l’état de surface, l’agitation du fluide de trempe et la présence d’arêtes modifient l’histoire locale du refroidissement. L’analyse de la trempabilité de Grossmann et d’autres méthodes d’ingénierie peuvent relier la réponse du matériau à la sévérité de la trempe et à la géométrie de la section, mais une courbe de Jominy ne fournit pas, à elle seule, la dureté en tout point d’une pièce de forme quelconque.

Teneur en carbone et dureté martensitique atteignable

La martensite se forme lorsque l’austénite est refroidie assez rapidement pour empêcher ou limiter la transformation diffusante, mais la dureté de cette martensite dépend fortement du carbone dissous dans l’austénite avant la trempe. Une augmentation de la teneur en carbone accroît généralement la dureté martensitique non revenue atteignable dans la plage utile de teneurs en carbone, car le carbone déforme le réseau martensitique et augmente sa résistance à la déformation. Il s’agit d’un effet sur la dureté, et non d’une justification pour utiliser la teneur en carbone comme mesure complète de la trempabilité.

Un acier à faible teneur en carbone peut durcir dans toute une section sous l’effet d’une histoire de refroidissement appropriée, tout en présentant une dureté maximale inférieure à celle d’un acier à plus forte teneur en carbone. L’acier plus riche en carbone peut présenter une extrémité de Jominy très dure, mais une forte chute de dureté avec la distance si sa composition ne retarde pas suffisamment la formation de perlite, de ferrite ou de bainite. L’acier allié à faible teneur en carbone peut présenter un plafond de dureté inférieur, mais conserver cette dureté plus loin de l’extrémité trempée. Il s’agit de résultats différents : la dureté martensitique atteignable, d’une part, et la profondeur de durcissement, d’autre part.

Le carbone influence également la quantité et la stabilité de l’austénite pendant l’austénitisation. Si le carbone n’est pas suffisamment dissous, la composition de l’austénite diffère de la composition globale nominale ; si une dissolution excessive se produit, une croissance des grains et d’autres modifications peuvent s’ensuivre. La courbe mesurée reflète donc la température d’austénitisation et la pratique de maintien choisies, et non la seule composition chimique. Après la trempe, le revenu modifie encore la dureté ; un profil de dureté après revenu ne doit donc pas être comparé à une courbe de Jominy à l’état trempé comme si les deux représentaient la même condition.

Un indice de dureté mesuré à l’extrémité trempée à l’eau constitue donc un élément de preuve incomplet. Il peut indiquer la dureté disponible à partir de la composition martensitique locale, mais il ne montre pas à quelle vitesse la dureté diminue, à quel endroit apparaissent les microstructures mixtes, ni quelle proportion d’une section plus grande peut durcir. La courbe dépendant de la distance constitue la mesure pertinente.

Influence de la taille des grains d’austénite sur la trempabilité

La taille des anciens grains d’austénite influence la trempabilité, car les produits de transformation tels que la ferrite et la perlite germent couramment aux joints de grains de l’austénite. Des grains d’austénite plus grossiers offrent une surface de joints de grains moindre par unité de volume, ce qui réduit le nombre de sites potentiels de germination et tend à retarder la transformation diffusante pendant le refroidissement. Ce retard peut permettre à la martensite de se former à une vitesse de refroidissement plus faible ; une taille plus importante des anciens grains d’austénite peut donc accroître la trempabilité mesurée.

Cet effet ne constitue pas une amélioration sans contrepartie. La croissance des grains peut réduire la ténacité et modifier le comportement dimensionnel, et une taille de grains excessive peut être inacceptable même lorsqu’elle augmente la profondeur apparente de durcissement. Les grains fins favorisent généralement une transformation diffusante plus précoce, mais peuvent offrir une meilleure ténacité et des performances mécaniques plus stables. Le choix approprié dépend du composant, du traitement thermique et des propriétés requises, plutôt que de la maximisation d’une seule distance de Jominy.

La taille des grains explique également pourquoi les courbes ne peuvent pas être comparées sans connaître leur histoire de traitement thermique antérieure. Deux éprouvettes découpées dans un matériau relevant de la même spécification peuvent produire des résultats différents si l’une a été normalisée, si l’autre a été maintenue plus longtemps à une température d’austénitisation plus élevée, ou si les pratiques de chauffage et de refroidissement ont produit des tailles différentes d’anciens grains d’austénite. Les carbures, les particules riches en éléments d’alliage non dissoutes et la ségrégation peuvent également influencer la composition de l’austénite disponible pendant la trempe. Le rapport d’essai doit donc identifier la température d’austénitisation, le temps de maintien, l’état de l’éprouvette et la procédure de mesure, en plus de la composition chimique.

Une courbe de Jominy est significative lorsque ces variables sont contrôlées. La composition détermine notamment la manière dont la cinétique des transformations réagit au refroidissement ; le carbone contribue à définir la dureté de la martensite qui se forme ; et la taille des grains d’austénite modifie la facilité avec laquelle les transformations concurrentes commencent. Ensemble, ces facteurs expliquent pourquoi la trempabilité est une réponse mesurée plutôt qu’une désignation de dureté. Lorsque la nuance, la taille des grains, le traitement antérieur, les dimensions de l’éprouvette et la norme d’essai sont clairement établis, la courbe peut étayer une comparaison défendable. En leur absence, une valeur de dureté ou une courbe dépourvue d’indication précise favorise exactement la confusion que l’essai est censé éviter.

Aciers au carbone, aciers faiblement alliés et comparaison des nuances

Réponse des aciers au carbone à la trempe

L’acier au carbone ne présente pas une réponse fixe en matière de trempabilité. Son comportement dépend de la teneur en carbone, de la taille du grain d’austénite préalable, de la dimension de la section, de la pratique d’austénitisation et de la sévérité de la trempe. La teneur en carbone influe fortement sur la dureté que la martensite peut atteindre, mais ce seul fait ne permet pas de déterminer jusqu’à quelle profondeur un acier donné durcira à partir d’une surface trempée. Une petite éprouvette peut développer une dureté superficielle élevée, tandis qu’une section plus importante conserve de la ferrite, de la perlite ou de la bainite vers son centre, car l’intérieur refroidit plus lentement.

Cette distinction est centrale dans le chapitre de l’ASM intitulé Hardenability of Carbon and Low-Alloy Steels, publié en 1990. Ce chapitre définit la trempabilité comme la propriété qui régit la profondeur et la distribution de la dureté produite par la trempe, plutôt que comme la dureté maximale mesurée en un point donné. ASTM A255-20 emploie une formulation étroitement apparentée, définissant la trempabilité comme « la profondeur jusqu’à laquelle l’acier durcit lorsqu’il est trempé » (ASTM International, 2020). La dureté est donc une valeur observée en un point spécifié ; la trempabilité décrit le profil de réponse dans le matériau.

Dans un acier au carbone non allié, l’augmentation de la teneur en carbone accroît généralement la dureté atteignable dans les régions entièrement martensitiques, sous réserve de la microstructure et du traitement thermique de l’acier. Il ne s’ensuit pas que toute nuance à plus forte teneur en carbone produira, quelle que soit la trempe, une zone durcie plus profonde ou plus uniforme. Le carbone influe également sur le comportement de transformation de l’austénite, tandis que le manganèse et les éléments résiduels peuvent modifier la réponse, même lorsque la désignation est décrite de manière générale comme celle d’un « acier au carbone ». La plage réelle de composition chimique est importante.

L’essai de trempe en bout de Jominy permet de rendre visible cette réponse spatiale. Comme l’explique le Materials Technology and Innovation Laboratory de l’University of Illinois, une éprouvette cylindrique est chauffée à la température d’austénitisation spécifiée, puis l’une de ses extrémités est refroidie par un jet d’eau (University of Illinois, 2024). La dureté est ensuite mesurée à des distances croissantes de l’extrémité trempée. La courbe obtenue, représentant la dureté en fonction de la distance, est la courbe de Jominy.

Cette courbe existe parce que l’éprouvette ne refroidit pas à une vitesse uniforme. La ressource de Cambridge consacrée aux transformations des matériaux explique que le refroidissement par eau à une extrémité et par air sur le reste de l’éprouvette produit une gamme continue de vitesses de refroidissement le long de la barre (University of Cambridge, 2012). Près du jet, l’austénite subit le refroidissement le plus sévère ; plus loin, la vitesse de refroidissement diminue. Un acier au carbone dont la dureté chute fortement avec la distance présente une réponse en matière de trempabilité différente de celle d’un acier qui conserve une dureté similaire plus loin le long de l’éprouvette, même si les deux présentent la même dureté à l’extrémité trempée.

