Cours #9. Objectives du cours #9

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1 Cours #9 -Conception pour la mise en forme -Les changements microstructuraux lors de la mise en forme 8-1 Objectives du cours #9 Connaître les principaux paramètres de la conception pour la mise en forme par déformation Devenir familier avec les changements microstructuraux durant la mise en forme a chaud 8-2 1

2 Plan du cours #9 : Restauration (recovery) Statique Dynamique Recristallisation Statique Dynamique metadynamique Précipitation Changement de phase 8-3 La conception mécanique spécifie: les détails géométriques Les matériaux Les caractéristiques de la surface La fabrication essaie d atteindre les objectives de la conception Le succès réside dans la communication entre la conception et la fabrication 8-4 2

3 Procédé de mise en forme idéal? En un seul procédé on obtient La forme finale La surface finale La microstructure finale La réalité: Plusieurs étapes de mise en forme mécanique Plusieurs étapes de traitements thermiques Plusieurs étapes de traitement de surface 8-5 Ref

4 Le choix du procédé de mise en forme doit être fait sur le cycle de vie du produit et pas seulement sur le cout du procédé lui même Le concept de concevoir pour la déformation (Design for déformation processing) Il faut connaitre les avantages/limites de chaque procédé 8-7 Le Procédé de la déformation plastique Ref 2 1- matériau initial 2-Produit finale 3-Zone de la déformation plastique 4-La forme de l outil influence les propriétés 5-L etat d interface influence les propriétés 6-L equipment utilisée (transfère de la chaleur) 7-Temperature 8-Déformation 9-Taux de déformation 8-8 4

5 Les avantages: on les connait! Les limites: Pression ou force excessive La fissuration et la rupture Les tolérances dimensionnelles Les effets de surface Les outils de mise en forme Le matériau 8-9 Pression ou forces excessive Si épaisseur diminue ou longueur augmente Besoin de pressions plus élevées Exemple: Risque d atteindre la capacité maximale de la machine ou déformation de l outil La pression de laminage augmente exponentiellement quand l épaisseur diminue

6 Exemple: Forgeage Penser à l impact sur le choix et la modification du procédé utilisé 8-11 Limites dimensionnelles des procédés de mise en forme: Ref 2 Facteur clé dans le développement des nouveaux procédés

7 La fissuration et la rupture Facteur limitatif important en dimension et détails géométriques 8-13 Fissuration à l interface pièce-outil: présence de contraintes de tension (forgeage, extrusion, )

8 Fissuration à l interface pièce-outil: présence de contraintes de tension (forgeage, extrusion, ) Ref Fissuration à l intérieur du matériau Fissuration interne lors Du tréfilage (wire drawing) Ref

9 Les tolérances dimensionnelles Généralement très élevées cependant Usure de l outil Déformation élastique de l outil durant le procédé Petites variations de T, dimensions de la pièce, Changement des conditions de lubrification Pertes de tolérances dimensionnelles Développement de nouveaux procédés ou modifications pour minimiser cet effet 8-17 Les effets de surface Haute T oxydation -Qualité de surface diminue -insertion des oxydes dans le matériau Introduction de défauts Adapter le procédé au matériau pour minimiser des opérations secondaires

10 Les outils de mise en forme Influence critique sur la qualité du produit finale Les outils: matrice de forge ou d extrusion, rouleaux de laminoir,. L évolution de la qualité de l outil pendant service, influence le choix des conditions de mise en forme 8-19 La transition classique avancée Meilleure compréhension de l influence des paramètres du procédé, matériau, service T, έ, friction Environnement, conditions de travail Nouvelle conception de la pièce Nouvelle technologie Nouveau matériau

11 Importance de la microstructure Nombre des grains: de 1 a Taille des grains: de nano à mm L orientation des grains: Macroscopique: L allongement des grains (fibrage) Microscopique: Texture Formation de nouvelles phases: Impacts positifs et négatifs 8-21 Nombre des grains

12 Taille des grains 1000 C/1 s C/1 s Taille des grains 1125 C/1 s C/1 s

13 10 ± 1 µm Evolution de la taille des grains 0.01 s -1 Temp : o C, 15 min 0.5 o C/s 1.5 o C/s WQ Time 173 ± 20 µm 24 ± 1 μm 200 µm 200 μm 8-25 L orientation des grains Macroscopique (fibrage) Crsitallographique (texture) Ref

14 Fusion locale Formation de nouvelles phase Superalliage Udimet 720 déformé a haute température 8-27 Fusion locale Formation de nouvelles phase Superalliage Nimonic 115 traitement thermique haute température

15 A froid Entre froid et chaud! A chaud Dans chaque cas la compréhension de l effet des paramètres de déformation sur la microstructure ont permis l optimisation ou le développement de nouveaux procédés de mise en forme 8-29 Petit rappel La déformation plastique est produit par: Glissement des dislocations CFC CC Maclage HC CC à basse T Fautes d empilement (stacking faults) Seulement dans les systèmes compacts (CFC, HC)

