Amélioration des propriétés mécanique_pdf.pptx
- 2. Modification des propriétés mécaniques • Propriétés intrinsèques – Architecture atomique • Propriétés extrinsèques – Addition d’éléments étrangers – Traitements mécaniques – Traitements thermiques Avant d’augmenter les cotes d’une pièce, pensons à améliorer les propriétés du matériau! Quelles sont les propriétés des matériaux qui peuvent être modifiées ? e • E ? • • • R ? • Rm ? • A % ?
- 3. 1) Solution solide, 2) Affinement du grain, 3) Écrouissage, 4) Durcissement structural, Mécanismes de durcissement
- 4. Solution solide ? Définition La solution solide est un mélange de corps purs (atomes ou molécules) formant un solide homogène. Conséquences Propriétés mécaniques améliorées. Exemples : - Alliage Cu-Ni (60 % de Ni) => Rm 2x plus important que Cu - 3 % de Mg dans l’aluminium => Rm multipliée par 3 (faible quantité) Source: Des Matériaux, JP Bailon, JM Dorlot 1) Durcissement par solution solide
- 5. Définition Les atomes en solution solide peuvent prendre plusieurs espaces : - Solution solide d’insertion Atome d’insertion occupe un des sites libres définis par le réseau cristallins. Il faut alors que l’atome d’insertion ait un diamètre suffisamment petit pour s’insérer dans ces sites. - Solution solide de substitution Atome de substitution occupe un des nœuds du réseau à la place de l’élément de base. C’est le cas quand l’atome de substitution est trop gros pour entrer dans les sites interstitiels. Solution solide ? 1) Durcissement par solution solide
- 6. Déformations élastiques du réseau cristallin par un atome plus petit (tension) Déformations élastiques du réseau cristallin par un atome plus gros (compression) Endroit préférentiel des atomes étrangers (solutés) (« annulation » des énergies de déformation dislocation-soluté) 1) Augmentation de la résistance, car la dislocation est en quelque sorte brisée par l’annulation de la déformation locale. 2) Les champs de contrainte créés par les solutés gênent le mouvement des dislocations. Mécanisme de durcissement Source: Science et Génie des Matériaux W.D. Callister 1) Durcissement par solution solide
- 7. Mécanisme de durcissement Source: Essentials of Materials Science and Engineering, D.R. Askeland, P.P. Fulay Effet de différents Éléments d’alliage dans Le cuivre Limite d’élasticité Ex: insertion dans le cuivre Mécanisme de durcissement 1) Durcissement par solution solide
- 8. Mécanisme de durcissement Source: Essentials of Materials Science and Engineering, D.R. Askeland, P.P. Fulay Effet des différents éléments d’alliage dans le cuivre Limite d’élasticité Ex: insertion dans le cuivre Mécanisme de durcissement 1) Durcissement par solution solide
- 9. Effet de la taille des insertions 1) Durcissement par solution solide MHE : Milieu Homogène équivalent Le comportement macroscopique du matériau est purement viscoplastique. Il est donné par l'équation suivante: Ė et Σ désignent respectivement la vitesse de déformation et la contrainte macroscopiques. représente le tenseur d'ordre quatre des compliances viscoplastiques effectifs. Le tenseur de vitesse de déformation locale est lié la vitesse de déformation macroscopique par la relation de localisation suivante: est le tenseur de localisation des déformations
- 10. Rappels : Théorie des dislocations et Plasticité La déformation plastique se fait par déplacement des dislocations Dislocation coin Sous l´action de la cission, la dislocation bouge progressivement dans le crystal. Si le déplacement des dislocations est difficulté, le matériau deviendra plus dur.
