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Article

1 - OBJECTIF

2 - LIMITE D’ÉLASTICITÉ ET DÉPLACEMENT DE DISLOCATIONS

3 - PROPRIÉTÉS DES DISLOCATIONS ET DÉFORMATION PLASTIQUE

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

5 - MÉCANISMES DE DURCISSEMENT DES ALLIAGES MÉTALLIQUES

6 - EFFETS DU DURCISSEMENT SUR LA DUCTILITÉ ET LA TÉNACITÉ DES ACIERS

7 - CONCLUSION

| Réf : M4340 v1

Mécanismes de durcissement des alliages métalliques
Durcissement des aciers - Mécanismes

Auteur(s) : Barry THOMAS, Jean-Hubert SCHMITT

Date de publication : 10 mars 2002

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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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KEYWORDS

dislocations   |   manufacturing process   |   forming   |   plastic deformation   |   yield stress   |   strain hardening

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-m4340


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5. Mécanismes de durcissement des alliages métalliques

5.1 Durcissement par effet de taille de grain

On constate expérimentalement que la valeur de la limite d’élasticité macroscopique augmente de façon systématique lorsque la taille de grain diminue, du moins si la taille de grain est supérieure à une vingtaine de nanomètres [1]. Cette variation de la limite d’élasticité en fonction du diamètre moyen des grains obéit le plus souvent à la relation proposée par Hall et Petch :

σe  = σ0 + Kd – 1 / 2
( 8 )

avec :

d
 : 
diamètre moyen des grains
σ0 et K
 : 
constantes qui varient d’un métal à un autre.

La figure 14 montre les résultats des mesures effectuées sur les aciers doux de structure ferritique ayant une teneur en carbone inférieure à 0,1 % en masse. Dans ce cas, la valeur de K est de l’ordre de 20 MPa · mm1 / 2 et la valeur de σe est proche de 100 MPa lorsque la taille de grain est très grande (de l’ordre de 500 µm).

En agissant sur la taille de grain à l’aide d’un traitement thermomécanique convenable, on est à même de faire varier la limite d’élasticité d’un métal de façon considérable.

Exemple

dans le cas des aciers extra-doux, quand la taille de grain est réduite à 10 µm, la limite d’élasticité est de l’ordre de 300 MPa, soit une augmentation d’un facteur proche de 3 par rapport à une taille de grain de 500 µm.

Dans les métaux à gros grains, on peut interpréter l’effet de la taille de grain sur la limite macroscopique par le mécanisme de propagation de la déformation plastique de grain en grain décrit ci-dessus. En réarrangeant les termes de l’équation [7] et en considérant...

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