16 A froid Front de Luders ε=0.09 ε=0.2 Effet de la déformation sur la taille de cellule 8-31 ε= 0 Joints de grains net + densité dxns basse ε densité dxn elevée+ dxns entremêlées formation de cellules de dxns + murs de dxns +Glissement des dxns ε > 0.2 Déformation hétérogène dans chaque grain pour s adapter à la déformation macroscopique

17 ε >0.2 la déformation est décrite par Bande de déformation: région d orientation différente dans un même grain Bandes de glissement: régions ayant subi de grandes déformations. Peuvent traverser toute l épaisseur de la pièce formée Bandes de macle: Régions déformées par maclage Il y a aussi: Bande de transition, bande de kink, micro bande 8-33 Bandes de cisaillement Bande de déformation, Co- 8%Fe, 44% déformation

18 Déformation plastique, uniforme? Gradients de contraintes due a la méthode de mise en forme (e.g. friction) Le mécanisme d écoulement plastique est instable (e.g. acier au carbon) La structure initiale n est pas homogène Le mouvement d une dxn est locale La déformation plastique globale: Non uniforme 8-35 Mode de déformation dominante? Réponse: Métallographie ou compréhension des mécanismes opérantes et types de défauts qu elles génèrent Métallographie Caractéristiques macroscopiques (Macrographie) Fibrage Lignes de glissement (Flow lines) Bandes de glissement Bandes de Lüders

19 Fibrage, acier électrique (2.5% Si), 70% réduction laminé froid, Feα allongé

20 Caractéristiques microscopique (Micrographie) Structure de grain frisé Effet peau d orange Lignes de glissement Bandes de glissement Macles de déformation Interactions DXN-précipité Blocage Découpage 8-39 Effet peau d orange Découpage de précipité Structure de grain en boucles(curly)

21 A froid Entre froid et chaud! A chaud Dans chaque cas la comprehension de l effet des parametres de déformation sur la microstructure ont permis l optimisation ou le dévéloppement de nouveaux procédés de mise en forme 8-41 T déformation >0.5 Tm Déformation à chaud Déformation : densité des dxns Haute T : densité des dxns Déformation + Haute T Combinaison de mécanismes en place: Glissement des dxns Montée des dxns Diffusion des défauts ponctuels Changement dans la microstructure

22 Restauration statique et dynamique Recristallisation statique et dynamique Croissance des grains Changements de phase Précipitation Changements dans les propriétés finale du produit mise en forme 8-43 La limite d écoulement et la microstructure sont fonctions de la T et de ε Wang et al., Materials Science and Engineering A 528 (2011) Superalliage In

23 Restauration (R), Recristallisation (Rxn), Croissance des grains (CG) Caractéristiques Seul ou ensemble L énergie du matériau Diffusion prends place Phénomène. thermiquement actif réarrangement des dxns et des JG R et Rxn dépendent de la déformation CG n en dépends pas

24 Superalliage base Ni: après forge 8-47 Ref

25 Restauration (Recovery) Comporte 4 étapes Élimination des défauts ponctuels Élimination et réarrangement des dxns Formation des sous grains Augmentation de la misorientation entre les sous grains Changement apparent de la microstructure? Non Changement des propriétés: Oui Résistivité électrique, Élargissement des raies de diffraction, écrouissage, dureté 8-49 Restauration Statique (Recovery) Déformation à froid + revenu ou Apres déformation à chaud Application: Améliorer la formabilité des feuilles laminées d Al (Al cans)

26 La Recristallisation Al 40% déformé 1 grain: après Rxn 2 grains A et B A B 1-8, 11 et 18 B A Processus hétérogène 8-51 La Recristallisation Rxn : germination et croissance de nouveaux grains Deux étapes: Incubation et croissance Processus contrôlé par diffusion Incubation: coalescence des sous grains Joint de grain a haut angle différence de densité de dxn à travers le JG Mouvement de JG Le nouveau grain existe

27 La Recristallisation Statique Monocristale de Fe-Si, 80% laminage a froid+revenue a 600ºC 8-53 La Recristallisation statique

28 Recristallisation VS Restauration Restauration Pas de germination Pas de mouvement de JG Pas de changement dans l orientation des grains pas de changement dans la texture Recristallisation Changement majeur dans la texture Impact sur les conditions de la mise en forme: Le laminage des aciers électriques 8-55 Cinétique de Recristallisation Tout ce qui influence la mobilité et la taille des joints à haut angle influence la Rxn Impuretés Solutés Précipités Autres JG Développement de procédés/alliages en utilisant cette caractéristique Ex: Mise en forme des superalliages Ex: Control de la taille finale des grains

29 La Recristallisation Statique Période d incubation 15-20% Restauration > 20% Recristallisation