01. Renforcement de la solution solide
Définition
Le renforcement en solution solide est le phénomène par lequel les éléments d'alliage se dissolvent dans le métal de base, provoquant une distorsion du réseau et augmentant la résistance de l'alliage.
Principe
Les atomes de soluté qui se dissolvent dans la solution solide créent une distorsion du réseau, ce qui augmente la résistance au mouvement de dislocation, rendant ainsi le glissement plus difficile. En conséquence, la résistance et la dureté de la solution solide de l'alliage augmentent. Ce mécanisme de renforcement repose sur la dissolution des atomes de soluté pour former une solution solide. Avec une concentration de soluté appropriée, la résistance et la dureté du matériau s'améliorent, bien que sa ténacité et sa ductilité puissent diminuer.
Facteurs d'influence
Plus la fraction atomique des atomes de soluté est élevée, plus l’effet fortifiant est fort, en particulier à faibles concentrations.
Plus la différence de taille entre les atomes du soluté et ceux du métal de base est grande, plus le renforcement est important.
Les atomes de soluté interstitiels ont un effet de renforcement plus fort que les atomes de substitution. Dans les cristaux cubiques centrés sur le corps-, les atomes interstitiels provoquent une distorsion asymétrique du réseau, ce qui entraîne un renforcement plus important que dans les cristaux cubiques centrés sur la face-. Cependant, la solubilité des atomes interstitiels est limitée.
Plus la différence entre les nombres d’électrons de valence entre les atomes de soluté et de base est grande, plus l’effet de renforcement est fort. La limite d'élasticité augmente avec la concentration électronique.
Le degré de renforcement dépend de:
Différence de taille entre les atomes de soluté et de base : une plus grande inadéquation de taille augmente la résistance à la dislocation.
Quantité d'éléments d'alliage : plus d'alliage=effet plus fort, mais des quantités excessives peuvent dépasser la limite de solubilité et nécessiter d'autres méthodes de renforcement comme le renforcement de la deuxième phase.
Les atomes interstitiels se renforcent davantage que les atomes substitutionnels.
La différence électronique de Valence entre le soluté et le métal de la matrice améliore le renforcement.
Effets
La limite d'élasticité, la résistance à la traction et la dureté dépassent celles des métaux purs.
Ductilité généralement inférieure à celle des métaux purs.
Conductivité électrique inférieure à celle des métaux purs.
Résistance au fluage améliorée et résistance aux températures élevées.
02. Écrous (écrouissage)
Définition
À mesure que la déformation à froid augmente, la résistance et la dureté d'un métal augmentent, tandis que la plasticité et la ténacité diminuent.
Aperçu
Lorsque les métaux sont déformés plastiquement en dessous de leur température de recristallisation, ils deviennent plus solides et plus durs mais moins ductiles et résistants. Également connu sous le nom de durcissement par travail à froid. Lors de la déformation plastique, les dislocations s'enchevêtrent, les grains s'allongent, se brisent et deviennent fibreux. Un stress résiduel est introduit. Le degré de durcissement est généralement mesuré par le rapport entre la microdureté de la surface avant et après déformation et la profondeur de la couche durcie.
Explication de la théorie des luxations
Les luxations se croisent et forment des marches-comme des obstacles au mouvement.
Les luxations réagissent pour former des luxations immobiles qui gênent le mouvement.
La multiplication des luxations augmente la densité, entravant encore davantage le mouvement.
Inconvénients
L'écrouissage complique le traitement ultérieur. Par exemple, l'acier laminé à froid- devient de plus en plus dur et impraticable, nécessitant un recuit intermédiaire pour se ramollir. Lors de l'usinage, le durcissement superficiel augmente la force de coupe et l'usure des outils.
Avantages
Améliore la résistance, la dureté et la résistance à l'usure du métal, en particulier pour les métaux purs et les alliages qui ne peuvent pas être renforcés par traitement thermique (par exemple, fils à haute résistance étirés à froid-, ressorts laminés à froid-, chenilles de réservoirs, mâchoires de concasseur, aiguillages de chemin de fer).
Applications en génie mécanique
L'étirage à froid, le laminage et le grenaillage augmentent considérablement la résistance de surface des matériaux et des composants.
La déformation plastique localisée sous contrainte peut être limitée grâce à l'écrouissage, améliorant ainsi la sécurité des composants.
Lors de l'emboutissage, les zones durcies dirigent la déformation vers des régions plus douces, permettant une déformation uniforme entre les sections.
Améliore l'usinabilité des aciers à faible-carbone en facilitant la séparation des copeaux. Cependant, cela augmente la consommation d'énergie lors du traitement ultérieur et l'usure des outils lors de l'usinage.
03. Renforcement du raffinement des grains
Définition
Le renforcement du raffinement des grains améliore les propriétés mécaniques en réduisant la taille des grains.
Principe
Les métaux sont polycristallins. Des grains plus petits (c'est-à-dire plus de grains par unité de volume) se traduisent par une résistance, une dureté, une plasticité et une ténacité plus élevées. Les grains plus fins répartissent la déformation plus uniformément, réduisent la concentration des contraintes et empêchent la propagation des fissures. Ainsi, le raffinage des grains améliore la résistance.
Effets
Des grains plus fins réduisent les contraintes d'accumulation des luxations-, augmentant ainsi la résistance.
Selon la relation Hall-Petch, une taille de grain plus petite ddd conduit à une limite d'élasticité plus élevée.
Méthodes pour affiner les grains
Augmentez le sous-refroidissement.
Traitement de vaccination.
Vibration et agitation pendant la solidification.
Dans les métaux déformés à froid : contrôlez le degré de déformation et la température de recuit.
04. Renforcement de la deuxième phase
Définition
Dans les alliages multiphasés, outre la phase matricielle, il existe une deuxième phase. Lorsque des particules de seconde phase-finement dispersées sont uniformément réparties dans la matrice, elles renforcent considérablement l'alliage. C'est ce qu'on appelle le renforcement de la deuxième-phase.
Espèces
Du point de vue du mouvement des dislocations, les particules de deuxième-phase sont classées en :
Particules non-déformables : renforcement via un mécanisme de contournement (mécanisme Orowan).
Particules déformables : renforcement via mécanisme de coupe.
Le renforcement des dispersoïdes et le durcissement par précipitation sont des formes spécifiques de renforcement de la deuxième phase-.
Effets
Les particules de seconde-phase interagissent avec les dislocations, entravant leur mouvement et augmentant la résistance de l'alliage à la déformation.
Autres facteurs affectant la force
La composition, la microstructure et l'état de surface de l'alliage.
Condition de chargement : taux, mode (traction ou cyclique).
Géométrie de l'échantillon et environnement de test (par exemple, la fragilisation par l'hydrogène peut réduire considérablement la résistance).
Résumé des approches de renforcement
Deux voies principales pour renforcer les métaux :
Augmentez la force de liaison atomique et créez des cristaux-sans défauts (par exemple, des moustaches).
Introduire des défauts (dislocations, atomes de soluté, joints de grains, etc.) pour entraver le mouvement des dislocations - s'est avérée être la méthode la plus efficace.
Les matériaux d'ingénierie reposent généralement sur une combinaison de mécanismes de renforcement pour obtenir des performances optimales.
