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Structure et Comportements des Matériaux
Laurent GAUTRON
Laboratoire Géomatériaux et Environnement (LGE, EA 4508) Université Paris Est Marne la Vallée
Master Science et Génie des Matériaux (SGM) M1-S1
année 2018-2019
Amélioration des propriétés mécaniques des métaux
- Propriétés mécaniques moins performantes pour métaux purs
- Ajout d’éléments d’alliages: amélioration des propriétés mécaniques
- Traitement thermique et/ou mécanique
Limité d’élasticité parfois multipliée par 4
Exemples Alliage d’aluminium Acier doux
Dislocations défauts cristallins linéaires
Glissement des dislocations quand
Origine microscopique d’une propriété macroscopique
Déformation plastique des métaux et alliages métalliques
e
Dislocations défauts cristallins linéaires
Glissement des dislocations quand
Origine microscopique d’une propriété macroscopique
Durcir un métal:
- Mettre des obstacles au mouvement des dislocations
- Rendre plus difficile la déformation plastique
- Augmenter la valeur de la limite élastique
Déformation plastique des métaux et alliages métalliques
e
Dislocations défauts cristallins linéaires
Glissement des dislocations quand
Origine microscopique d’une propriété macroscopique
Durcir un métal:
- Mettre des obstacles au mouvement des dislocations
- Rendre plus difficile la déformation plastique
- Augmenter la valeur de la limite élastique
Déformation plastique des métaux et alliages métalliques
e
Durcissement des métaux et alliages métalliques
Glissement des dislocations plus difficile dans un cristal
Présence de défauts dans le cristal (atomes étrangers, précipités, seconde phase, joint de grains, dislocations)
zones de champs de contrainte et de déformation
plus d’énergie requise pour les contourner
augmentation de e et m
diminution de la ductilité et de la ténacité
- Compromis industriel à trouver, durcissement vs fragilisation - Enjeux économiques
Durcissement des métaux et alliages métalliques
Durcissement par écrouissage
Durcissement par affinement de taille de grain
Durcissement par solution solide
Durcissement structural
Durcissement par écrouissage
Consolidation entre e et m
- déplacement des dislocations
- courbure des dislocations avec points d’ancrage
- multiplication des dislocations
- déformation plastique plus difficile
- augmentation continue de pour avoir déformation
B
A A
e
= F/S0 = F/S0 = F/S1
’e
’m
e e e
écrouissage 1ère déformation plastique Grandeurs mécaniques vraies
S1 < S0 ’e > A
Durcissement par écrouissage
Augmentation de la limite élastique par déformations plastiques successives
Dans la zone de déformation plastique
les dislocations se déplacent selon des modes actifs de glissement
multiplication des modes de glissement actif
augmentation de la densité de dislocations
interactions très fortes entre dislocations (empilements, noeuds …)
mouvement des dislocations de plus en plus difficile
Déformation plastique à volume constant:
2ème déformation plastique avec matériau à section plus faible
augmentation des grandeurs mécaniques vraies
Durcissement par écrouissage
Gauche: déformation par traction de 2% (L = 2.108 cm/cm3) Milieu: déformation par traction de 10% (L = 2.1010 cm/cm3) Droite: déformation par traction de 20% (L = 2.1011 cm/cm3)
Echantillon de fer
Durcissement par écrouissage
Cas industriel du laminage
Etat des contraintes mises en œuvre pour le laminage … … plus complexe que pour une traction simple Possible augmentation simultanée de e et m
avec toujours réduction de l’allongement à la rupture
Mesure de l’écrouissage par la réduction relative de section détermination de taux d’écrouissage (en %) Grains étirés et déformés suivant la direction du laminage avec étirement en fonction du taux d’écrouissage
Durcissement par écrouissage
Déformations d’un laiton 70-30, à l’état initial recuit (a), et avec réduction de section de 25% (b) et de 70% (c).
Laminage du laiton Observations au MEB Durcissement par écrouissage
Durcissement par affinement de taille de grain
Métaux (surtout de structure c.c.)
- avec limite élastique dépendant de la taille des grains
- relation de Hall-Petch
2/1
02,0. dke
avec 0 constante (dimension d‘une contrainte) k coefficient de Petch (dépendant du matériau ) d taille moyenne des grains
Métaux (surtout de structure c.c.)
