DURCISSEMENT DES METAUX

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David Lessard
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1 1 Stage MG01 Initiation à la métallurgie DURCISSEMENT DES METAUX MICHEL COLOMBIE Document n 4

2 2 SOMMAIRE 1. Rappels Structures cristallines 1.2. Défauts 1.3. Essai de Traction 2. Amélioration de la limite d élasticité Durcissement des métaux Interaction dislocations-défauts 2.2. Les cinq méthodes de durcissement 2.3. Additivité 3. Exemples industriels Tôles épaisses soudables 3.2. Alliages d aluminium 4. Conclusions Bibliographie 27

3 3 Figure 1: modèle des ressorts. Figure 2a: atome en insertion.

4 4. ;;; 1.3. Essai de traction L essai de traction décrit par ailleurs, consiste à tracer la courbe effort/déformation d une éprouvette soumise à une contrainte uniaxiale. Cette courbe (figure 3) fait apparaître deux zones très distinctes. - une zone de déformation élastique. La courbe est linéaire; la déformation ε est proportionnelle à la contrainte σ. La déformation est réversible; l éprouvette retrouve sa longueur initiale si l on relâche la contrainte. - une zone de déformation plastique. La courbe n est plus linéaire. La déformation n est plus réversible; si l on relâche la contrainte, l éprouvette ne revient pas à sa longueur initiale mais conserve une déformation permanente ou résiduelle. Ces deux domaines sont séparés par un niveau de contrainte appelé limite d élasticité en dessous de laquelle la déformation est élastique et réversible, et au dessus de laquelle elle est dite plastique et irréversible. La déformation élastique s explique simplement par la déformation, ici en traction, des ressorts inter-atomiques évoqués ci-dessus. Si l on tire sur l éprouvette, ces ressorts s allongent; lorsque l on supprime la contrainte, ils reviennent à leur position initiale. On comprend donc qu il s agit d une déformation linéaire et réversible. Lors de la déformation plastique, au contraire, la surface de l éprouvette se recouvre de bandes ou de marches de glissement (figure 4). Ces dernières ne sont autre que la matérialisation des marches de glissement lorsque les dislocations qui se déplacent arrivent à la surface du métal. Par conséquent, la déformation plastique est due au glissement de ces dislocations; la déformation permanente étant liée à la formation, bien entendu irréversible, des marches de glissement. Ainsi, on comprend que: - pour les faibles contraintes, la force appliquée est inférieure à la force de frottement ou de Peierls. Les dislocations ne bougent pas. La déformation ne se fait que par traction sur les ressorts. Il s agit de la déformation élastique. - lorsque la force appliquée atteint la force de Peierls les dislocations se mettent à glisser. On entre alors dans le domaine de la déformation plastique non réversible.

5 5 Ainsi, la limite d élasticité n est autre que la contrainte extérieure qui correspond à la mise en mouvement ou au début du glissement des dislocations. Remarque: En pratique, toutes les structures que l on construit (par exemple un pont métallique, une enceinte sous pression, une carrosserie de voiture, etc ) doit reprendre sa forme initiale, sans déformation permanente, après application de la force maximale. Par conséquent, les métaux utilisés doivent être soumis à une contrainte inférieure à leur limite d élasticité (compte tenu des marges de sécurité imposées par les règlements). Ainsi, pour que les contraintes admissibles soient aussi élevées que possible, on recherchera des matériaux ayant de grandes limites d élasticité AMELIORATION DE LA LIMITE D ELASTICITE DURCISSEMENT DES METAUX Les remarques précédentes montrent que l apparition de la déformation plastique est liée au glissement facile des dislocations. Pour augmenter la limite d élasticité, nous serons conduits à tenter de freiner ou même d empêcher ces déplacements Interaction dislocations-défauts Nous avons indiqué que les défauts ponctuels, interstitiels ou substitution, les joints de grains et les précipités engendrent autour d eux des contraintes de compression ou tension. Par contre, les dislocations ont toujours un côté en tension et l autre en compression. On comprendra facilement qu il y ait attraction, c est-à-dire établissement d une force, entre les régions en tension et celles en compression. Par conséquent, soit par leur côté en tension, soit par l autre en compression, les dislocations seront localement attirées par les trois autres types de défauts: ponctuels, joints de grains ou précipités. De la sorte, tous ces défauts serviront de points d ancrage, dont l effet sera de freiner le glissement des dislocations qui devront vaincre les forces d attraction correspondantes. De même, deux dislocations devront s attirer par interaction entre le côté en tension de l une et celui en compression de l autre. Il y aura donc interaction entre les dislocations entre elles et ancrage réciproque. De ces remarques, nous retiendrons que l on peut freiner le déplacement des dislocations par interaction avec: - les interstitiels ou substitutions,