La géométrie et la procédure d’essai doivent rester indissociables du résultat. ASTM A255-20 spécifie une éprouvette cylindrique de 1 pouce de diamètre pour l’essai quantitatif de trempe en bout. ISO 642:2024 spécifie une éprouvette de 25 mm de diamètre et d’au moins 100 mm de longueur pour l’essai de trempe en bout des aciers. Ces dimensions sont proches, mais elles ne doivent pas être considérées implicitement comme des spécifications interchangeables. La température d’austénitisation, la durée de maintien, l’atmosphère du four, le temps de transfert, la température de l’eau, l’état du jet, l’échelle de dureté, l’espacement des mesures et la préparation de la surface peuvent tous influer sur la courbe rapportée.

Additions faiblement alliées et réponse à la trempe à cœur

Les additions faiblement alliées modifient principalement la trempabilité en retardant les transformations qui concurrencent la formation de martensite pendant le refroidissement. Le manganèse, le chrome, le molybdène et le nickel peuvent modifier la température et la cinétique de formation de la ferrite, de la perlite et de la bainite. Lorsque ces transformations sont retardées, une zone intérieure refroidissant plus lentement peut néanmoins atteindre le domaine martensitique. C’est le fondement métallurgique de la plus grande aptitude à la trempe à cœur de nombreux aciers alliés.

L’effet ne se résume pas à la règle « plus d’éléments d’alliage équivaut à plus de dureté ». Les éléments d’alliage peuvent influer, par des mécanismes différents, sur la trempabilité, la formation des carbures, la réponse au revenu, l’austénite retenue et la dureté de la microstructure finale. Le chrome et le molybdène, par exemple, peuvent participer aux populations de carbures et modifier la cinétique des transformations ; le nickel modifie le comportement de transformation sans agir exactement comme un élément fortement carburigène. Le manganèse peut accroître la trempabilité, mais son effet doit être considéré en relation avec le carbone, la maîtrise du soufre, les opérations antérieures et le reste de la composition. De petites additions de bore peuvent avoir un effet substantiel sur la trempabilité lorsqu’elles se trouvent dans l’état métallurgique approprié, mais le résultat dépend de la teneur en carbone et en azote, de la pratique relative au titane ou à l’aluminium, ainsi que de l’historique de transformation.

L’ASM identifie la composition de l’acier et la taille du grain d’austénite comme des facteurs principaux influant sur la trempabilité (ASM International, 1990). La taille du grain est importante parce que les grains d’austénite préalable plus gros offrent une surface de joints de grains moindre pour la germination de certains produits de transformation diffusionnelle. Toutefois, le grossissement des grains n’est pas une amélioration sans contrepartie : il peut dégrader la ténacité et le comportement dimensionnel. Ainsi, une comparaison fondée uniquement sur une courbe mesurée peut rester incomplète si les traitements thermiques envisagés diffèrent.

Le terme « trempe à cœur » doit être employé avec la même prudence. Il ne signifie pas que toute section transversale d’une pièce en acier deviendra uniformément martensitique. Une courbe de Jominy fournit une réponse normalisée à un gradient de vitesses de refroidissement, et non une prédiction directe pour chaque diamètre, chaque géométrie, chaque condition d’agitation ou chaque milieu de trempe. Les méthodes d’ingénierie peuvent utiliser les données de Jominy avec des relations prenant en compte la dimension de la section et le refroidissement, mais le résultat prédit reste lié aux hypothèses qui sous-tendent ces méthodes. Une barre trempée à l’eau, un engrenage trempé à l’huile et une plaque trempée dans un polymère ne suivent pas un historique universel de refroidissement.

De même, une valeur élevée de dureté à l’extrémité de Jominy ne prouve pas une trempe profonde. L’extrémité est exposée au refroidissement le plus sévère et peut former de la martensite même dans un acier dont la dureté diminue rapidement à faible distance. À l’inverse, une dureté mesurée plus faible peut refléter la teneur en carbone, le revenu, l’austénite retenue ou un mélange de phases, plutôt qu’une faible trempabilité à elle seule. La mesure doit être interprétée en fonction du traitement thermique et de la microstructure.

Pourquoi les désignations de nuances ne remplacent pas les données d’essai

Une désignation identifie une spécification, une composition nominale ou une plage chimique ; elle ne fournit pas une courbe de Jominy mesurée. Comparer un « acier au carbone » à un « acier faiblement allié » est trop général pour étayer une affirmation relative à la trempabilité. Même les comparaisons entre nuances désignées exigent la désignation exacte telle qu’elle est spécifiée, la norme applicable, la composition chimique de la coulée ou du produit, ainsi que l’état du matériau soumis à l’essai.

Une comparaison défendable devrait identifier au moins cinq éléments : la désignation de l’acier et la norme applicable ; la plage de composition chimique mesurée, y compris les éléments d’alliage et les éléments résiduels pertinents ; la température d’austénitisation et le traitement de maintien ; l’équipement et le milieu de trempe ; ainsi que la méthode de mesure et l’échelle de dureté. Elle devrait également préciser si le résultat provient de ASTM A255, d’ISO 642, d’une autre procédure définie ou d’un essai propre à l’usine. Une courbe obtenue avec une éprouvette ASTM de 1 pouce ne devrait pas être présentée comme s’il s’agissait automatiquement d’un résultat conforme à ISO 642, malgré la similitude des dimensions nominales des éprouvettes.

Les variations de production limitent davantage encore ce qu’une désignation peut établir. Deux coulées vendues sous la même désignation peuvent différer tout en restant dans la plage de composition autorisée. Les différences de taille de grain, de réduction par forgeage, d’historique de normalisation, de décarburation et de pratique d’austénitisation peuvent modifier la réponse mesurée. Une composition nominale publiée fournit donc un contexte, et non la preuve d’une courbe de trempabilité particulière.

La Materials Education Foundation décrit la méthode de Jominy comme une mesure de la dureté à des distances croissantes d’une extrémité trempée afin de déterminer la trempabilité de l’acier (Materials Education Foundation, 2024). Cette formulation exprime correctement la portée de l’essai : celui-ci mesure une réponse de dureté produite par un gradient de refroidissement défini. Il ne transforme pas le nom d’une nuance en classement universel des performances et ne remplace pas une validation propre à la section lorsque les conditions de refroidissement ou la géométrie diffèrent.

Une comparaison rigoureuse des nuances pose donc la question suivante : « Quelle réponse a été mesurée, et dans quelles conditions ? » Elle ne demande pas seulement quelle désignation est supposée être la plus dure. Seule la première question porte sur la trempabilité.

Lire et comparer les courbes de Jominy

Une courbe de Jominy représente la dureté mesurée en fonction de la distance par rapport à l’extrémité trempée d’une éprouvette en acier. L’axe horizontal commence normalement à l’extrémité refroidie à l’eau et se dirige vers l’extrémité refroidie à l’air ; l’axe vertical indique la dureté selon une échelle donnée, telle que Rockwell C (HRC), Rockwell B (HRB) ou la dureté Vickers (HV). Il faut lire la courbe comme l’enregistrement de la réponse de l’acier à une gamme contrôlée de conditions de refroidissement, et non comme une valeur unique de dureté.

ASTM A255-20 définit la trempabilité comme la profondeur jusqu’à laquelle l’acier se durcit lors de la trempe et spécifie l’essai quantitatif de trempe en bout avec une éprouvette cylindrique de 1 pouce de diamètre. ISO 642:2024 spécifie une éprouvette de 25 mm de diamètre et d’au moins 100 mm de longueur. Ces dimensions sont proches, mais les normes ne sont pas interchangeables par défaut. C’est le document applicable qui régit l’essai.

Hauteur de la courbe près de l’extrémité trempée

La partie gauche de la courbe, c’est-à-dire la partie correspondant à l’extrémité trempée, montre la dureté obtenue dans la condition de refroidissement la plus sévère de l’essai. Une valeur élevée à cet endroit indique que le matériau soumis à l’essai a formé, près de la surface, un produit de transformation dur dans le cadre de cette pratique particulière d’austénitisation et de trempe à l’eau. Cela n’établit pas, à lui seul, une trempabilité élevée.

Cette distinction est importante, car la teneur en carbone exerce un effet marqué sur la dureté de la martensite, tandis que la trempabilité dépend également de la facilité avec laquelle les transformations telles que la perlite ou la bainite sont inhibées pendant le refroidissement. Deux aciers peuvent atteindre une dureté similaire près de l’extrémité trempée, puis diverger considérablement plus loin le long de l’éprouvette. L’acier dont la dureté diminue lentement a conservé une microstructure dure sous un refroidissement plus lent et présente donc une plus grande profondeur de trempe dans cet essai.

La valeur à l’extrémité trempée peut également être influencée par des conditions qui ne relèvent pas simplement de la nuance. La température d’austénitisation et le temps de maintien influencent l’état de l’austénite. La taille des grains austénitiques est un facteur essentiel de la trempabilité, comme l’a indiqué ASM International dans son étude de 1990 sur la dureté et la trempabilité des aciers, et une croissance excessive des grains peut modifier la courbe. Une décarburation superficielle, une oxydation, des dommages dus au meulage, un mauvais alignement du jet d’eau ou une empreinte de dureté placée trop près d’un bord peuvent fausser les premières mesures.

