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MEC-200 9/10-1 Amélioration des propriétés mécaniques des métaux Chapitre 6 MEC

MEC-200 9/10-1 Amélioration des propriétés mécaniques des métaux Chapitre 6 MEC-200 9/10-2 Avant d’augmenter les cotes d’une pièce, pensons à améliorer les propriétés du matériau! MEC-200 9/10-3 Quelles sont les propriétés des matériaux qui peuvent être modifiées? • E ? • α ?" • ρ ?" • Re ? • Rm ? • A % ? MEC-200 9/10-4 .P LRT LP .Eε LE Contrainte (σ) εu 0,2% εT Déformation (ε) • Tension au point Eε : Limite d´élasticité (Re0,2). • Tension au point M : Résistance à traction (Rm). Contrainte () vs Déformation () matériau metallique ductile σ = F / Ao ε = (l - lo) / lo = Δl / lo Ao : section transversale F : force appliquée l : longueur échantillon déformé lo : longueur initiale • O- P déformation élastique réversible • P à F déformation plastique permanente • De P à M homogène • de M à F striction • F : Rupture Rappels : déformation plastique Source: Science et Génie des Matériaux W.D. Callister MEC-200 9/10-5 Rappels : déformation plastique La déformation plastique se fait par déplacement des dislocations. Dislocation coin Sous l´action de la cission, la dislocation bouge progressivement dans le crystal. Si le déplacement des dislocations est difficulté, le matériau deviendra plus dur. Source: Science et Génie des Matériaux W.D. Callister MEC-200 9/10-6 Mécanismes de durcissement La déformation plastique = déplacement d’un grand nombre de dislocations Déplacement des dislocations ! propriétés mécaniques des matériaux Réduction de la capacité de déplacer les dislocations Résistance mécanique accrue (plus grande force pour amorcer une déformation plastique) Procédés de durcissement (augmentation des propriétés mécaniques : dureté, résistance…) Résumé : Restriction ou entrave au mouvement des dislocations Principe MEC-200 9/10-7 Contenu • Métaux, alliages et acier : durcissement par : 1) Solution solide, 2) Affinement du grain, 3) Écrouissage, 4) Durcissement structural, 5) Traitement thermique des aciers. MEC-200 9/10-8 1) Durcissement par solution solide Un alliage monophasé a des propriétés supérieures à celle du solvant pur. MEC-200 9/10-9 Solution solide ? Définition La notion de solution solide est une notion thermodynamique. C'est un mélange de corps purs formant un solide homogène. Conséquences Propriétés mécaniques améliorées. Exemples : - Alliage Cu-Ni (60 % de Ni) => Rm 2x plus important que Cu - 3 % de Mg dans l’aluminium => Rm multipliée par 3 (faible quantité) - Nickel, soluble dans la ferrite, accroît la limite d’ élasticité, la résistance à la traction, sans que leur allongement à la rupture et leur ténacité ne soient diminués. 1 % de Nickel augmente résistance de 30 MPa. Source: Des Matériaux, JP Bailon, JM Dorlot MEC-200 9/10-10 Rôle des défauts MEC-200 9/10-11 Durcissement par solution solide Lacune Défaut auto-interstitiel Atome en solution solide de substitution Atome en solution solide dinsertion MEC-200 9/10-12 Solution solide ? Définition Les atomes en solution solide peuvent prendre plusieurs espaces : - Solution solide d’insertion Atome d’insertion occupe un des sites libres définis par le réseau cristallins (sites octaédrique, tétraédrique, voir chapitre 3). Il faut alors que l’atome d’insertion ait un diamètre suffisamment petit pour s’insérer dans ces sites. - Solution solide de substitution Atome de substitution occupe un des nœuds du réseau à la place de l’élément de base. C’est le cas quand l’atome de substitution est trop gros pour entrer dans les sites interstitiels. MEC-200 9/10-13 Déformations élastiques du réseau cristallin par un atome plus petit (tension) Déformations élastiques du réseau cristallin par un atome plus gros (compression) Endroit préférentiel des atomes étrangers (solutés) (« annulation » des énergies de déformation dislocation-soluté) 1) Augmentation de la résistance, car la dislocation est en quelque sorte brisée par l’annulation de la déformation locale. 2) Les champs de contrainte créés par les solutés gênent le mouvement des dislocations. Mécanisme de durcissement Source: Science et Génie des Matériaux W.D. Callister MEC-200 9/10-14 Mécanisme de durcissement Source: Essentials of Materials Science and Engineering, D.R. Askeland, P.P. Fulay Effet de différents Éléments d’alliage dans Le cuivre Limite d’élasticité MEC-200 9/10-15 Mécanisme de durcissement Source: Essentials of Materials Science and Engineering, D.R. Askeland, P.P. Fulay Effet de l’ addition de Zn Dans du cuivre sur ses propriétés MEC-200 9/10-16 Mécanisme de durcissement Formation d’une solution solide (atomes en sites interstitiels) Distorsion élastique du réseau (atomes en insertion + gros que le site) Pour diminuer l’énergie de distorsion élastique => atomes d’insertion le long d’une dislocation (formation d’un nuage de Cottrell) La dislocation est plus difficile à mettre en mouvement => contrainte plus élevée pour les mettre en mouvement Source: Des Matériaux, JP Bailon, JM Dorlot MEC-200 9/10-17 Attention : déformations non uniformes peuvent créer des « peaux dorange » lors de lemboutissage de certains métaux. Conséquences sur la courbe de traction es R 0 2 e . el R R = Les dislocations sont libérées du nuages d’atome d’insertion (nuage de Cottrell) => formation d’une bande de Piobert-Lüders. Contrainte plus élevée pour mettre les dislocations en mouvement (Res > Rel). Propagation des bandes de Piobert- Lüders qui envahissent d’éprouvette à contrainte constante Rel (A => B). Quand les bandes ont envahi la section utile => déformation homogène se poursuit (après B). Source: Des Matériaux, JP Bailon, JM Dorlot MEC-200 9/10-18 Rôle des défauts MEC-200 9/10-19 2) Durcissement par diminution de la taille des grains Re et Rm A % Ténacité améliorée car TTDF plus basse MEC-200 9/10-20 Influence de la taille des grains Joints de grain = obstacle au mouvement des dislocations => accumulation aux joints de grain (cas le plus fréquemment rencontré) Plus les grains sont fins et plus la surface des joints de grain par unité de volume est importante, et donc les dislocations seront bloquées Source: Des Matériaux, JP Bailon, JM Dorlot MEC-200 9/10-21 • Les joints de grains sont des obstacles au déplacement des dislocations. Interaction du mouvement d´une dislocation avec un joint de grain. Influence de la taille des grains Source: Science et Génie des Matériaux W.D. Callister MEC-200 9/10-22 • La taille du grain est controlée par – La vitesse de solidification, – Le traitement thermomécanique. • Donc par traitement thermomécanique, il est possible de controler les propriétés mécaniques. Relation de Hall-Petch Re0,2=σo+kd-1/2 où Re0,2 est la limite d´élasticité d : diamètre moyen du grain o et k sont des constantes • Petits grains : beaucoup de joints de grains, plus difficile le mouvement des dislocations, plus la limite d´élasticité élevée. Influence de la taille du grain sur limite d ´élasticité pour le laiton 70 % Cu – 30 % Zn 1E #3 0,01 0,1 0 300 600 L imite-d´élas ticité-(MP a) T aille-des -grains -mm Influence de la taille des grains MEC-200 9/10-23 Relation de Hall-Petch k : coefficient de Petch fonction du matériau d : taille des grains σ0 : cste dont les dimension = contrainte Le diamètre des grains affecte les valeurs de Re et Rm => relation de Hall Petch 12 0 2 0 e . R kd σ − = + et e m R R A → Z Source: Des Matériaux, JP Bailon, JM Dorlot MEC-200 9/10-24 Influence sur la limite d’élasticité Source: Des Matériaux, JP Bailon, JM Dorlot MEC-200 9/10-25 Température de transition ductile-fragile k : coefficient de Petch (fonction du matériau) d : taille des grains B : cste ! température Amélioration de la ténacité => ductilité à plus basse température Il est donc très intéressant de connaître l’évolution de la microstructure et notamment de la taille des grains d’un matériau. Si d baisse Source: Des Matériaux, JP Bailon, JM Dorlot MEC-200 9/10-26 Des Matériaux (3ème édition) Énoncé des exercices Chapitre 6 + Modifications des propriétés mécaniques EXERCICE 6-9 Pour cet exercice, vous devez utiliser la figure 10.1 du livre Des Matériaux ou imprimer lFénoncé. a) Déterminez les paramètres σ σ σ σ0 et k de la relation de Hall-Petch dFun acier à bas carbone (Fe + 0,1% C). b) Si on ajoute 0,8 % de manganèse (Mn) à cet acier et quFil ait alors une taille de grain égale à 12 µm, quelle sera la valeur (en MPa) de sa limite dFélasticité Re0,2 ? Conseil : on supposera que lFinfluence dFune addition de manganèse sur la limite dFélasticité est directement proportionnelle au pourcentage de manganèse ajouté à lFacier. Données : MEC-200 9/10-27 Des Matériaux (3ème édition) Corrigé des exercices © Jean-Paul Baïlon 7 Presses Internationales de Polytechnique de 1 1 Chapitre 6 + Modifications des propriétés mécaniques EXERCICE 6-9 a) Paramètres de la relation de Hall-Petch Le paramètre σ σ σ σ0 représente lBordonnée à lBorigine de la droite de Hall-Petch tracée sur une figure donnant la variation de la limite dBélasticité Re0,2 en fonction de la variable d-½, où d est la taille moyenne des grains de lBalliage. Le paramètre k est la pente de cette droite. Grâce à la figure donnée, on obtient les valeurs suivantes : b) Limite dEélasticité dEun acier à 0.1% C et 0,8% Mn Grâce à la figure donnée, on constate que, pour une taille de grain de 12 µm, il y a un gain de 120 MPa sur la uploads/s3/ cours-9-1-amelioration-proprietes-mecaniques.pdf