- 11. Comportement de l'inclusion 1) Durcissement par solution solide L'inclusion a un comportement viscoplastique. La déformation plastique sera initiée par le glissement des dislocations et prenant en compte l'effet des contraintes exercées à distance par les joints de grains sur les dislocations mobiles Le mécanisme de glissement des dislocations est donné par une équation de type Arrhenius correspond à la contrainte équivalente de von Mises. correspond à la contrainte d'écoulement à zéro Kelvin
- 12. Source: Essentials of Materials Science and Engineering, D.R. Askeland, P.P. Fulay Effet de l’addition de Zn Dans du cuivre sur ses propriétés Mécanisme de durcissement 1) Durcissement par solution solide
- 13. Formation d’une solution solide (atomes en sites interstitiels) Distorsion élastique du réseau (atomes en insertion + gros que le site) Pour diminuer l’énergie de distorsion élastique => atomes d’insertion le long d’une dislocation (formation d’un nuage de Cottrell) La dislocation est plus difficile à mettre en mouvement => contrainte plus élevée pour les mettre en mouvement Mécanisme de durcissement 1) Durcissement par solution solide
- 14. lors de l ’ emboutissage de certains e0.2 el Res R R Les dislocations sont libérées du nuages d’atome d’insertion (nuage de Cottrell) => formation d’une bande de Piobert-Lüders. Contrainte plus élevée pour mettre les dislocations en mouvement (Res > Rel). Propagation des bandes de Piobert- Lüders qui envahissent l’éprouvette à contrainte constante Rel (A => B). Quand les bandes ont envahi la section utile => déformation homogène se poursuit (après B). Attention : déformations non uniformes peuvent créer des « peaux d’orange » métaux. Conséquences sur la courbe de traction 1) Durcissement par solution solide
- 15. Joints de grains Surface d’accolement des grains Directions cristallographiques Source: Baïlon et Dorlot, Des Matériaux 2) Durcissement par diminution de la taille des grains
- 16. • Les joints de grains sont des obstacles au déplacement des dislocations. Interaction du mouvement d´une dislocation avec un joint de grain. Influence de la taille des grains Source: Science et Génie des Matériaux W.D. Callister 2) Durcissement par diminution de la taille des grains
- 17. Relation de Hall-Petch •Petits grains : beaucoup de joints de grains, plus difficile le mouvement des dislocations, plus la limite d´élasticité élevée. Influence de la taille du grain sur limite d ´élasticité pour le laiton 70 % Cu – 30 % Zn 0 300 600 Limite d´élasticité (MPa) 1E-3 0,01 0,1 Taille des grains mm k : coefficient de Petch fonction du matériau d : taille des grains σ0 : cste dont les dimension = contrainte Influence de la taille des grains 2) Durcissement par diminution de la taille des grains
- 18. k : coefficient de Petch fonction du matériau d : taille des grains σ0 : cste dont les dimension = contrainte Relation de Hall-Petch 2) Durcissement par diminution de la taille des grains
- 19. Influence sur la limite d’élasticité 2) Durcissement par diminution de la taille des grains
- 20. 3) Durcissement par écrouissage
- 21. travail à froid, % TF est le travail à froid, Ao et Af sont les sections transversales initiales et finales. Source: Science et Génie des Matériaux W.D. Callister Procédé qui consiste à soumettre un métal ductile à des contraintes mécaniques suffisamment fortes pour provoquer des déformations plastiques permanentes. Application : matériau devient plus dur, plus résistant. Un des mécanismes de durcissement les plus anciens. Limite d ´ élasticité (MPa) Procédé expérimental 3) Durcissement par écrouissage
- 22. Effet de la densité de dislocations 3) Durcissement par écrouissage Pour décrire l’interaction entre une dislocation mobile et une autre dislocation, on distingue généralement deux cas : Si les deux dislocations sont dans le même plan de glissement. On calcule l’énergie d’interaction entre les deux dislocations et on la dérive par rapport au déplacement de la dislocation mobile. On trouve les valeurs de contrainte suivantes : Où : µ est le module élastique de cisaillement
- 23. Effet de la densité de dislocations 3) Durcissement par écrouissage Pour décrire l’interaction entre une dislocation mobile et une autre dislocation, on distingue généralement deux cas : Si les deux dislocations sont dans le même plan de glissement. On calcule l’énergie d’interaction entre les deux dislocations et on la dérive par rapport au déplacement de la dislocation mobile. On trouve les valeurs de contrainte suivantes : Si les deux dislocations sont dans deux plans de glissement. Le calcul donne les valeurs suivantes :
- 24. Le tréfilage est la réduction de la section d'un fil par traction mécanique. (Schey J.A., 3rd, 2000) Tréfilage 3) Durcissement par écrouissage
- 25. Au cours de la déformation plastique, les dislocations se déplacent et se multiplient, forment des empilements, des noeuds, et leur mouvement est de plus en plus difficile. Il faut donc une contrainte plus élevée pour que les dislocations se déplacent et pour une nouvelle déformation plastique. Observation des dislocations au microscope électronique à transmission sur des échantillons de fer : Source: Des Matériaux, JP Bailon, JM Dorlot e=10 % L=2x1010cm/cm3 e=20 % L=2x1011cm/cm3 e =2 % L=2x108cm/cm3 e: déformation L: densité de dislocations 3) Durcissement par écrouissage
- 26. Températur e Tr tr Temps Paramètres dont dépend le recuit : • Précedent travail à froid, • Tr : température de recuit, • tr : durée du recuit, • Après écrouissage • Recuit : – 3 étapes – Chauffer jusqu´à une température élevée Tr, – Maintien de la pièce à cette température pour une durée tr, – Refroidissement _ LONG. • But : - Relaxation des tensions, - Augmentation de la ductilité, - Produire une certaine microstructure avec taille de grains controllée. 3) Durcissement par écrouissage Nécessité de recuit …..