Pour cette raison, une courbe qui commence plus haut ne doit pas automatiquement être décrite comme « plus trempable ». Elle peut présenter une dureté après trempe plus élevée à l’extrémité, une trempabilité plus grande, ou les deux. Le reste du profil fournit les éléments nécessaires pour distinguer ces effets.

La hauteur de la courbe peut néanmoins être utile lorsque la question porte sur la réponse locale en dureté. Par exemple, une spécification peut exiger une dureté minimale à une distance de Jominy donnée. Cette exigence constitue un critère d’acceptation et non une définition générale de la signification de la courbe. La conformité d’une valeur mesurée doit être déterminée à partir de la spécification applicable au matériau ou au produit.

Forme de la courbe et conservation de la dureté avec la distance

La caractéristique centrale d’une courbe de Jominy est sa vitesse de perte de dureté lorsque la distance augmente. La procédure décrite par le Materials Technology and Innovation Laboratory de l’University of Illinois consiste à chauffer une éprouvette cylindrique jusqu’à sa température d’austénitisation, à tremper une extrémité au moyen d’un jet d’eau, à mesurer la dureté à des distances croissantes et à représenter les résultats graphiquement. L’University of Cambridge explique pourquoi cette procédure produit un profil : l’extrémité trempée refroidit rapidement, tandis que les zones situées plus loin refroidissent progressivement plus lentement dans l’air.

Une pente descendante prononcée signifie que la dureté diminue sur une courte distance. Cet acier réagit fortement au passage d’un refroidissement rapide à un refroidissement plus lent. Une courbe plus plate signifie que la dureté est conservée plus loin de l’extrémité trempée. En termes métallurgiques pratiques, cette dernière réponse indique qu’une plus grande profondeur de l’éprouvette peut se transformer en structure dure sous un refroidissement moins sévère que celui présent à l’extrémité.

La courbe ne doit pas nécessairement être une droite. Elle peut chuter fortement près de l’extrémité, s’aplatir dans une zone intermédiaire ou présenter une variation de pente associée à des transformations se produisant à différentes vitesses de refroidissement. Un court plateau suivi d’une diminution puis d’un second aplatissement doit être interprété comme une succession de réponses et non réduit à une seule valeur de « trempabilité moyenne ». La forme reflète la composition, la taille des grains austénitiques, la microstructure initiale et l’histoire thermique utilisée pour l’essai. Le chapitre de 1990 d’ASM consacré aux aciers au carbone et faiblement alliés décrit la trempabilité comme le facteur régissant la profondeur et la répartition de la dureté produite par la trempe, raison pour laquelle l’ensemble du profil est important.

Une courbe qui reste plus élevée à une distance donnée a conservé davantage de dureté dans les conditions de l’essai. Cela ne prouve pas que chaque section d’un composant de production présentera cette même dureté. Un composant réel possède une géométrie, une masse, un état de surface et une trajectoire de refroidissement différents. La conversion d’un résultat Jominy en réponse prévisible d’un composant nécessite un modèle de refroidissement défini ou une méthode telle que l’analyse de Grossman ; une simple comparaison visuelle ne permet pas d’effectuer cette conversion.

De même, une courbe plus élevée ne rend pas une nuance universellement préférable. Une conception peut exiger une combinaison particulière de dureté, de ténacité, de maîtrise des déformations, d’aptitude au soudage et de réponse au revenu. L’essai Jominy évalue une réponse à une histoire de trempe définie. Il ne remplace ni les essais mécaniques ni une spécification régissant la pièce finie.

Lors de la comparaison des courbes, il faut comparer des distances correspondantes et des échelles de dureté correspondantes. Une courbe tracée en HRC ne peut pas être comparée numériquement à une courbe tracée en HV sans une méthode de conversion appropriée et explicitement indiquée. Les conversions de dureté ne sont pas des équivalences physiques exactes, en particulier pour des microstructures différentes. La convention de présentation graphique compte également : des points reliés par des segments droits, une courbe ajustée et un tableau interpolé peuvent présenter différemment les mêmes mesures.

Dispersion, répétabilité et conditions de comparaison

Les données Jominy réelles présentent une dispersion. Une partie de cette variation provient de la mesure de dureté, mais des différences plus importantes peuvent être dues à la préparation de l’éprouvette et à la pratique thermique. La face d’extrémité doit recevoir le jet d’eau prévu, l’éprouvette doit être correctement centrée et la piste de mesure de la dureté doit être préparée sans laisser de matériau décarburé ni de surface rugueuse. Les mesures doivent être espacées et consignées conformément à la procédure applicable.

Un seul point irrégulier ne doit pas être considéré comme une découverte métallurgique. Il faut d’abord vérifier si ce point se situe en dehors de la répétabilité de mesure attendue, si l’espacement entre les empreintes était adéquat et si l’état de surface de l’éprouvette ou l’échelle de dureté était correct. Des essais répétés qui montrent la même modification de la forme de la courbe ont davantage de poids qu’une seule mesure isolée, élevée ou faible.

Une comparaison pertinente exige davantage que l’essai d’éprouvettes portant la même désignation nominale de nuance. Il faut utiliser la même norme, les mêmes dimensions d’éprouvette, la même préparation de surface, la même température d’austénitisation, la même pratique de maintien, le même temps de transfert, le même dispositif de trempe, la même échelle de dureté, les mêmes emplacements de mesure et la même convention de présentation. ASTM A255-20 spécifie une éprouvette de 1 pouce de diamètre, tandis que ISO 642:2024 spécifie un diamètre de 25 mm et une longueur minimale de 100 mm ; les résultats obtenus selon ces normes doivent être identifiés en conséquence plutôt que combinés implicitement.

L’état initial de l’acier doit également être pris en compte. La composition est importante, mais la taille des grains austénitiques établie pendant le chauffage l’est aussi. On ne peut pas considérer qu’une courbe de laboratoire issue d’un traitement thermique donné représente toutes les coulées de la même désignation si la pratique d’austénitisation diffère. C’est l’une des raisons pour lesquelles une courbe doit être accompagnée de ses conditions d’essai partout où elle est reproduite.

Enfin, il faut distinguer l’interprétation de la conformité. La lecture de la courbe peut montrer que la dureté diminue rapidement, qu’elle est conservée plus loin de l’extrémité trempée ou que les essais répétés présentent une dispersion. Seule la spécification applicable peut préciser la plage autorisée, la valeur minimale, les exigences d’échantillonnage et la décision d’acceptation. Une courbe de Jominy constitue un élément probant de la trempabilité dans des conditions définies, et non une recommandation autonome concernant le produit, un classement général des nuances ou un substitut aux exigences d’acceptation associées au matériau.

Essais Jominy, de Grossman et de trempabilité à l’air

La trempabilité n’est pas la même propriété que la dureté. La norme ASTM A255-20 définit la trempabilité comme « la profondeur jusqu’à laquelle l’acier durcit lors de la trempe », tandis que la dureté est la résistance mesurée à un emplacement donné selon une méthode d’essai donnée. Un acier peut présenter une dureté superficielle élevée tout en ne durcissant que sur une faible profondeur sous la surface. Un autre acier peut atteindre une dureté superficielle similaire et conserver cette dureté beaucoup plus profondément dans une section.

L’ASM Handbook considère les essais Jominy, de Grossman et de trempabilité à l’air comme des méthodes apparentées permettant d’examiner cette réponse, et non comme des essais interchangeables. Chacun impose une histoire thermique différente. L’essai Jominy crée une gamme contrôlée de vitesses de refroidissement le long d’une éprouvette ; l’analyse de Grossman met en relation la réponse d’un acier avec la sévérité de la trempe et la dimension du composant ; un essai de trempabilité à l’air examine ce qui se produit lorsque le milieu de refroidissement spécifié est l’air. Le résultat obtenu par une méthode ne peut pas être substitué à celui d’une autre sans conversion ou modèle défini.

La méthode Jominy de trempe en bout

L’essai de trempe en bout Jominy est une méthode normalisée permettant d’obtenir une courbe de trempabilité à partir d’une seule éprouvette cylindrique. La norme ASTM A255-20 spécifie une éprouvette cylindrique de 1 pouce de diamètre pour l’essai quantitatif de trempe en bout. La norme ISO 642:2024 spécifie une éprouvette en acier de 25 mm de diamètre et d’au moins 100 mm de longueur. Ces dimensions sont proches en pratique, mais les normes restent des documents distincts, avec leurs propres exigences concernant la préparation, le chauffage, la trempe, la mesure de la dureté et la présentation des résultats.