- avec limite élastique dépendant de la taille des grains
- relation de Hall-Petch
2/1
02,0. dke
avec 0 constante (dimension d‘une contrainte) k coefficient de Petch (dépendant du matériau ) d taille moyenne des grains
- Diminution de la taille des grains
augmentation du nombre de joints de grains
joints de grains = obstacles au glissement des dislocations
plus d’énergie requise pour passage d’un grain à l’autre
Durcissement par affinement de taille de grain
Variation de la limite
d’élasticité Re0,2 de plusieurs
métaux et alliages en fonction
de la taille moyenne des grains,
d, selon la loi de Hall-Petch
Glissement des dislocations plus simple dans les structures cfc / cc, donc dislocations moins gênées par les joints de grains.
Durcissement par affinement de taille de grain
Durcissement par solution solide
Durcissement par ajout d’atomes
Effet important de faibles quantités
de soluté
Exemple: atomes de Zn ajoutés au Cu, atomes plus gros, augmentation de la « rugosité » des plans de glissement des dislocations
Solutions solides d’insertion ou de substitution - distorsions élastiques autour des atomes ajoutés - champ de contrainte autour des atomes ajoutés - interaction entre ce champ de contrainte et le champ associé aux dislocations
Interactions plus fortes lorsque différences de tailles fortes entre atomes de solvant et de soluté.
Durcissement par solution solide
Cas des atomes de carbone en insertion dans le réseau des atomes de fer - création de fortes distorsions élastiques - tendance à la diffusion des atomes de C - distribution des atomes de C autour des dislocations (nuages de Cottrell) - ancrage des dislocations autour des atomes de C
Durcissement par solution solide
Cas des atomes de carbone en insertion dans le réseau des atomes de fer - création de fortes distorsions élastiques - tendance à la diffusion des atomes de C - distribution des atomes de C autour des dislocations (nuages de Cottrell) - ancrage des dislocations autour des atomes de C - énergie supplémentaire nécessaire pour « désancrer » les dislocations - limite élastique supérieure A (désancrer les dislocations) - limite élastique inférieure B (déplacer les dislocations)
Palier avec déformation non uniforme de
l’éprouvette, avec bandes de Piobert-Lüders
Bandes claires déformées plastiquement Bandes sombres déformées élastiquement
Durcissement par solution solide
Durcissement structural
Durcissement par traitement thermique (chauffage et refroidissement) répartition optimale des précipités dans la matrice durcissement par précipités ou dispersoïdes
Durcissement structural
Durcissement par traitement thermique (chauffage et refroidissement) répartition optimale des précipités dans la matrice durcissement par précipités ou dispersoïdes
1) Mise en solution à HT
entre solvus et solidus
solution solide homogène
2) Trempe
solution solide sursaturée
3) Vieillissement à T < Tsolvus
formation de précipités
Durcissement structural Evolution de la dureté en fonction de l’évolution de la taille et de la nature des précipités
- Petits amas plans d’atomes de Cu
Taille ≈ 5 nm
Zones GP ou Guinier-Preston
- Formation de précipités Al2Cu
Formes métastables q’ et q ’’
Forme d’équilibre q
NB: précipités GP et q’’ cohérents avec la matrice = obstacles difficiles à franchir pour les dislocations
Durcissement structural
Dureté passant par un maximum selon:
- la durée du vieillissement
- la taille des précipités
- la distance séparant les précipités
Durcissement structural Mécanisme d’Orowan
Étapes successives du franchissement de précipités par une dislocation (déplacement de gauche à droite)
Durcissement structural Mécanisme d’Orowan
Étapes successives du franchissement de précipités par une dislocation (déplacement de gauche à droite) Pour avancer et franchir ces obstacles, nécessité de courbure de la dislocation d’un rayon r d/2 Dislocation maintenue courbe si contrainte de cission t exercée
2sin..2..
qt TLb
Si q petit on a sin(q/2) ≈ q/2 Et on a aussi r.q = L
d
bG
r
bG .
.2
.t
Exemple: alliage Al-4,5%Cu, précipités q’’ d 20 nm, t 500 MPa Précipités GP d 10 nm, t 1000 MPa
Durcissement structural
Germination et croissance des précipités
vitesse contrôlée par diffusion solide cinétique de précipitation avec
- temps d’incubation - courbe sigmoïde de la proportion q de la nouvelle phase en fonction du temps - proportion q donnée par l’équation d’Avrami
).exp(1 ntkq
Avec k et n coefficients caractéristiques de la transformation considérée (précipitation ici)
Temps nécessaire pour réaliser la moitié de la précipitation t0,5
TR
QAt
.exp.5,0
Comparaison entre durcissements
Cas d’alliages d’aluminium - non trempants durcis par écrouissage - trempants durcis par précipitation
FIN
1ère partie Durcissement des métaux et alliages