Renforcement de solution solide

1. Définition

Phénomène dans lequel des éléments d'alliage sont dissous dans le métal de base pour provoquer un certain degré de distorsion du réseau et ainsi augmenter la résistance de l'alliage.

2. Principe

Les atomes de soluté dissous dans la solution solide provoquent une distorsion du réseau, ce qui augmente la résistance au mouvement de dislocation, rend le glissement difficile et augmente la résistance et la dureté de la solution solide de l'alliage. Ce phénomène de renforcement du métal en dissolvant un certain élément soluté pour former une solution solide est appelé renforcement en solution solide. Lorsque la concentration d’atomes de soluté est appropriée, la résistance et la dureté du matériau peuvent être augmentées, mais sa ténacité et sa plasticité ont diminué.

3. Facteurs d'influence

Plus la fraction atomique des atomes de soluté est élevée, plus l'effet de renforcement est important, surtout lorsque la fraction atomique est très faible, l'effet de renforcement est plus important.

Plus la différence entre les atomes du soluté et la taille atomique du métal de base est grande, plus l'effet de renforcement est important.

Les atomes de soluté interstitiels ont un effet de renforcement de solution solide plus important que les atomes de remplacement, et comme la distorsion du réseau des atomes interstitiels dans les cristaux cubiques centrés sur le corps est asymétrique, leur effet de renforcement est supérieur à celui des cristaux cubiques à faces centrées ; mais atomes interstitiels La solubilité solide est très limitée, donc l'effet de renforcement réel est également limité.

Plus la différence entre le nombre d'électrons de valence entre les atomes du soluté et le métal de base est grande, plus l'effet de renforcement de la solution solide est évident, c'est-à-dire que la limite d'élasticité de la solution solide augmente avec l'augmentation de la concentration en électrons de valence.

4. Le degré de renforcement de la solution solide dépend principalement des facteurs suivants

La différence de taille entre les atomes de la matrice et les atomes du soluté. Plus la différence de taille est grande, plus l'interférence avec la structure cristalline d'origine est grande et plus le glissement des dislocations est difficile.

La quantité d'éléments d'alliage. Plus il y a d’éléments d’alliage ajoutés, plus l’effet de renforcement est important. Si trop d’atomes sont trop gros ou trop petits, la solubilité sera dépassée. Cela implique un autre mécanisme de renforcement, le renforcement en phase dispersée.

Les atomes de soluté interstitiels ont un effet de renforcement de solution solide plus important que les atomes de remplacement.

Plus la différence entre le nombre d’électrons de valence entre les atomes du soluté et le métal de base est grande, plus l’effet de renforcement de la solution solide est important.

5. Effet

La limite d'élasticité, la résistance à la traction et la dureté sont plus fortes que les métaux purs ;

Dans la plupart des cas, la ductilité est inférieure à celle du métal pur ;

La conductivité est bien inférieure à celle du métal pur ;

La résistance au fluage, ou à la perte de résistance à haute température, peut être améliorée par le renforcement d'une solution solide.

Écrouissage

1. Définition

À mesure que le degré de déformation à froid augmente, la résistance et la dureté des matériaux métalliques augmentent, mais la plasticité et la ténacité diminuent.

2. Introduction

Phénomène dans lequel la résistance et la dureté des matériaux métalliques augmentent lorsqu'ils sont déformés plastiquement en dessous de la température de recristallisation, tandis que la plasticité et la ténacité diminuent. Également connu sous le nom d’écrouissage à froid. La raison en est que lorsque le métal est déformé plastiquement, les grains cristallins glissent et les dislocations s'entremêlent, ce qui provoque l'allongement, la rupture et la fibration des grains cristallins, et des contraintes résiduelles sont générées dans le métal. Le degré d'écrouissage est généralement exprimé par le rapport entre la microdureté de la couche superficielle après traitement et celle avant traitement et par la profondeur de la couche durcie.

3. Interprétation du point de vue de la théorie des dislocations

(1) Une intersection se produit entre les luxations et les coupures qui en résultent entravent le mouvement des luxations ;

(2) Une réaction se produit entre les luxations et la luxation fixe formée entrave le mouvement de la luxation ;

(3) La prolifération des luxations se produit et l'augmentation de la densité des luxations augmente encore la résistance au mouvement des luxations.

4. Dommage

L'écrouissage entraîne des difficultés lors du traitement ultérieur des pièces métalliques. Par exemple, lors du laminage à froid d'une tôle d'acier, elle deviendra de plus en plus difficile à laminer, il est donc nécessaire d'organiser un recuit intermédiaire pendant le processus de traitement pour éliminer son écrouissage par chauffage. Un autre exemple consiste à rendre la surface de la pièce fragile et dure lors du processus de coupe, accélérant ainsi l'usure de l'outil et augmentant la force de coupe.

5. Avantages

Il peut améliorer la résistance, la dureté et la résistance à l'usure des métaux, en particulier pour les métaux purs et certains alliages qui ne peuvent pas être améliorés par traitement thermique. Par exemple, le fil d'acier à haute résistance étiré à froid et le ressort hélicoïdal à froid, etc., utilisent la déformation par travail à froid pour améliorer leur résistance et leur limite élastique. Un autre exemple est l'utilisation de l'écrouissage pour améliorer la dureté et la résistance à l'usure des réservoirs, des chenilles des tracteurs, des mâchoires des concasseurs et des appareils de voie ferroviaire.

