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RÉSUMÉ
Les microstructures des alliages métalliques sont directement influencées par leur composition chimique et les traitements thermomécaniques subis : solution solide interstitielle et substitutionnelle, précipitations multiples, secondes phases, constituants métastables… Chacun de ces éléments contribue au durcissement de ces alliages. Cet article rappelle les principaux mécanismes de déformation plastique (dislocations, maclage, transformation de phase induite) et décrit leur impact sur la limite d’élasticité et l’écrouissage. Des relations quantitatives permettent de prévoir les caractéristiques mécaniques des alliages métalliques quelques exemples sont présentés pour les aciers en fonction des éléments d’alliage et des paramètres microstructuraux.
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Microstructures of metal alloys depend on their chemical composition and imposed thermomechanical treatments: interstitial and substitutional solid solution, multiple precipitation, second phases, metastable constituents, etc. Each of these features contributes to the hardening of alloys. This article briefly reviews the main mechanisms of plastic deformation (dislocations, twinning, transformation-induced plasticity), and then describes their influence on yield stress and strain hardening. Quantitative relations are written as a function of alloying elements and microstructure parameters. Some examples are given for steels.
Auteur(s)
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Barry THOMAS : Ancien Chef du département Métallurgie structurale - IRSID - Centre de recherche Usinor
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Jean-Hubert SCHMITT : Ingénieur civil des Mines - Docteur ès sciences - Directeur du centre de recherches d’Isbergues - Usinor - Recherche et développement
INTRODUCTION
Les utilisateurs d’alliages métalliques ont besoin de métal pouvant être mis en forme aisément et capable d’acquérir les caractéristiques mécaniques lui permettant de résister efficacement à la déformation plastique et à la rupture dans les conditions d’emploi. On sait que les principaux mécanismes de la déformation plastique ont pour origine le déplacement, sous contrainte, des dislocations qui sont des configurations particulières d’atomes que l’on trouve dans tous les corps cristallins. Pour durcir un métal, autrement dit augmenter sa limite d’élasticité, il faut donc trouver les moyens de gêner le déplacement des dislocations sans l’entraver totalement afin d’éviter une fragilité inacceptable. Pour ce faire, on introduit dans le réseau cristallin des obstacles de différentes sortes qui freinent le déplacement des dislocations ; ce sont par exemple :
-
d’autres dislocations qui interceptent le plan de glissement des dislocations mobiles (durcissement par écrouissage) ;
-
des atomes étrangers en insertion ou en substitution dans le réseau cristallin (durcissement par soluté) ;
-
des précipités de particules de deuxième phase dispersées dans les grains (durcissement structural) ;
-
des joints de grains et des interfaces entre les constituants majeurs de la microstructure.
L’action de ces obstacles, seuls ou en combinaison, conduit à un éventail de procédés de durcissement dont la maîtrise s’est développée au fur et à mesure que nos connaissances se sont affinées. Dans l’exposé qui suit, nous examinerons les principaux mécanismes de durcissement des aciers en nous limitant au cas où la température d’emploi est bien inférieure à la température de fusion. Dans un deuxième article dans le présent traité, nous montrons comment ces mécanismes sont utilisés pour le durcissement des différentes nuances d’aciers en fonction de leurs principaux constituants microstructuraux.
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MOTS-CLÉS
dislocations procédés de fabrication mise en forme déformation plastique limite d'élasticité écrouissage
KEYWORDS
dislocations | manufacturing process | forming | plastic deformation | yield stress | strain hardening
VERSIONS
- Version courante de déc. 2016 par Jean-Hubert SCHMITT, Thierry IUNG
DOI (Digital Object Identifier)
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Conclusion6. Effets du durcissement sur la ductilité et la ténacité des aciers
Une modification de la microstructure de l’acier qui permet d’augmenter sa résistance mécanique conduit à une modification d’autres caractéristiques, en particulier de la ductilité et de la ténacité. Dans la plupart des cas, pour une amélioration de la résistance, on observe une diminution de l’aptitude à la déformation plastique car, en général, ces deux propriétés sont liées et évoluent en sens inverse de la mobilité des dislocations. Toutefois, la déformation par transformation de phase constitue une exception à cette règle.
De même, une augmentation de la résistance mécanique est le plus souvent accompagnée par une diminution de la résistance à la rupture brutale. En effet, l’énergie à fournir pour propager une fissure est d’autant plus grande que la déformation plastique en tête de fissure est plus élevée. Une augmentation de la limite d’élasticité diminue donc l’aptitude à la déformation plastique locale et, par conséquent aussi, l’énergie locale de propagation de la fissure. Mais, dans le cas de rupture par clivage à basse température dans les aciers au carbone de structure ferritique, le durcissement par affinement de grain augmente la résistance à la rupture par clivage (cf. article []). Cet effet est dû au fait que le clivage s’effectue seulement sur les plans du type {100} de la ferrite. Le réamorçage de la fissure à chaque joint de grain consomme de l’énergie et plus la taille de grain est petite, plus le nombre de joints sur le chemin de propagation de la fissure est grand et plus l’énergie globale de propagation de la fissure est élevée.
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