La séquence de base est simple. Une éprouvette usinée est chauffée à la température d’austénitisation spécifiée, maintenue suffisamment longtemps pour atteindre la condition thermique prescrite, puis transférée sur un dispositif. Un jet d’eau frappe l’une de ses extrémités. Le Materials Technology and Innovation Laboratory de l’Université de l’Illinois décrit cette séquence de chauffage et de trempe à l’eau par une seule extrémité dans sa procédure Jominy de 2024. Après refroidissement, une face plane est généralement préparée le long de l’éprouvette, puis des mesures de dureté sont effectuées à des distances croissantes de l’extrémité trempée.

La physique confère à l’essai sa valeur. L’extrémité trempée subit le refroidissement le plus sévère, tandis que les emplacements plus éloignés sont soumis à un refroidissement progressivement moins rapide, car ils sont refroidis indirectement et en partie par l’air. L’Université de Cambridge explique que cette disposition produit une gamme continue de vitesses de refroidissement le long de la barre. Un graphique représentant la dureté en fonction de la distance montre donc comment la réponse de dureté mesurée de l’acier évolue lorsque la vitesse de refroidissement diminue.

À proximité de l’extrémité trempée, la dureté dépend fortement de la teneur en carbone et de la transformation de l’austénite en martensite plutôt qu’en produits plus tendres tels que la perlite ou la bainite. Plus loin de l’extrémité, les éléments d’alliage et la taille des grains austénitiques deviennent importants, car ils retardent les transformations diffusives lors d’un refroidissement plus lent. ASM International a identifié la composition de l’acier et la taille des grains austénitiques comme les principaux facteurs influençant la trempabilité dans son étude de 1990 consacrée à la dureté et à la trempabilité.

La courbe est le résultat, et non une valeur unique de dureté. Sa forme peut indiquer sur quelle profondeur un acier conserve une réponse de dureté donnée, mais elle ne décrit pas directement la répartition de la dureté dans chaque composant réel. Une barre, un engrenage, une plaque ou une pièce forgée possède son propre diamètre, sa propre géométrie, son propre état de surface, sa propre histoire d’austénitisation et son propre parcours de refroidissement. L’éprouvette Jominy présente également un gradient thermique unidimensionnel particulier, qui ne se reproduit pas partout dans une pièce épaisse.

Une courbe Jominy ne peut pas, à elle seule, établir qu’une pièce durcira complètement jusqu’à son centre dans l’huile, l’eau, un polymère ou l’air. De même, une valeur de dureté mesurée à l’extrémité trempée ne peut pas décrire la trempabilité complète de l’acier. La courbe doit être interprétée en tenant compte de la dimension de la section et de l’histoire de trempe prévues.

Analyse du diamètre critique de Grossman

L’analyse de Grossman porte sur une question d’ingénierie différente : comment la réponse de transformation de l’acier, la dimension de la section et la sévérité de la trempe se combinent-elles pour déterminer la profondeur de durcissement ? Elle distingue deux notions souvent confondues. L’acier possède une réponse intrinsèque au durcissement, tandis que le milieu de trempe et la géométrie de la pièce déterminent la rapidité avec laquelle la chaleur est évacuée.

Facteur H de GrossmanFacteur H de Grossman Paramètre utilisé pour représenter la sévérité de trempe, en reliant le transfert thermique superficiel à la taille de la section et à la réponse de durcissement de l’acier.

La méthode utilise la sévérité de la trempe, généralement représentée par le facteur $H$ de Grossman, pour décrire l’efficacité du transfert thermique à la surface. Une trempe plus sévère extrait la chaleur plus rapidement qu’une trempe moins sévère, bien que le résultat réel dépende également de l’agitation, de la température, du comportement du film de vapeur, de l’état de surface et de la forme de la pièce. L’analyse de Grossman met ensuite cette sévérité en relation avec la dimension de la section et avec une condition limite de durcissement.

Le diamètre critique idéal est le diamètre d’une barre ronde hypothétique qui atteindrait une condition spécifiée au centre dans le cadre d’une trempe idéalisée. Le diamètre critique réel applique la sévérité de trempe sélectionnée à la pièce. Ces termes ne sont pas des appellations alternatives de la distance Jominy. Une distance Jominy est une position le long d’une barre d’essai ; un diamètre critique est un résultat relatif à la dimension de la section, obtenu par une analyse de la sévérité de la trempe et de la réponse de l’acier.

Les données Jominy peuvent fournir le paramètre caractérisant la réponse de l’acier pour les calculs ou les diagrammes de Grossman, mais le calcul ajoute des hypothèses concernant la géométrie et le transfert thermique. Par conséquent, deux composants fabriqués à partir de la même coulée d’acier peuvent durcir à des profondeurs différentes si leurs dimensions ou leurs conditions de trempe diffèrent. Le même acier peut également produire des diamètres critiques différents pour différentes valeurs de $H$. L’analyse de Grossman constitue ainsi un lien entre la réponse en laboratoire et une situation de trempe définie, et non un essai de dureté indépendant.

Essai de trempabilité à l’air

L’essai de trempabilité à l’air examine le comportement d’un acier lors d’un refroidissement à l’air, plutôt que d’imposer le jet d’eau Jominy ou d’attribuer une valeur de sévérité de trempe de Grossman. L’éprouvette est austénitisée selon la procédure spécifiée, retirée du four et refroidie à l’air dans les conditions d’essai. La dureté, la microstructure ou la variation de dureté à travers la section est ensuite mesurée conformément aux exigences de la méthode.

Cette distinction est importante, car « trempe à l’air » ne signifie pas que l’acier possède une dureté fixe indépendante de sa dimension. Le refroidissement à l’air calme, à l’air forcé et dans une atmosphère contrôlée produit des conditions différentes de transfert thermique. Une petite éprouvette peut refroidir assez rapidement pour former une quantité importante de martensite, tandis que le centre d’une section plus grande refroidit plus lentement et forme un mélange différent de produits de transformation. La température du four, les dimensions de l’éprouvette, ses supports, la circulation de l’air et l’état de surface peuvent tous influer sur la réponse mesurée.

Un résultat de trempabilité à l’air décrit donc le comportement dans le cadre de l’histoire de refroidissement à l’air spécifiée. Il ne remplace pas une courbe Jominy, car il ne crée pas le même gradient continu de refroidissement d’une extrémité à l’autre. Il ne remplace pas non plus l’analyse de Grossman, car il n’exprime pas à lui seul la relation entre la sévérité de la trempe et une gamme de dimensions de section. Les trois méthodes répondent à des questions voisines, mais leurs résultats conservent des significations différentes.

Le chapitre de 1990 de l’ASM consacré aux aciers au carbone et faiblement alliés définit la trempabilité comme la propriété qui régit la profondeur et la répartition de la dureté produite par la trempe. Cette formulation constitue le critère pratique : il faut examiner comment la dureté se répartit après une histoire thermique spécifiée, et non pas seulement déterminer le degré de dureté atteint en un point.

De la courbe de Jominy à un composant réel

Une courbe de Jominy décrit la réponse d’un acier à une configuration de refroidissement contrôlée. Elle ne permet pas de prédire la dureté en chaque point d’un composant fini sans analyse complémentaire. Cette distinction est importante, car une éprouvette normalisée est petite, simple et refroidie selon un protocole défini, tandis qu’un composant peut comporter des arêtes minces, des moyeux épais, des trous, des angles, des états de surface variables et des zones qui refroidissent à des vitesses très différentes.

La norme ASTM A255-20 définit la trempabilité comme la profondeur jusqu’à laquelle l’acier se trempe lors de la trempe. Sa méthode quantitative de trempe en bout utilise une éprouvette cylindrique de 1 pouce de diamètre. La norme ISO 642:2024 spécifie une éprouvette en acier pour essai de trempe en bout, de 25 mm de diamètre et d’au moins 100 mm de longueur. Ces dimensions et les conditions d’essai prescrites permettent une comparaison reproductible entre des coulées, des nuances ou des conditions de traitement ; elles ne font pas de l’éprouvette un modèle réduit d’une pièce mécanique.

Dans la procédure décrite par le Materials Technology and Innovation Laboratory de l’University of Illinois, l’éprouvette est portée à sa température d’austénitisation et l’une de ses extrémités est trempée par un jet d’eau. La dureté est ensuite mesurée à des distances croissantes de l’extrémité trempée. Le graphique obtenu, représentant la dureté en fonction de la distance, est la courbe de Jominy. Comme l’explique l’University of Cambridge, l’extrémité refroidie à l’eau et le reste refroidi à l’air produisent une gamme continue de vitesses de refroidissement le long de la barre. Chaque position représente donc une réponse thermique différente au sein d’une même éprouvette.

Cette réponse est utile, mais elle doit être transposée avec prudence.

Épaisseur de section et gradients thermiques

L’épaisseur de section d’un composant détermine la quantité de chaleur qui doit s’évacuer de son intérieur avant le début de la transformation. Une paroi mince présente une faible distance jusqu’à la surface et peut refroidir rapidement dans une grande partie de sa section. Un bossage, un arbre, une bride ou une ébauche d’engrenage épais conserve la chaleur en son centre ; la surface peut traverser la plage de transformation martensitique tandis que le cœur refroidit suffisamment lentement pour permettre la formation de bainite, de perlite ou de ferrite, selon la composition et le cycle thermique réel.