- 27. Résistance Ductilité Dureté Propriétés Mécaniques Taille des grains Après polygonisation Polygonisation Recristallisation Croissance des Grains Tensions Résiduelles Juste après recuit Nouveaux Grains Croissance des grains Température Effet de la température de recuit sur les contraintes résiduelles, propriétés mécaniques et microstructure 3) Durcissement par écrouissage Restauration et recristallisation …..
- 28. Résistance Ductilité Dureté Propriétés Mécaniques Taille des grains Après polygonisation Polygonisation Recristallisation Croissance des Grains Tensions Résiduelles Juste après recuit Nouveaux Grains Croissance des grains Température 3) Durcissement par écrouissage A- Restauration T< 0,3 Tf (K) Tf: Température de fusion Dislocations s´éloignent les unes des autres et s´allignent selon des configurations plus stables dont l´énergie est moindre.
- 29. Croissance des Grains Ductilité Dureté Croissance des grains Recristallisation Tensions Résiduelles Propriétés Mécaniques 0,3 Tf < Tr < 0,6 Tf (K) Tr : Température de recristallisation Tf : Température de fusion • Réagencement des atomes des grains déformés en un nouveau assemblage de grains entièrement nouveaux, libres de tensions. Dureté Ductilité Résistance Taille des grains N o u v 3) Durcissement par écrouissage B- Recristallisation
- 30. Microstructure aprés travail Microstructure durant à froid et polygonisation recristallisation Croissance de grains équiaxiaux aux points d´énergie maximale Microstructure après recristallisation Plus le travail à froid, l´écrouissage est important, plus le nombre de sites favorables à la germination est grand, plus les grains, lors de la recristalisation, seront petits. 3) Durcissement par écrouissage B- Recristallisation
- 31. Laiton 33 % CW 580°C, 3s 580°C, 4s 580°C, 8s Recristallisation complète 580°C, 15min 700°C, 10min Grossissemen t des grains Grossissemen t des grains Recristallisation partielle Début de la recristallisatio n 3) Durcissement par écrouissage C- Évolution de la microstructure
- 32. Emboutissage travail à froid Travail à froid Travail à froid Disque de laiton Recuit Recuit 3) Durcissement par écrouissage D- Applications
- 33. Principe : formation de précipités qui vont gêner le mouvement des dislocations Méthode : Série de chauffage et refroidissement contrôlés (Traitement thermiques) →Répartition optimale des précipités (particule de 2e phase) dans la matrice → amélioration des propriétés mécaniques (Rm et Re) Principe & définitions….. 4) Durcissement structural
- 34. Cohérent Introduit des distorsions élastiques Incohérent Nuit aux propriétés mécaniques Semi-Cohérent 4) Durcissement structural Schémas des précipités ……
- 35. Source: Essentials of Materials Science and Engineering, D.R. Askeland, P .P . Fulay 4) Durcissement structural Exemple : Al-Cu
- 36. Vieillissement 100 < T < 200ºC => modification des propriétés mécaniques Températur e Mise en solution T < solidus => éviter de « brûler » l’alliage Refroidissement rapide (trempe) => atomes n’ont pas le temps de diffuser pour former des précipités θ => solution solide sursaturée en Cu (dureté et résistance médiocre) α Temps 4) Durcissement structural Étapes d’un traitement thermique
- 37. Solution solide sursaturée en Cu (pas en équilibre) => retour à l’équilibre (précipité de CuAl2) - Retour très lent à température ambiante (dizaines d’années) => vieillissement naturel - Plus rapide à température plus grande => vieillissement artificiel 4) Durcissement structural Effet du durcissement structural Au cours du vieillissement: 1- Formation de zones de Guinier-Preston : petits amas d’atomes de Cu (diamètre = 5 nm). 2. Évolution des zones de Guinier-Preston => formes intermédiaire de Al2Cu (θ’ ’) . Ces précipités cohérents n’ ont pas la composition de la phase θ d’équilibre. 3. Formes intermédiaires de CuAl2 (θ’ et θ’’ ) précipités semi- cohérents (diamètre = 10 nm, distance entre précipités = 20 nm)=> limite d’élasticité maximale, ductilité minimale.
- 38. CONCLUSION • Pour chaque alliage il peut exister un type de traitement pour le durcir. Ce traitement dépendra de la nature de l’alliage. • Durcissement par solution solide: atomes interstitiels qui augmentent le durcissement, fonction du diamètre de l’atome • Durcissement par diminution de la taille des grains: relation de Hall- Petch • Durcissement par écrouissage, travail à froid et traitement thermique • Durcissement structurel, précipités cohérents et incohérents. • Les traitements rendent les mouvements des dislocations plus difficiles. • Les origines de chacun de ces types de durcissement