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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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Lire l’articleAuteur(s)
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Jean-Hubert SCHMITT : Professeur des Universités - CentraleSupélec, Université Paris-Saclay, laboratoire MSSMat, UMR CNRS 8579, Châtenay-Malabry, France
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Thierry IUNG : Manager / Metallurgy Expert MPM team - ArcelorMittal Global R&D, Maizières-lès-Metz, France
INTRODUCTION
Les alliages métalliques sont largement utilisés dans la construction mécanique. Les structures métalliques doivent le plus souvent rester indéformables sous les sollicitations d’utilisation. Il est donc important d’accroître la limite d’élasticité, afin d’améliorer la performance de la structure ou de pouvoir réduire le poids des différents éléments pour une même performance.
Parallèlement, les transformateurs ont besoin de métal pouvant être mis en forme aisément. Cette transformation impose un contrôle de l’écrouissage, en plus de celui de la limite d’élasticité.
Il apparaît ainsi essentiel d’étudier en détail les mécanismes physiques de déformation qui permettent d’ajuster au mieux les caractéristiques mécaniques en vue de leur utilisation. On se limite, dans cet article, au cas où la température de déformation et d’emploi est bien inférieure à la température de fusion, c’est-à-dire que l’on ne tient pas compte des mécanismes de diffusion.
Les principaux mécanismes de la déformation plastique ont pour origine le déplacement, sous contrainte, de dislocations qui sont des défauts linéaires dans les cristaux. Le durcissement d’un alliage métallique, autrement dit l’augmentation de sa limite d’élasticité, résulte d’obstacles au déplacement des dislocations sans l’entraver totalement afin d’éviter une fragilité inacceptable. Ces principaux obstacles sont :
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d’autres dislocations qui interceptent le plan de glissement des dislocations mobiles (durcissement par écrouissage) ;
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des atomes étrangers en insertion ou en substitution dans le réseau cristallin (durcissement par soluté) ;
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des précipités de particules de deuxième phase dispersées dans les grains (durcissement structural) ;
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des joints de grains et des interfaces entre les constituants majeurs de la microstructure.
Ces mécanismes sont généraux pour l’ensemble des métaux. En fonction de leur composition, certains alliages peuvent présenter des mécanismes complémentaires de durcissement. C’est en particulier le cas des aciers multiphasés ou des aciers duplex constitués d’une phase déformable, généralement la ferrite, et d’un constituant plus dur comme la martensite. Enfin, la déformation plastique peut aussi se produire par maclage ou induire la transformation de phase métastable (par exemple l’austénite dans le cas des aciers).
L’action de ces obstacles, seuls ou en combinaison, conduit à un éventail de mécanismes de durcissement dont la maîtrise s’est développée au fur et à mesure que les connaissances se sont affinées. Dans la suite, nous décrivons ces principaux mécanismes de durcissement des alliages métalliques et étudions leur impact sur la limite d’élasticité et l’écrouissage.
Ces différents mécanismes sont largement utilisés pour le durcissement des aciers et le développement de nouvelles nuances combinant un durcissement élevé avec une ductilité importante. Les articles [M 4 341] et [M 4 342] en exposent plusieurs exemples pour les aciers ferritiques, austénitiques et biphasés.
Un glossaire et un tableau de symboles sont présentés en fin d'article.
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MOTS-CLÉS
dislocations procédés de fabrication mise en forme déformation plastique limite d'élasticité écrouissage
VERSIONS
- Version archivée 1 de mars 2002 par Barry THOMAS, Jean-Hubert SCHMITT
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Mécanismes de durcissement
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2. Limite d’élasticité des métaux purs
2.1 Contrainte critique de cisaillement
La continuité de la structure cristalline impose que toute dislocation se ferme sur elle-même (boucle de dislocation) ou se termine sur une autre dislocation, sur une surface libre ou sur une interface interne de la microstructure (joint de grain, joint de phase…). Dans un cristal métallique recuit non déformé, il existe une densité résiduelle de défauts cristallins. La densité de dislocations résiduelle ρ 0, exprimée en longueur totale des lignes de dislocations par unité de volume, est de l’ordre de 108 à 1010 m.m−3. Ces dislocations s’arrangent en une configuration tridimensionnelle, plus ou moins complexe, appelée réseau de Frank (figure 8). Les segments de dislocations sont ancrés plus ou moins fortement aux jonctions entre dislocations que l’on appelle les nœuds du réseau de Frank. En l’absence de contraintes externes, les segments de dislocation entre les nœuds sont rectilignes afin de minimiser l’énergie élastique propre de l’ensemble des dislocations. Les nœuds étant statistiquement distribués au hasard, la distance moyenne entre les nœuds Λ F peut s’écrire comme proportionnelle à
, la valeur de Λ F étant de l’ordre de 10 µm.
Ce type de configuration n’est possible que si les dimensions du cristal sont nettement supérieures à une dizaine de micromètres. Ainsi, les whiskers métalliques monocristallins (filaments longs d’un diamètre de l’ordre du micromètre) ne contiennent aucune dislocation avant déformation. Leur limite d’élasticité est alors proche de la limite théorique, de l’ordre de G/10.
Sous l’effet d’une sollicitation mécanique externe τ, les segments de dislocation du réseau de Frank se courbent dans leur plan de glissement, en équilibre entre la force de Peach-Koehler induite par le cisaillement et la tension de ligne Γ résultant de l’énergie propre à la dislocation ...
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Limite d’élasticité des métaux purs
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - HULL (D.), BACON (D.J.) - Introduction to Dislocations. - Fifth Edition. Butterworth-Heinemann. Elsevier (2011).
-
(2) - DAS (A.) - Revisiting Stacking Fault Energy in Steels. - Met. Mater.Trans. A 47A, p. 748 (2016).
-
(3) - HAASE (C.), CHOWDHURY (S.G.), BARRALES-MORA (L.A.), MOLODOV (D.A.), GOTTSTEIN (G.) - On the Relation of Microstructure and Texture Evolution in an Austenitic Fe-28Mn-0.28C TWIP Steel During Cold Rolling. - Met. Mater. Trans. A 44A, p. 911 (2013).
-
(4) - BUNGE (H.J.) - Texture analysis in materials science. - Butterworth, Londres (1982).
-
(5) - JIANG (Z.), LIAN (J.), BAUDELET (B.) - A dislocation density approximation for the flow stress – grain size relation of polycrystals. - Acta Metal. Mater. 43, p. 3349 (1995).
-
(6) - ARMSTRONG (R.), DOUTHWAITE...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Site du Bureau de Normalisation des Aciers (BN Aciers)
http://www.acier.org/menu-left/normalisation.html (pages consultées en janvier 2016)
HAUT DE PAGE1.1 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
Fédération Française de l’Acier (FFA)
Office technique pour l'utilisation de l'acier (Construire Acier)
Réseau National de Métallurgie (SF2M)
http://sf2m.fr/CommissionsThematiques/RN_Metallurgie.htm
HAUT DE PAGE
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