La barre de Jominy présente elle aussi un gradient thermique, mais il s’agit d’un gradient longitudinal aménagé délibérément. L’extrémité trempée reçoit le refroidissement direct le plus intense, tandis que les positions plus éloignées refroidissent progressivement plus lentement. Un composant réel présente généralement des gradients dans plusieurs directions. La chaleur peut s’écouler radialement du cœur vers la surface, axialement vers une extrémité et à travers des éléments voisins. Un angle peut perdre de la chaleur par plusieurs faces. Un alésage peut modifier le trajet de refroidissement depuis l’intérieur, tandis qu’un contact avec un dispositif de maintien peut localement limiter l’écoulement de chaleur ou fournir un autre dissipateur thermique.

Cette différence fait de la dimension de section bien plus qu’une simple correction dimensionnelle. Deux emplacements situés à la même distance d’une surface extérieure peuvent subir des histoires de refroidissement différentes si l’un se trouve près d’un angle et l’autre au centre d’une section épaisse. Le centre d’une barre cylindrique, par exemple, n’est pas équivalent à un point proche de la surface simplement parce qu’ils appartiennent à la même nuance d’acier. De même, le centre d’un composant de grande taille n’est pas automatiquement représenté par l’extrémité la plus éloignée d’une courbe de Jominy. La géométrie du composant détermine le champ d’écoulement thermique, et la trempe détermine la rapidité avec laquelle ce champ perd sa chaleur.

La composition et la taille des grains d’austénite restent des variables de départ importantes. ASM International identifie ces deux facteurs comme des influences primaires sur la trempabilité. La température d’austénitisation, le temps de maintien, la microstructure initiale et la croissance des grains peuvent également modifier la réponse à la transformation présentée à la trempe. Par conséquent, un résultat de Jominy obtenu pour une condition de traitement thermique donnée ne doit pas être dissocié de cette condition lorsqu’il est appliqué à un composant.

L’état de surface ajoute une autre difficulté. La calamine, la décarburation, les marques d’usinage, les revêtements et les résidus peuvent modifier le contact entre l’acier et le fluide de trempe. Une surface décarburée peut présenter une dureté mesurée plus faible, même lorsque l’acier sous-jacent a une réponse sensiblement différente. Une surface rugueuse ou contaminée peut retenir de la vapeur ou réduire le contact avec le liquide pendant la trempe. La dureté mesurée après élimination par usinage d’une telle couche peut donc différer de celle mesurée directement sur la surface à l’état brut de trempe.

Milieu de trempe et sévérité de trempe

L’eau utilisée dans l’appareil de Jominy n’est pas un symbole générique de « trempe rapide ». Le débit, la température, la pression, l’alignement du jet et la surface exposée sont contrôlés, car ils influencent le transfert thermique au niveau de l’extrémité trempée. Les autres parties de l’éprouvette refroidissent à l’air. Un composant de production peut au contraire être immergé dans de l’eau agitée, une solution polymère, de l’huile, un sel fondu ou un autre milieu, chacun produisant un trajet de refroidissement différent.

La sévérité de trempe décrit la capacité d’un système de trempe à extraire la chaleur par rapport à une condition de référence. Elle dépend du milieu, mais aussi de l’agitation, de la température du fluide, de la circulation, de l’orientation de la pièce, du comportement du film de vapeur et du rapport entre la surface exposée et le volume. Un liquide immobile autour d’une pièce de grande taille peut évacuer la chaleur beaucoup moins efficacement qu’un liquide en mouvement autour d’une petite pièce. Même dans un même bac, les surfaces exposées à un écoulement important peuvent refroidir différemment des surfaces protégées.

L’agitation est particulièrement importante au début de la trempe, lorsqu’une gaine de vapeur peut se former autour de l’acier chaud. Le mouvement peut disloquer cette gaine et renouveler le contact avec un liquide plus froid. Toutefois, si la pièce est transférée lentement depuis le four, elle commence à refroidir avant le début de la trempe prévue. Le temps de transfert fait donc partie de l’histoire thermique, et ne constitue pas seulement un détail de manutention. Un délai de durée inconnue rend difficile la comparaison d’une trempe nominalement identique avec les conditions de Jominy.

Le milieu peut également créer des différences locales au sein d’une même pièce. Un arbre vertical peut évacuer le fluide différemment d’un arbre horizontal. Un trou borgne peut emprisonner de la vapeur. Des canaux étroits peuvent limiter l’écoulement, tandis que de grandes faces planes peuvent générer des films de vapeur persistants. Ces effets peuvent provoquer une dispersion de la dureté qu’une seule courbe de Jominy ne peut pas révéler.

Pour cette raison, il est impossible d’attribuer à un acier présentant une dureté Jominy donnée à une distance sélectionnée une dureté garantie du composant en fonction de la seule distance. La courbe indique comment le matériau réagit à une plage connue de conditions de refroidissement. Elle ne précise pas la vitesse de refroidissement en un emplacement donné du composant et n’établit pas non plus que cet emplacement formera la même microstructure que la position correspondante de l’éprouvette de Jominy.

Mise en relation de la réponse en laboratoire avec les emplacements du composant

La question pratique n’est pas : « Quelle est la dureté de cette nuance ? », mais : « Quelle histoire de refroidissement cet emplacement subira-t-il, et quelle dureté et quelle microstructure l’acier produira-t-il dans ces conditions ? » Une courbe de Jominy fournit une partie de la réponse. L’évaluation d’un composant doit fournir le reste.

Les ingénieurs estiment couramment les conditions locales de refroidissement à partir de la géométrie de la section et de la pratique de trempe, puis comparent ces conditions à des données normalisées de trempabilité ou utilisent une méthode fondée sur la dimension de section, telle que l’approche de Grossmann. La comparaison doit préserver la distinction entre la réponse du matériau et le résultat du procédé. Les données de Jominy décrivent la première ; le trajet de refroidissement calculé ou mesuré permet de la relier au second.

Les emplacements doivent être étudiés individuellement. La surface d’un arbre épais peut refroidir suffisamment rapidement pour devenir principalement martensitique, tandis que son centre développe une structure mixte et une dureté plus faible. Une âme mince peut se tremper sur toute son épaisseur, alors qu’un moyeu voisin peut ne pas se tremper complètement. Un congé peut refroidir plus rapidement que le corps adjacent, tandis qu’un évidement fileté ou un trou borgne peut refroidir plus lentement en raison de la limitation des mouvements du fluide. Des profils de dureté, des prélèvements métallographiques, des thermocouples ou des calculs validés de transfert thermique peuvent être nécessaires pour vérifier ces prévisions.

L’emplacement pertinent est également défini par la spécification. Un plan peut exiger une dureté en surface, à une profondeur déterminée ou au centre d’une section de référence. Il s’agit de points d’acceptation différents. Mesurer uniquement sur la face exposée la plus facile d’accès peut conduire à ne pas détecter un cœur tendre ou une arête localement trop dure.

La courbe de Jominy est donc un outil comparatif de réponse du matériau, et non une garantie que chaque emplacement d’une pièce atteindra une dureté donnée. Les normes ASTM A255-20 et ISO 642:2024 rendent l’essai reproductible en contrôlant la géométrie de l’éprouvette et les conditions de refroidissement. L’application responsable de ses résultats exige de mettre ces données en relation avec l’épaisseur de section, la géométrie, l’état de surface, le temps de transfert, le milieu de trempe, l’agitation et l’histoire thermique locale du composant. Une valeur de dureté n’a de sens que lorsque le trajet de refroidissement qui l’a produite est également compris.

Interprétations erronées courantes et erreurs de présentation des résultats

Assimiler la trempabilité à la dureté

La dureté et la trempabilité sont liées, mais ne désignent pas la même propriété. La dureté est la résistance d’un matériau à la pénétration, généralement déterminée par une mesure Rockwell, Brinell ou Vickers. La trempabilité décrit jusqu’à quelle profondeur, et avec quelle régularité, l’acier peut développer des structures martensitiques ou d’autres structures transformées dures lors d’une trempe donnée. ASTM A255-20 définit la trempabilité comme « la profondeur jusqu’à laquelle l’acier durcit lorsqu’il est trempé » (ASTM International, 2020). Cette définition concerne la réponse à travers la section, et non une seule valeur de dureté relevée en un seul endroit.

