Structure et Comportements des Matériaux

Laurent GAUTRON

Laboratoire Géomatériaux et Environnement (LGE, EA 4508) Université Paris Est Marne la Vallée

Laurent.Gautron@u-pem.fr

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