Renforcement par solution solide

1. Définition

Un phénomène dans lequel des éléments d'alliage se dissolvent dans le métal de base pour provoquer un certain degré de distorsion du réseau cristallin et ainsi augmenter la résistance de l'alliage.

2. Principe

Les atomes de soluté dissous dans la solution solide provoquent une distorsion du réseau cristallin, ce qui accroît la résistance au mouvement des dislocations, rend leur glissement plus difficile et augmente la résistance et la dureté de l'alliage. Ce phénomène de renforcement du métal par dissolution d'un élément soluté pour former une solution solide est appelé renforcement par solution solide. Lorsque la concentration en atomes de soluté est appropriée, la résistance et la dureté du matériau augmentent, mais sa ténacité et sa plasticité diminuent.

3. Facteurs d'influence

Plus la fraction atomique des atomes de soluté est élevée, plus l'effet de renforcement est important ; cet effet est d'autant plus significatif que la fraction atomique est très faible.

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 la solution solide supérieur à celui des atomes de substitution, et comme la distorsion du réseau des atomes interstitiels dans les cristaux cubiques centrés est asymétrique, leur effet de renforcement est supérieur à celui des cristaux cubiques à faces centrées ; mais la solubilité solide des atomes interstitiels est très limitée, donc l’effet de renforcement réel est également limité.

Plus la différence entre le nombre d'électrons de valence des atomes de soluté et celui du métal de base est grande, plus l'effet de renforcement par 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 par solution solide dépend principalement des facteurs suivants

La différence de taille entre les atomes de la matrice et ceux du soluté est importante. Plus cette différence est grande, plus les perturbations de la structure cristalline initiale sont importantes et plus le glissement des dislocations est difficile.

La quantité d'éléments d'alliage est déterminante. Plus on ajoute d'éléments d'alliage, plus l'effet de renforcement est important. Cependant, si certains atomes sont trop gros ou trop petits, la solubilité est compromise. Ce phénomène fait intervenir un autre mécanisme de renforcement : le renforcement par phase dispersée.

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

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

5. Effet

La limite d'élasticité, la résistance à la traction et la dureté sont supérieures à celles des 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 perte de résistance à haute température, peut être améliorée par renforcement par solution solide.

Durcissement par écrouissage

1. Définition

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

2. Introduction

L'écrouissage est un phénomène par lequel la résistance et la dureté des matériaux métalliques augmentent lors d'une déformation plastique en dessous de leur température de recristallisation, tandis que leur plasticité et leur ténacité diminuent. Ce phénomène s'explique par le fait que, lors de la déformation plastique du métal, les grains cristallins glissent et les dislocations s'enchevêtrent, ce qui provoque leur allongement, leur rupture et leur fibrage, et génère des contraintes résiduelles 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, ainsi que 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 dislocations, et les coupures qui en résultent entravent le mouvement des dislocations ;

(2) Une réaction se produit entre les dislocations, et la dislocation fixe formée entrave le mouvement de la dislocation ;

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

4. Dommage

L'écrouissage complique les opérations d'usinage ultérieures des pièces métalliques. Par exemple, lors du laminage à froid d'une tôle d'acier, celle-ci devient de plus en plus difficile à laminer ; il est donc nécessaire de prévoir un recuit intermédiaire pour éliminer cet écrouissage par chauffage. Autre exemple : lors de l'usinage, l'écrouissage rend la surface de la pièce cassante et dure, ce qui accélère l'usure de l'outil et augmente l'effort de coupe.

5. Avantages

Ce procédé permet d'améliorer la résistance, la dureté et la résistance à l'usure des métaux, notamment des métaux purs et de certains alliages qui ne peuvent être améliorés par traitement thermique. Par exemple, le fil d'acier à haute résistance étiré à froid et le ressort enroulé à froid bénéficient d'une déformation par écrouissage pour améliorer leur résistance et leur limite d'élasticité. Autre exemple : l'écrouissage est utilisé pour améliorer la dureté et la résistance à l'usure des chars d'assaut, des chenilles de tracteurs, des mâchoires de concasseurs et des aiguillages ferroviaires.