Cette distinction est importante, car la teneur en carbone influence fortement la dureté que la martensite peut atteindre, tandis que les éléments d’alliage et la taille des grains d’austénite influencent fortement la sévérité de refroidissement nécessaire pour former cette martensite. ASM International identifie la composition de l’acier et la taille des grains d’austénite comme des facteurs principaux de la trempabilité (ASM International, 1990). Un acier à haute teneur en carbone peut présenter une très forte dureté près de l’extrémité trempée, puis perdre rapidement de la dureté à faible distance de celle-ci. Un acier allié à plus faible teneur en carbone peut présenter une dureté maximale moindre, mais conserver une dureté utile plus loin de la surface trempée. Qualifier le premier acier de « plus trempant » uniquement parce que sa dureté en extrémité est supérieure revient à confondre le potentiel de dureté avec la profondeur de durcissement.

La même erreur se produit lorsqu’un rapport ne fournit qu’une valeur maximale. « Dureté Jominy : 62 HRC » ne décrit pas un résultat de trempabilité, à moins que la distance par rapport à l’extrémité trempée soit indiquée. Même dans ce cas, cette valeur ne représente qu’un seul point d’une courbe de réponse. L’essai Jominy mesure la dureté à des distances croissantes de l’extrémité trempée, et le graphique obtenu de la dureté en fonction de la distance constitue la courbe de trempabilité, comme l’explique la Materials Education Foundation (2024). La courbe montre comment l’acier réagit lorsque la vitesse locale de refroidissement devient moins sévère.

La teneur en carbone doit donc être prise en compte lors de l’interprétation d’une faible valeur mesurée plus loin de l’extrémité. Une diminution de 60 HRC près de l’extrémité à 35 HRC à une distance donnée n’a pas la même signification pour un acier à teneur moyenne en carbone que pour un acier à faible teneur en carbone. L’interprétation dépend également de la présence, dans la zone mesurée, de martensite, de bainite, de perlite ou d’un mélange de ces constituants, ainsi que de l’échelle de dureté utilisée. Une seule valeur de dureté ne permet ni d’identifier la microstructure transformée ni d’établir la profondeur à laquelle une dureté requise est maintenue.

Supposer que l’extrémité trempée représente l’ensemble de l’acier

L’extrémité trempée est la partie d’une éprouvette Jominy qui se refroidit le plus rapidement ; elle ne représente pas une moyenne de l’ensemble de la barre. Dans la configuration normalisée, une extrémité est exposée à un jet d’eau tandis que le reste refroidit à l’air. Cela crée une gamme continue de vitesses de refroidissement le long de l’éprouvette, depuis un refroidissement sévère à l’extrémité jusqu’à un refroidissement progressivement plus lent à mesure que la distance augmente. L’University of Cambridge décrit ce gradient comme le fondement physique de l’essai (2012), tandis que la procédure de l’University of Illinois prévoit de chauffer une éprouvette cylindrique jusqu’à sa température d’austénitisation, de tremper une extrémité avec un jet d’eau et de mesurer la dureté à des distances croissantes (2024).

Cette configuration rend l’extrémité utile, mais ses informations restent limitées. Elle fournit un point de référence correspondant à la sévérité de refroidissement la plus élevée de l’essai et produit généralement la dureté la plus élevée le long de la ligne de mesure préparée. Elle ne prouve pas qu’une section importante d’une pièce de production durcira jusqu’à la même profondeur. La dimension de la section, la géométrie de la pièce, l’état de surface, la conduite du four, le temps de transfert, l’agitation du liquide de trempe et l’historique réel de refroidissement peuvent tous différer de la configuration Jominy. Une courbe Jominy décrit une réponse contrôlée du matériau ; elle ne constitue pas une cartographie directe de la dureté de tout composant possible.

Une forte dureté en extrémité ne prouve pas non plus une trempabilité profonde. L’extrémité peut se refroidir assez rapidement pour former une structure dure, même dans un acier dont la partie intérieure se transformerait en constituants plus tendres lors d’un refroidissement plus lent. La preuve d’une trempabilité profonde réside dans la forme et la persistance de la courbe : il faut que la dureté se maintienne à une distance donnée lorsque le refroidissement devient moins sévère. La distance pertinente doit être identifiée et le critère de dureté requis doit être défini.

L’erreur inverse est également courante. Une faible dureté mesurée plus loin de l’extrémité ne constitue pas automatiquement la preuve d’une mauvaise qualité de l’acier ou d’un essai non conforme. Elle peut refléter la teneur en carbone de l’acier, la taille des grains d’austénite, la teneur en éléments d’alliage, le traitement d’austénitisation ou la formation, à cet endroit, d’un mélange plus tendre. L’analyse d’ASM consacrée aux aciers au carbone et faiblement alliés définit la trempabilité comme le facteur qui régit la profondeur et la répartition de la dureté produite par la trempe (ASM International, 1990). « Répartition » est le mot important : la variation le long de l’éprouvette constitue le résultat, et non une complication indésirable à ignorer.

Une courbe Jominy ne peut étayer des estimations concernant un composant que lorsqu’elle est associée à un modèle de refroidissement approprié, à une méthode tenant compte de la taille de section ou à une corrélation validée. Limited evidence

Une courbe Jominy peut établir la réponse comparative au durcissement dans les conditions de la procédure d’essai. Elle ne peut pas, à elle seule, établir le profil final de dureté d’une pièce trempée dans l’huile, un polymère, un gaz ou un autre milieu. La conversion d’un résultat Jominy en une estimation de la dureté d’un composant nécessite une méthode explicitement définie et des hypothèses concernant la géométrie et le refroidissement.

Présenter un résultat sans indiquer la norme ni les conditions d’essai

Un résultat Jominy dépourvu de sa norme d’essai et de ses conditions d’essai est incomplet. La désignation « dureté Jominy à 10 mm » ne fournit pas suffisamment d’informations pour permettre une comparaison fiable, à moins que le rapport précise également la géométrie de l’éprouvette, le traitement d’austénitisation, la configuration de la trempe, la méthode de mesure de la dureté et la convention utilisée pour la distance.

ASTM A255-20 spécifie l’essai de trempe en bout avec une éprouvette cylindrique de 1 pouce de diamètre (ASTM International, 2020). ISO 642:2024 spécifie une éprouvette d’essai de trempe en bout en acier de 25 mm de diamètre et d’au moins 100 mm de longueur (International Organization for Standardization, 2024). Ces dimensions sont proches en diamètre, mais elles ne sont pas interchangeables simplement parce que les deux procédures sont appelées essais Jominy. Un rapport doit citer la norme applicable, telle que ASTM A255-20 ou ISO 642:2024, plutôt que d’employer l’expression « Jominy standard » comme s’il n’existait qu’une seule procédure.

Le traitement thermique doit également être indiqué. Il comprend la désignation de l’acier, l’état de l’éprouvette, la température d’austénitisation, le temps de maintien, l’atmosphère du four lorsque cela est pertinent et le temps de transfert jusqu’à la trempe. La configuration du jet d’eau, la température de l’eau ou sa plage spécifiée, l’état de la buse et la durée de la trempe peuvent influer sur l’historique de refroidissement. Si l’essai s’écarte de la norme citée, cet écart doit figurer dans le résultat.

Les données de dureté exigent la même précision. Il faut indiquer si les mesures sont exprimées en HRC, HRB, HBW, HV ou selon une autre échelle, identifier l’appareil ou la méthode lorsque cela est requis, et consigner l’espacement ainsi que la préparation de la ligne de mesure de la dureté. « À 10 mm de l’extrémité » doit signifier une distance mesurée depuis la face trempée le long de la surface spécifiée, et non une position indéterminée sur l’éprouvette. Si une norme définit une surépaisseur de rectification, une surface plane ou une ligne de mesure particulière, ce détail doit être conservé.

Enfin, il faut présenter la courbe complète ou les couples individuels distance–dureté, et non uniquement la valeur la plus élevée. Il convient d’inclure l’identification de l’éprouvette ainsi que la composition chimique ou la désignation de nuance de l’acier lorsqu’elles sont disponibles. Une formulation défendable pourrait être la suivante : « Trempabilité Jominy par trempe en bout déterminée conformément à ASTM A255-20 sur une éprouvette de 1 pouce de diamètre, austénitisée à la température spécifiée, trempée à l’eau à une extrémité et mesurée en HRC aux distances normalisées. » Sans ces conditions, la valeur n’est qu’une observation de dureté détachée de l’historique de refroidissement qui donne à la trempabilité sa signification.

Comment spécifier et documenter un résultat de trempabilité

Un résultat de trempabilité n’a de signification que lorsque l’acier, l’éprouvette, le cycle thermique, la trempe, la méthode de mesure et le format de présentation sont identifiés conjointement. Une valeur de dureté dépourvue de ces informations décrit une seule condition mesurée ; elle n’établit pas jusqu’à quelle profondeur ni avec quelle uniformité l’acier peut durcir. ASTM A255-20 définit la trempabilité comme la profondeur jusqu’à laquelle l’acier durcit lorsqu’il est trempé, tandis que le chapitre de l’ASM consacré aux aciers au carbone et faiblement alliés la décrit comme la propriété qui régit la profondeur et la répartition de la dureté produite par la trempe. Le dossier doit donc conserver l’historique complet de l’essai, et non pas seulement la valeur maximale obtenue près de l’extrémité trempée.

