Présentation

Article

1 - GÉNÉRALITÉS SUR LA PRÉCIPITATION DURCISSANTE

2 - MÉTHODES EXPÉRIMENTALES POUR LA CARACTÉRISATION DES CINÉTIQUES DE PRÉCIPITATION

3 - MÉTHODES DE MODÉLISATION DE LA PRÉCIPITATION NANOMÉTRIQUE

  • 3.1 - Modélisation à champ moyen fondée sur les théories classiques de germination et croissance
  • 3.2 - Autres techniques de modélisation des cinétiques de précipitation

4 - CINÉTIQUE POUR DES PRÉCIPITÉS HOMOGÈNES SPHÉRIQUES ET STŒCHIOMÉTRIQUES DANS UN SYSTÈME DILUÉ

5 - INFLUENCE DES MÉCANISMES DE DIFFUSION SUR LA CINÉTIQUE DE PRÉCIPITATION

6 - PRISE EN COMPTE D’UNE FRACTION VOLUMIQUE FINIE

7 - EFFET DE LA NON-STŒCHIOMÉTRIE DES PRÉCIPITÉS

8 - CINÉTIQUE DE PRÉCIPITATION POUR DES PRÉCIPITÉS NON SPHÉRIQUES

9 - PRÉCIPITATION DE PHASES MULTIPLES ET TRAJECTOIRES DE MÉTASTABILITÉ

10 - PRÉCIPITATION HÉTÉROGÈNE SUR LES DÉFAUTS STRUCTURAUX

11 - PRÉCIPITATION ANISOTHERME

12 - CONCLUSION

13 - GLOSSAIRE

14 - SIGLES, NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : M75 v1

Généralités sur la précipitation durcissante
Cinétiques de précipitation dans les alliages métalliques

Auteur(s) : Alexis DESCHAMPS

Date de publication : 10 oct. 2024

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RÉSUMÉ

Cet article décrit les phénomènes physiques contrôlant la cinétique de précipitation dans les alliages métalliques, qui détermine une part importante de leurs propriétés, notamment mécaniques. Il comporte d’abord une brève description des techniques expérimentales et de modélisation adaptées à l’étude des cinétiques de précipitation. Ensuite la description des cinétiques est abordée, en commençant par les situations les plus simples et en introduisant progressivement des niveaux de complexité croissants.

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Auteur(s)

  • Alexis DESCHAMPS : Professeur - Laboratoire SIMAP, Grenoble INP UGA – Phelma, Saint-Martin d’Hères, France

INTRODUCTION

Pour les applications structurales requérant à la fois tenue mécanique et capacité de déformation plastique, ou de résistance à la rupture, les alliages métalliques se révèlent incontournables. La nature de leurs liaisons favorise leur déformation plastique, et donc leur ductilité, leur résistance à la rupture fragile, leur capacité d’absorption d’énergie, leur ténacité, etc. Cependant, conserver ces propriétés tout en assurant une haute limite d’élasticité requiert de « parsemer » la structure cristallographique simple des métaux purs par des défauts. Ceux-ci peuvent être simplement cristallographiques, comme des dislocations, mais il est très efficace de disperser à une échelle très fine (de l’ordre de grandeur du nanomètre) une ou plusieurs phases cristallographiques, que l’on nomme précipités, formées à partir des éléments d’alliage au cours de traitements thermiques. Ces phases forment des obstacles au mouvement des dislocations, et permettent de contrôler la limite d’élasticité de l’alliage. Leur présence affecte aussi toutes les autres propriétés de ce dernier : déformation plastique bien entendu (écrouissage, ductilité, ténacité, tenue en fatigue, capacité à la mise en forme), ainsi que tenue à la corrosion, conductivité, comportement sous irradiation, etc.

De nombreux points sont à considérer pour obtenir la formation de ces phases sous la forme désirée. À l’échelle nanométrique, la formation d’une phase au sein d’une autre nécessite la création d’une grande quantité d’énergie de surface, ce qui rend sa germination souvent très difficile. La matière trouve des chemins hors équilibre pour abaisser la barrière de germination, aboutissant à de nombreux états dits métastables. Précipiter une phase secondaire nécessite la plupart du temps la diffusion des éléments d’addition, ce qui en contrôle la cinétique. Dans des alliages comportant plusieurs éléments d’addition, ceux-ci peuvent diffuser à des vitesses très différentes, et les chemins de précipitation peuvent passer par des états transitoires. Lorsque des défauts structuraux, tels que des joints de grains ou des dislocations, sont présents, ceux-ci modifient fortement les caractéristiques des précipités formés.

Cet article décrit les différentes étapes contrôlant la cinétique de précipitation des phases secondaires dans les métaux. Après une brève description des techniques de caractérisation et de modélisation permettant de caractériser ce phénomène, il liste les différents types de cinétique de précipitation, en commençant par les plus simples, et en introduisant progressivement des niveaux de complexité croissants pour expliciter les effets évoqués au paragraphe précédent.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-m75


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1. Généralités sur la précipitation durcissante

1.1 Intérêt de la précipitation pour les métaux

Les métaux purs de structure cristallographique simple (cubique à faces centrées, cubique centrée, hexagonale compacte) ont des propriétés mécaniques intrinsèquement faibles, en raison de la facilité qu’ont les dislocations à s’y propager. L’amélioration des propriétés de ces métaux se fait par l’ajout d’éléments d’alliages, et par la mise en œuvre de traitements thermomécaniques. Ceux-ci permettent de contrôler la nature et la distribution spatiale de la microstructure, et ainsi de maîtriser les obstacles à la déformation plastique, de manière à augmenter la limite d’élasticité sans trop sacrifier les autres propriétés d’emploi (ductilité, ténacité, etc.). [M 4 340] présente un résumé de l’effet des différents éléments de la microstructure sur la déformation plastique des métaux.

Parmi les moyens d’action sur les propriétés des alliages que possède le métallurgiste, la précipitation durcissante est l’un des plus efficaces. La précipitation est un type de transformation de phase pendant laquelle une phase cristalline β de composition X p se forme au sein d’une phase mère α initialement de composition X o , entraînant, par conséquent, une modification de la composition de celle-ci :

 α( ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - MILKEREIT (B.), STARINK (M.J.), ROMETSCH (P.A.), SCHICK (C.), KESSLER (O.) -   Review of the Quench Sensitivity of Aluminium Alloys: Analysis of the Kinetics and Nature of Quench-Induced Precipitation.  -  In Materials, Mdpi, vol. 12, p. 4083 (2019) – 10.3390/ma12244083

  • (2) - DE GEUSER (F.), DESCHAMPS (A.) -   Precipitate characterisation in metallic systems by small-angle X-ray or neutron scattering.  -  In Comptes Rendus Physique, vol. 13, p. 246‑256 (2012) – 10.1016/j.crhy.2011.12.008

  • (3) - MARLAUD (T.), DESCHAMPS (A.), BLEY (F.), LEFEBVRE (W.), BAROUX (B.) -   Influence of alloy composition and heat treatment on precipitate composition in Al-Zn-Mg-Cu alloys.  -  In Acta Materialia, vol. 58, p. 248‑260 (2010).

  • (4) - PEREZ (M.), DUMONT (M.), ACEVEDO-REYES (D.) -   Implementation of classical nucleation anf growth theories for precipitation.  -  In Acta Materialia, vol. 56, p. 2119‑2132 (2008).

  • (5) - DESCHAMPS (A.), BRECHET (Y.) -   Influence of predeformation and ageing of an Al-Zn-Mg alloy – II. Modeling of precipitation kinetics and yield stress.  -  In...

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