Écrouissage d’alliages d’aluminium

La déformation plastique d’un matériau cristallin modifie ses propriétés de par son influence sur sa structure interne ; ces évolutions de propriétés et de microstructure, appelées écrouissage, jouent un rôle très important pour les caractéristiques mécaniques du matériau. En effet, le durcissement par écrouissage est largement utilisé pour augmenter les caractéristiques mécaniques de nombreux alliages métalliques. De façon plus générale, c’est l’écrouissage qui confère aux alliages métalliques leurs propriétés essentielles de ténacité et de facilité (relative) de mise en forme. Dans le premier cas, l’écrouissage a lieu de façon très locale – en fond de fissure dans un matériau endommagé par exemple – et permet d’absorber l’énergie de sollicitation mécanique. Dans le deuxième cas, c’est l’ensemble du matériau subissant l’opération de mise en forme par grandes déformations plastiques qui est susceptible de s’écrouir.

L’écrouissage dépend du matériau, de la quantité de déformation appliquée et des conditions de déformation (température, vitesse et mode de déformation). En particulier, on distingue la déformation à froid (température de déformation inférieure à environ 1/3 de la température absolue de fusion) et la déformation à chaud (T_déf >T_f /3). Schématiquement, on peut dire que l’augmentation de la température facilite la déformation. Les relations entre déformation appliquée et contrainte s’appellent lois d’écrouissage, d’écoulement ou de comportement. Elles dépendent étroitement des mécanismes fondamentaux de la déformation plastique en relation avec les évolutions de microstructure à l’intérieur des grains. Les procédés de mise en forme sont très largement directionnels : les propriétés évoluent différemment suivant la direction de sollicitation (par exemple en filage : la direction de filage). Ceci a pour conséquence que la microstructure acquiert une orientation préférentielle, appelée texture, de plus en plus importante au fur et à mesure de la déformation.

L’écrouissage crée de nombreux défauts cristallins, sources d’une énergie interne stockée hors d’équilibre, et qui peuvent éventuellement être annihilés par des traitements thermiques à température élevée afin de restaurer les propriétés initiales. On désigne habituellement deux stades dans ce processus :

• la restauration proprement dite qui permet un adoucissement du matériau par le réarrangement et l’annihilation, en général partielle, des défauts cristallins ;

• la recristallisation au cours de laquelle les défauts sont éliminés par migration des joints de grains sur des distances relativement importantes. La recristallisation donne lieu à une évolution rapide et profonde de la structure granulaire et contrôle en grande partie la taille de grain du matériau. En général, elle dépend des mêmes paramètres que l’écrouissage qui la précède car elle est gouvernée par les mêmes microstructures de déformation.

Si la déformation a lieu à une température suffisamment élevée, les processus de restauration opèrent simultanément à la déformation et sont appelés restauration dynamique et recristallisation dynamique. Dans le cas des alliages d’aluminium, la restauration dynamique peut commencer à la température ambiante mais la recristallisation dynamique est peu fréquente, même à des températures proches de la température de fusion.

L’article qui suit traite essentiellement les phénomènes d’écrouissage à froid et à chaud d’alliages d’aluminium, mais les principes de base sont facilement applicables aux autres matériaux.