Identification requise du matériau et du traitement thermique

Commencer par la désignation du matériau exactement telle qu’elle figure sur le document d’achat, le certificat matière ou la spécification applicable. Enregistrer la nuance, la norme, le numéro de coulée ou de lot thermique, la forme du produit et l’identification de l’éprouvette. Par exemple, « AISI 4140 » peut être insuffisant si l’exigence applicable est formulée comme ASTM A193/A193M Grade B7, EN 10083-3:2006 42CrMo4 ou selon une autre désignation spécifiée. Ne pas remplacer la désignation officielle par une abréviation d’atelier. Si le matériau a été normalisé, recuit, forgé, laminé ou soumis à tout autre traitement avant l’essai, indiquer cet état et identifier tout traitement thermique antérieur pertinent.

Le numéro de coulée est particulièrement important, car la trempabilité dépend de la composition et de l’historique métallurgique antérieur. ASM International identifie la composition de l’acier et la taille des grains d’austénite comme des facteurs principaux influant sur la trempabilité. Le rapport doit donc relier l’éprouvette Jominy à l’analyse chimique ou au relevé certifié de la coulée, lorsqu’il est disponible, y compris au carbone et aux éléments d’alliage soumis au contrôle de la spécification applicable. Si la taille des grains a été mesurée, enregistrer la méthode et le résultat ; si elle ne l’a pas été, ne pas laisser entendre que la structure des grains d’austénite est connue.

Identifier l’orientation et l’emplacement de l’éprouvette dans le produit lorsque ces détails influent sur l’interprétation. Le centre d’une barre, un échantillon de surface, une section forgée et une section laminée peuvent ne pas présenter le même historique thermique ou de déformation. Indiquer si l’éprouvette a été usinée directement à partir du produit fourni ou fabriquée séparément à partir de la même coulée.

Le relevé d’austénitisation doit indiquer le four ou la méthode de chauffage, la température cible, la plage de température réelle, la durée de maintien et la base de calcul de cette durée, par exemple le temps écoulé après que l’éprouvette a atteint la température. Inclure l’atmosphère du four ou la protection utilisée, car l’oxydation, la décarburation et la carburation peuvent modifier le profil de dureté. Indiquer si l’éprouvette a été introduite dans un four préchauffé ou chauffée en même temps que le four, et noter toute calamine ou détérioration de surface visible. Ces détails sont importants à l’extrémité trempée, où une mince couche décarburée peut fausser les premières mesures de dureté.

Norme, géométrie et détails de la trempe

Mentionner la norme d’essai et son édition dans chaque rapport. ASTM A255-20 spécifie l’essai quantitatif de trempe en bout, ou essai Jominy, à l’aide d’une éprouvette cylindrique de 1 pouce de diamètre. ISO 642:2024 spécifie une éprouvette en acier pour essai de trempe en bout de 25 mm de diamètre et d’au moins 100 mm de longueur. Ces dimensions sont proches en pratique, mais ces désignations ne constituent pas des instructions interchangeables. Le rapport doit indiquer si l’essai a été réalisé conformément à ASTM A255-20, à ISO 642:2024 ou à une procédure client ou nationale dérivée de l’une de ces normes.

Enregistrer les dimensions de l’éprouvette telles qu’elles ont effectivement été mesurées, notamment le diamètre, la longueur, la préparation de l’extrémité, les chanfreins et l’état de la face trempée. Si les dimensions diffèrent de celles de la norme citée, documenter l’écart avant de présenter le résultat comme conforme à la norme. Le rapport doit également identifier le numéro de l’éprouvette et, lorsque plusieurs pièces ont été testées, distinguer chaque courbe plutôt que de calculer silencieusement leur moyenne.

Le dispositif de trempe doit être décrit avec suffisamment de précision pour permettre de reconstituer l’historique du refroidissement. La procédure de l’Université de l’Illinois chauffe une éprouvette cylindrique à la température d’austénitisation, puis trempe une extrémité au moyen d’un jet d’eau. L’Université de Cambridge explique pourquoi ce dispositif produit un profil utile : l’extrémité trempée refroidit rapidement, tandis que le reste de l’éprouvette refroidit à l’air, créant ainsi une gamme continue de vitesses de refroidissement le long de la barre. Indiquer quelle extrémité a été trempée, comment l’éprouvette était maintenue, ainsi que la source et l’état de l’eau. Enregistrer la température du jet, les informations relatives à la buse ou à l’orifice, la pression ou le débit de l’eau lorsqu’ils sont spécifiés, l’alignement du jet et la distance entre la buse et l’extrémité de l’éprouvette. Enregistrer également le temps écoulé entre le retrait du four et le début de la trempe à l’eau.

Ne pas décrire simplement le résultat comme une « trempe à l’eau ». La température de l’eau, la stabilité du débit, la forme du jet, la position de l’éprouvette et le délai de transfert peuvent modifier la réponse au refroidissement. Le rapport doit indiquer si le dispositif a été vérifié avant l’essai et si une interruption, des éclaboussures, un défaut d’alignement ou un événement de refroidissement anormal s’est produit. Un écart n’entraîne pas automatiquement l’invalidation de l’essai, mais il doit être visible pour toute personne évaluant le résultat.

Le cycle thermique et le relevé de trempe doivent être reliés à l’identification du matériau par un numéro d’essai unique. Ce lien empêche qu’une courbe soit dissociée de ses conditions de traitement thermique lorsque les résultats sont copiés dans un tableur ou un certificat.

Données de dureté, présentation de la courbe et traçabilité

Après la trempe, identifier la méthode de dureté, l’échelle, l’instrument, le pénétrateur, la charge, l’état d’étalonnage et la préparation de la surface d’essai. Le rapport doit indiquer si les mesures ont été effectuées en Rockwell C, Rockwell B, Vickers ou selon une autre échelle autorisée ; le terme « dureté » employé seul est incomplet. Enregistrer l’identification de l’instrument et son état de vérification, en particulier lorsque les résultats sont utilisés à des fins d’acceptation.

La méthode Jominy mesure la dureté à des distances croissantes de l’extrémité trempée. La Materials Education Foundation décrit cette réponse dépendant de la distance comme la base de la détermination de la trempabilité de l’acier. Indiquer le point de référence correspondant à la distance zéro, la préparation du côté de mesure et chaque emplacement de mesure. Les distances doivent comporter leurs unités et être indiquées telles qu’elles ont été mesurées, et non déduites d’un modèle générique. Si la surface a été rectifiée ou usinée avant l’essai, enregistrer l’épaisseur enlevée et le sens de préparation.

Présenter les mesures brutes dans un tableau avant toute courbe lissée ou ajustée. Un tableau utile comprend le numéro de l’éprouvette, la distance par rapport à l’extrémité trempée, la valeur de dureté, l’échelle de dureté, les mesures répétées, la moyenne lorsqu’elle est calculée et les remarques. Si les deux côtés ou plusieurs lignes de mesure ont été examinés, identifier chaque ligne. Ne pas dissimuler la dispersion en ne présentant qu’une moyenne. Une courbe doit représenter la dureté sur l’axe vertical et la distance par rapport à l’extrémité trempée sur l’axe horizontal, avec les unités, l’échelle, l’identification de l’éprouvette, la norme d’essai et l’échelle de dureté dans la légende. Si une interpolation, un ajustement de courbe ou une conversion entre échelles de dureté a été utilisé, indiquer la méthode et conserver les mesures d’origine.

La courbe montre la réponse de dureté produite par l’historique documenté de la trempe en bout. À elle seule, elle n’établit pas la dureté dans un composant de production particulier, ne garantit pas une microstructure et ne permet pas de prédire les performances après une autre trempe, une autre dimension de section ou un autre traitement de revenu. La composition, la taille des grains d’austénite, la géométrie de l’éprouvette, le temps de transfert et les conditions de trempe influent tous sur l’interprétation. Une seule valeur de dureté, même mesurée à l’extrémité trempée, ne peut pas remplacer le relevé distance-dureté.

Enfin, identifier séparément le critère d’acceptation et le résultat mesuré. ASTM A255-20 et ISO 642:2024 fournissent des cadres d’essai ; la spécification applicable au matériau, le plan, l’exigence d’achat ou le document client détermine si une courbe ou une valeur tabulée est acceptable. Le rapport doit citer cette exigence ainsi que sa révision, le cas échéant. Si aucune limite d’acceptation n’est spécifiée, indiquer que le résultat est descriptif et ne pas inventer de dureté minimale, de distance maximale, de classement de nuance ou de conclusion conforme/non conforme. Conserver sous le même numéro d’essai traçable le fichier original de l’instrument, le relevé d’étalonnage, le journal de traitement thermique, les photographies de l’éprouvette lorsqu’elles sont pertinentes, le tableau des mesures brutes, la courbe tracée, l’identité de l’opérateur, la date de l’essai et les écarts.