6 Les cinq méthodes de durcissement A partir des remarques précédentes, on comprendra facilement les mécanismes permettant d améliorer la limite d élasticité des métaux en freinant le déplacement des dislocations. Remarque: On parle souvent dans ce cas de durcissement, alors que la dureté est liée à la résistance limite et non pas à la limite d élasticité. Mais en général, ces deux caractéristiques varient parallèlement Changement de système cristallin La première solution consiste à tenter d augmenter les forces de frottement des dislocations ou force de Peierls. Or, ces forces de Peierls dépendent principalement du système cristallin. Pour des raisons que nous ne développerons pas ici, on montre qu elles sont plus faibles dans les systèmes plus denses. Rappelons que les systèmes hc et cfc sont les plus denses, suivis du système cc et éventuellement des systèmes plus compliqués. Cette remarque explique donc que les métaux cristallisant, par exemple dans le système cfc, aient en général une faible limite d élasticité; l aluminium en est un bon exemple. En pratique, cependant, cette voie n est pas très fructueuse car il est difficile de changer le système cristallin d un métal ou alliage. Quelques exemples s expliquent cependant par ce mécanisme; c est le cas des aciers inoxydables austénitiques cfc dont les limites d élasticité sont sensiblement plus faibles que celles des nuances ferritiques cc. C est aussi le cas de la martensite des aciers dont le système cristallin tétragonal explique, entre autres raisons, des caractéristiques élevées Durcissement par solution solide On a déjà précisé que les éléments en solution solide pouvaient être en insertion (pour les faibles diamètres atomiques) ou en substitution. Or nous avons indiqué que ces défauts devaient freiner le déplacement des dislocations. On comprendra, bien sûr, que l effet sera d autant plus important que la solution sera plus concentrée. Ainsi, une méthode d amélioration de la limite d élasticité va consister à faire un alliage formé d une solution solide. C est ce que l on appelle le durcissement par solution solide et qui explique en général, le meilleur comportement des alliages. Cette méthode est très généralement utilisée.

7 Figure 8: effet cumulé des différents modes de durcissement. 7

8 8. Des traitements thermomécaniques (TTM) ont ensuite été développés. Ils permettent en contrôlant les conditions de déformation et de température au cours du laminage, d obtenir directement une structure à grains beaucoup plus fins. Ceci a permis d atteindre des valeurs de limite d élasticité de l ordre de 410 MPa (tableau 8). L addition de dispersoïdes, conduisant à un durcissement par précipitation, permet d atteindre des niveaux identiques tels que Re 420 MPa (tableau 8). L association de TTM et de dispersoïdes permettant d associer les deux mécanismes conduit à des limites d élasticité encore plus élevées: Re 470 à 550 Mpa. Enfin plus récemment, l adjonction d un traitement de refroidissement accéléré doux (RAD) permet d améliorer encore l affinage du grain. Ceci conduit à des caractéristiques encore supérieures ou toutes choses égales par ailleurs, à la possibilité de diminuer la teneur en carbone pour améliorer la soudabilité (tableau 8) Alliages d aluminium Compte tenu des très faibles caractéristiques de l aluminium cristallisant dans le système cfc, des efforts très importants ont été faits pour les améliorer. Toutes les méthodes évoquées précédemment ont été utilisées. Ceci explique que les alliages d aluminium corroyés aient été classés en 7 familles selon le mécanisme de durcissement retenu (tableau 9)..

9 9 4. CONCLUSIONS Nous retiendrons en conclusion que l augmentation des caractéristiques mécaniques de traction, en particulier de la limite d élasticité Re, passe par un freinage aussi important que possible du déplacement (glissement) des dislocations. 5. BIBLIOGRAPHIE - Matériaux métalliques M. COLOMBIE et coll. (partie A) DUNOD - 5 rue Laromiguière, PARIS - Des Matériaux J.P. BAILON J.M. DORLOT PRESSES INTERNATIONALES Polytechnique - MONTREAL - Métallurgie du Minerai aux Matériaux J. PHILIBERT A.VIGNES Y. BRECHET P. COMBRADE MASSON 120 Boulevard Saint Germain PARIS Cedex 06

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