6. Rôle dans le génie mécanique

Après l'étirage à froid, le laminage et le grenaillage (voir renforcement de surface) et d'autres processus, la résistance de surface des matériaux, pièces et composants métalliques peut être considérablement améliorée ;

Une fois les pièces soumises à des contraintes, la contrainte locale de certaines pièces dépasse souvent la limite d'élasticité du matériau, provoquant une déformation plastique. En raison de l'écrouissage, le développement continu de la déformation plastique est limité, ce qui peut améliorer la sécurité des pièces et des composants ;

Lorsqu'une pièce ou un composant métallique est embouti, sa déformation plastique s'accompagne d'un renforcement, de sorte que la déformation est transférée à la pièce durcie non travaillée qui l'entoure. Après de telles actions alternées répétées, des pièces d'estampage à froid présentant une déformation transversale uniforme peuvent être obtenues ;

Il peut améliorer les performances de coupe de l'acier à faible teneur en carbone et faciliter la séparation des copeaux. Mais l'écrouissage entraîne également des difficultés lors du traitement ultérieur des pièces métalliques. Par exemple, le fil d'acier étiré à froid consomme beaucoup d'énergie pour un étirage ultérieur en raison de l'écrouissage et peut même se briser. Par conséquent, il doit être recuit pour éliminer l’écrouissage avant l’étirage. Un autre exemple est que pour rendre la surface de la pièce fragile et dure pendant la coupe, la force de coupe est augmentée lors de la nouvelle coupe et l'usure de l'outil est accélérée.

Renforcement des grains fins

1. Définition

La méthode d'amélioration des propriétés mécaniques des matériaux métalliques en affinant les grains cristallins est appelée renforcement du raffinage cristallin. Dans l’industrie, la résistance du matériau est améliorée par l’affinage des grains cristallins.

2. Principe

Les métaux sont généralement des polycristaux composés de nombreux grains cristallins. La taille des grains cristallins peut être exprimée par le nombre de grains cristallins par unité de volume. Plus le nombre est élevé, plus les grains de cristal sont fins. Les expériences montrent que les métaux à grains fins à température ambiante ont une résistance, une dureté, une plasticité et une ténacité supérieures à celles des métaux à grains grossiers. En effet, les grains fins subissent une déformation plastique sous l'effet d'une force externe et peuvent être dispersés en plus de grains, la déformation plastique est plus uniforme et la concentration de contraintes est moindre ; de plus, plus les grains sont fins, plus la surface des joints de grains est grande et plus les joints de grains sont tortueux. Plus la propagation des fissures est défavorable. Par conséquent, la méthode permettant d’améliorer la résistance du matériau en raffinant les grains de cristal est appelée renforcement du raffinement des grains dans l’industrie.

3. Effet

Plus la taille des grains est petite, plus le nombre de dislocations (n) dans l'amas de dislocations est petit. Selon τ=nτ0, plus la concentration de contraintes est faible, plus la résistance du matériau est élevée ;

La loi du renforcement des grains fins est que plus il y a de joints de grains, plus les grains sont fins. Selon la relation Hall-Peiqi, plus la valeur moyenne (d) des grains est faible, plus la limite d'élasticité du matériau est élevée.

4. La méthode de raffinement des grains

Augmenter le degré de sous-refroidissement ;

Traitement des détériorations ;

Vibration et agitation ;

Pour les métaux déformés à froid, les grains cristallins peuvent être affinés en contrôlant le degré de déformation et la température de recuit.

Renforcement de la deuxième phase

1. Définition

Par rapport aux alliages monophasés, les alliages multiphasés possèdent une deuxième phase en plus de la phase matricielle. Lorsque la deuxième phase est uniformément répartie dans la phase matricielle avec de fines particules dispersées, elle aura un effet fortifiant significatif. Cet effet de renforcement est appelé renforcement de la deuxième phase.

2. Classement

Pour le mouvement des dislocations, la deuxième phase contenue dans l'alliage se présente dans les deux situations suivantes :

(1) Renforcement de particules indéformables (mécanisme de bypass).

(2) Renforcement des particules déformables (mécanisme de coupe).

Le renforcement par dispersion et le renforcement par précipitation sont des cas particuliers de renforcement de deuxième phase.

3. Effet

La principale raison du renforcement de la deuxième phase est l'interaction entre elles et la dislocation, qui entrave le mouvement de la dislocation et améliore la résistance à la déformation de l'alliage.

pour résumer

Les facteurs les plus importants affectant la résistance sont la composition, la structure et l’état de surface du matériau lui-même ; le deuxième est l'état de la force, comme la vitesse de la force, la méthode de chargement, l'étirement simple ou la force répétée, montreront différentes forces ; De plus, la géométrie et la taille de l'échantillon ainsi que le milieu de test ont également une grande influence, parfois même décisive. Par exemple, la résistance à la traction de l’acier à ultra haute résistance dans une atmosphère d’hydrogène peut chuter de façon exponentielle.

Il n'existe que deux façons de renforcer les matériaux métalliques. La première consiste à augmenter la force de liaison interatomique de l’alliage, à augmenter sa résistance théorique et à préparer un cristal complet sans défauts, tels que des moustaches. On sait que la résistance des moustaches de fer est proche de la valeur théorique. On peut considérer que cela est dû au fait qu'il n'y a pas de luxations dans les moustaches, ou seulement un petit nombre de luxations qui ne peuvent pas proliférer au cours du processus de déformation. Malheureusement, lorsque le diamètre de la moustache est plus grand, la résistance diminue fortement. Une autre approche de renforcement consiste à introduire un grand nombre de défauts cristallins dans le cristal, tels que des dislocations, des défauts ponctuels, des atomes hétérogènes, des joints de grains, des particules très dispersées ou des inhomogénéités (telles que la ségrégation), etc. Ces défauts entravent le mouvement des dislocations et Améliore également considérablement la résistance du métal. Les faits ont prouvé que c'est le moyen le plus efficace d'augmenter la résistance des métaux. Pour les matériaux d'ingénierie, il s'agit généralement d'effets de renforcement complets pour obtenir de meilleures performances globales.