Limites de la méthode Jominy

L’essai Jominy de trempe en bout est une comparaison contrôlée, et non une version miniature de chaque opération de trempe. ASTM A255-20 définit la trempabilité comme « la profondeur jusqu’à laquelle l’acier durcit lorsqu’il est trempé » et spécifie une éprouvette cylindrique de 1 pouce de diamètre pour l’essai quantitatif de trempe en bout (ASTM International, 2020). ISO 642:2024 spécifie une éprouvette de 25 mm de diamètre et d’au moins 100 mm de longueur (International Organization for Standardization, 2024). Ces dimensions, le traitement d’austénitisation, la configuration du jet d’eau et la procédure de mesure de la dureté font partie intégrante du résultat. Si on les modifie, la réponse peut changer.

Une courbe Jominy répond donc à une question définie : comment la dureté varie-t-elle en fonction de la distance par rapport à une extrémité d’une éprouvette standard après un historique thermique spécifié ? Elle ne fournit pas une valeur unique, indépendante de la géométrie, indiquant « à quel point » un acier est dur. Elle ne garantit pas non plus qu’une pièce de production développera le même profil de dureté.

Ce que peut représenter un refroidissement unidimensionnel

L’essai commence par le chauffage de l’éprouvette cylindrique jusqu’à sa température d’austénitisation spécifiée. Une extrémité est ensuite trempée par un jet d’eau, tandis que le reste de la barre refroidit à l’air. L’University of Illinois décrit cette séquence comme le fondement de l’essai (University of Illinois Materials Technology and Innovation Laboratory, 2024) ; l’University of Cambridge explique qu’elle crée une gamme continue de vitesses de refroidissement le long de la barre (University of Cambridge, 2012). Près de l’extrémité trempée, la chaleur est évacuée rapidement. Plus loin, la chaleur doit se conduire vers l’extrémité refroidie et s’évacuer par la surface exposée, de sorte que la vitesse de refroidissement diminue progressivement.

Cette configuration est utile parce qu’une seule éprouvette permet d’échantillonner de nombreuses sévérités de refroidissement. La courbe de dureté en fonction de la distance peut montrer si une nuance conserve une dureté martensitique plus loin de l’extrémité trempée, là où des produits de transformation tels que la bainite, ou la ferrite et la perlite, deviennent plus probables. Elle montre également la distribution de la réponse, plutôt qu’une seule mesure de dureté. C’est pourquoi une faible dureté à une position éloignée ne peut pas être interprétée comme la preuve que l’acier était « mou » avant la trempe ; elle peut indiquer que la vitesse locale de refroidissement était insuffisante pour empêcher une transformation diffusionnelle.

Le champ thermique unidimensionnel constitue une approximation. Une pièce réelle refroidit par plusieurs surfaces, peut comporter des angles, des trous, des épaulements, des rainures de clavette ou des interfaces de contact, et peut subir une agitation qui varie selon son orientation. Son cœur peut rester chaud alors que sa surface est déjà en transformation. Les flux thermiques peuvent être radiaux, axiaux ou fortement tridimensionnels. Une barre Jominy ne présente aucune de ces conditions aux limites propres aux composants.

L’essai ne reproduit pas non plus l’historique exact de refroidissement associé à une trempe à l’huile, au polymère, à la saumure, au gaz ou à une trempe interrompue. Un jet d’eau dirigé vers une extrémité impose une condition aux limites particulière ; il ne constitue pas un substitut universel à un bac, à une aspersion, à un gaz sous pression ou à une trempe étagée. La courbe peut comparer des coulées, des compositions et des états de grain austénitique lorsque la procédure est maintenue constante, mais la conversion directe de la distance le long de la barre en une position dans la pièce exige une analyse thermique ou une corrélation validée.

La composition et la taille des grains austénitiques jouent un rôle déterminant. ASM identifie ces deux facteurs comme des influences principales sur la trempabilité (ASM International, 1990). Par conséquent, un résultat Jominy est également sensible à l’élaboration antérieure de l’éprouvette, à la croissance des grains pendant l’austénitisation et à la composition chimique réelle de l’acier. La seule désignation d’une nuance ne supprime pas ces variables.

Sensibilité à la préparation et à la mesure

La méthode Jominy condense de nombreuses décisions métallurgiques en un essai qui paraît simple. L’éprouvette doit présenter les dimensions et l’état de surface spécifiés, être chauffée uniformément, atteindre l’état austénitique visé et être transférée rapidement dans le dispositif de trempe. Les retards, la décarburation, l’oxydation, une température incorrecte du four ou une durée de maintien modifiée peuvent altérer la réponse à la transformation avant même que le jet d’eau ne soit mis en action.

La préparation de la surface après la trempe est tout aussi importante. Les mesures de dureté sont normalement effectuées à des distances croissantes de l’extrémité trempée, sur une surface plane préparée ou sur une piste usinée. Si le meulage échauffe la surface, si la calamine subsiste, ou si l’empreinte est réalisée trop près d’une empreinte antérieure ou d’un bord, la valeur mesurée peut ne pas représenter l’acier sous-jacent. La méthode de lecture compte également : l’échelle Rockwell, Vickers ou une autre échelle ne peut pas être remplacée arbitrairement sans tenir compte des exigences de la norme et des limites de conversion applicables.

Les petites erreurs deviennent particulièrement visibles dans une partie abrupte de la courbe. Une légère erreur de distance peut associer une valeur de dureté à une position de refroidissement incorrecte, tandis que la dispersion des mesures d’empreintes peut donner l’impression qu’une région presque plane est inclinée. Ne rapporter que la dureté maximale, ou uniquement la valeur à une distance donnée, revient à éliminer la distribution qui fait l’utilité de la méthode. La Materials Education Foundation décrit l’essai comme une mesure de la dureté à des distances croissantes de l’extrémité trempée afin de déterminer la trempabilité (Materials Education Foundation, 2024). La pluralité des mesures n’est pas un simple élément décoratif ; elle constitue la preuve.

Une courbe doit également être contextualisée. Le rapport doit préciser la norme utilisée, les dimensions de l’éprouvette, les conditions d’austénitisation, le milieu et la configuration de trempe, l’échelle de dureté, les positions de mesure et tout écart par rapport à la procédure. Comparer une courbe obtenue selon ASTM A255-20 à une courbe obtenue selon ISO 642:2024 peut être raisonnable uniquement après avoir confirmé que les conditions pertinentes et les conventions de présentation des résultats sont équivalentes. Une « valeur Jominy » dépourvue de ces informations est incomplète.

Quand une autre méthode d’évaluation est nécessaire

L’analyse de Grossmann est appropriée lorsque la question d’ingénierie porte sur l’interaction entre la trempabilité de l’acier et la sévérité de la trempe. Elle combine la réponse intrinsèque d’un acier avec la sévérité de refroidissement d’un milieu de trempe spécifié, souvent exprimée au moyen d’un facteur $H$, afin d’estimer la dureté ou la profondeur transformée dans une géométrie donnée. Une courbe Jominy décrit la réponse le long de sa propre éprouvette ; l’analyse de Grossmann ajoute un modèle de la trempe et de la géométrie. Elle ne transforme pas le résultat Jominy en mesure directe d’une pièce de production.

Les essais de trempabilité à l’air répondent à un problème différent. Pour les aciers destinés à durcir à l’air calme ou forcé, un essai de refroidissement à l’air peut montrer la dureté et la microstructure produites par cette trajectoire de refroidissement. Son résultat n’est pas interchangeable avec une courbe de trempe en bout à l’eau, car l’éprouvette subit un historique thermique et une condition de transfert thermique de surface différents. Le choix doit découler du procédé réel.

Les essais de procédé deviennent nécessaires lorsque le chargement du four, le temps de transfert, l’agitation, le masquage, les montages, la maîtrise des déformations ou l’interruption de la trempe peuvent influencer le résultat. Un essai réalisé avec des pièces représentatives peut révéler des effets qu’une barre standard ne permet pas de mettre en évidence. Même dans ce cas, la dureté doit être mesurée en des points liés à l’exigence de conception, et un examen métallographique peut être nécessaire pour distinguer la martensite de la bainite, de la ferrite, de la perlite ou des structures revenues.

Pour les composants critiques, la qualification doit être spécifique à la pièce. Un vilebrequin, un engrenage, un arbre ou une plaque épaisse peut nécessiter des thermocouples, des profils de dureté, des contrôles de microstructure, des mesures des contraintes résiduelles ou des déformations, ainsi que des trempes répétées représentatives de la production. L’essai Jominy reste précieux pour comparer des aciers selon une procédure commune, mais il constitue un élément probant concernant une réponse standardisée — et non une dispense de validation.

Références

1. [1]ASTM International. Standard Test Methods for Determining Hardenability of Steel. ASTM International standard, 2020. https://store.astm.org/a0255-20.html