6. Rôle en génie mécanique

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

Après la mise en contrainte des pièces, la contrainte locale de certaines parties dépasse souvent la limite d'élasticité du matériau, provoquant une déformation plastique. Grâce à 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 partie durcie non travaillée qui l'entoure. Après de telles actions alternées répétées, on peut obtenir des pièces embouties à froid présentant une déformation de section transversale uniforme ;

Il peut améliorer les performances de coupe de l'acier à faible teneur en carbone et faciliter l'évacuation des copeaux. Cependant, l'écrouissage complexifie également les opérations d'usinage ultérieures des pièces métalliques. Par exemple, le fil d'acier étiré à froid consomme beaucoup d'énergie lors des opérations d'étirage suivantes en raison de l'écrouissage, et risque même de se rompre. Il est donc nécessaire de le recuire avant l'étirage afin d'éliminer cet écrouissage. Autre exemple : pour rendre la surface de la pièce cassante et dure lors de la coupe, la force de coupe est augmentée lors des passes de finition, ce qui accélère l'usure de l'outil.

Renforcement à grain fin

1. Définition

Le procédé d'amélioration des propriétés mécaniques des matériaux métalliques par affinement du grain cristallin est appelé renforcement par affinement cristallin. Dans l'industrie, la résistance du matériau est accrue par ce procédé.

2. Principe

Les métaux sont généralement des polycristaux composés de nombreux grains cristallins. La taille de ces grains peut être exprimée par leur nombre par unité de volume. Plus ce nombre est élevé, plus les grains sont fins. Les expériences montrent qu'à température ambiante, les métaux à grains fins présentent une résistance, une dureté, une plasticité et une ténacité supérieures à celles des métaux à gros grains. Ceci s'explique par le fait que les grains fins subissent une déformation plastique sous l'effet d'une force extérieure et sont plus dispersés, ce qui rend la déformation plastique plus uniforme et réduit la concentration des contraintes. De plus, plus les grains sont fins, plus la surface des joints de grains est importante et plus ces joints sont tortueux, ce qui rend la propagation des fissures moins favorable. Par conséquent, la méthode d'amélioration de la résistance d'un matériau par affinement des grains est appelée renforcement par affinement des grains.

3. Effet

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

Le principe du renforcement par grains fins est le suivant : plus les joints de grains sont nombreux, plus les grains sont fins. Selon la relation de Hall-Peiqi, plus la valeur moyenne (d) des grains est faible, plus la limite d'élasticité du matériau est élevée.

4. La méthode d'affinage du grain

Augmenter le degré de sous-refroidissement ;

Traitement de la détérioration ;

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

Comparativement aux alliages monophasés, les alliages multiphasés possèdent une seconde phase en plus de la phase matricielle. Lorsque cette seconde phase est uniformément répartie dans la phase matricielle sous forme de fines particules dispersées, elle exerce un renforcement significatif. Ce renforcement est appelé renforcement par seconde phase.

2. Classification

Concernant le mouvement des dislocations, la seconde phase contenue dans l'alliage présente les deux situations suivantes :

(1) Renforcement des particules non déformables (mécanisme de contournement).

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

Le renforcement par dispersion et le renforcement par précipitation sont tous deux des cas particuliers de renforcement de seconde phase.

3. Effet

La principale raison du renforcement de la seconde phase est l'interaction entre elle 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 influençant la résistance sont la composition, la structure et l'état de surface du matériau lui-même ; le second facteur est l'état de la force appliquée : sa vitesse, la méthode de chargement (traction simple ou application répétée) induisent des résistances différentes. De plus, la géométrie et la taille de l'échantillon ainsi que le milieu d'essai ont une influence considérable, parfois même déterminante. Par exemple, la résistance à la traction d'un acier à ultra-haute résistance sous atmosphère d'hydrogène peut chuter de façon exponentielle.

Il n'existe que deux méthodes pour renforcer les matériaux métalliques. La première consiste à augmenter la force de liaison interatomique de l'alliage, ce qui accroît sa résistance théorique, et à préparer un cristal parfait, exempt de défauts tels que les whiskers. On sait que la résistance des whiskers de fer est proche de la valeur théorique. Ceci peut s'expliquer par l'absence de dislocations dans les whiskers, ou par la présence d'un nombre très limité de dislocations qui ne peuvent proliférer lors de la déformation. Malheureusement, lorsque le diamètre du whisker augmente, la résistance chute brutalement. La seconde méthode de renforcement consiste à introduire un grand nombre de défauts cristallins, tels que des dislocations, des défauts ponctuels, des atomes hétérogènes, des joints de grains, des particules très dispersées ou des inhomogénéités (comme la ségrégation), etc. Ces défauts entravent le mouvement des dislocations et améliorent significativement la résistance du métal. Il a été démontré que c'est la méthode la plus efficace pour accroître la résistance des métaux. Pour les matériaux d'ingénierie, c'est généralement par une combinaison d'effets de renforcement que l'on obtient de meilleures performances globales.