Durcissement des alliages métalliques - Impact de la microstructure sur la déformation plastique

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 :

• 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.

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.