Durcissement des aciers

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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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ABSTRACT

Strengthening of metallic alloys Microstructure influence on plastic deformation

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)

Barry THOMAS : Ancien Chef du département Métallurgie structurale - IRSID - Centre de recherche Usinor
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

KEYWORDS

VERSIONS

Il existe des versions antérieures de cet article :

Version courante de déc. 2016 par Jean-Hubert SCHMITT, Thierry IUNG

PERMALIEN

https://www.techniques-ingenieur.fr/base-documentaire/archives-th12/archives-etudes-et-proprietes-des-metaux-tiamb/archive-1/durcissement-des-aciers-m4340/

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Sommaire
Sommaire détaillé

INTRODUCTION

1 - OBJECTIF

2 - LIMITE D’ÉLASTICITÉ ET DÉPLACEMENT DE DISLOCATIONS

3 - PROPRIÉTÉS DES DISLOCATIONS ET DÉFORMATION PLASTIQUE

3.1 - Configuration atomique d’une dislocation
3.2 - Énergie élastique associée à une dislocation et tension de ligne
3.3 - Plans de glissement des dislocations

4 - LIMITE D’ÉLASTICITÉ DES MÉTAUX PURS ET NON DÉFORMÉS

4.1 - Configuration des dislocations dans un cristal non déformé
4.2 - Contrainte critique de cisaillement
4.3 - Anisotropie de la limite d’élasticité d’un monocristal en traction uniaxiale
4.4 - Limite d’élasticité des métaux purs polycristallins

5 - MÉCANISMES DE DURCISSEMENT DES ALLIAGES MÉTALLIQUES

5.1 - Durcissement par effet de taille de grain
5.2 - Durcissement par écrouissage
5.3 - Durcissement par atomes en solution solide
5.4 - Durcissement par une dispersion intragranulaire de particules de deuxième phase

$Effet schématique de la taille des particules sur le mécanisme de durcissement et sur la grandeur du durcissement pour des valeurs croissantes de la fraction volumique de particules$
5.5 - Limite d’élasticité et durcissement des alliages polyphasés