Durcissement des Métaux: Écrouissage et Précipitation

Principe :

L'écrouissage, ou durcissement par déformation, est le phénomène par lequel un métal devient plus dur et plus résistant après avoir subi une déformation plastique à une température inférieure à sa température de recristallisation (généralement à froid).

Explication du mécanisme :

• La déformation plastique se produit par le mouvement de défauts linéaires appelés dislocations.
• Lors de la déformation, de nouvelles dislocations sont créées et les dislocations existantes se déplacent.
• Leur densité (\(\rho_d\), la longueur totale de dislocations par unité de volume) augmente considérablement.
• Les dislocations interagissent entre elles : elles se repoussent, s'enchevêtrent, se bloquent mutuellement ou s'accumulent aux joints de grains.
• Cet enchevêtrement et ces interactions créent des obstacles au mouvement ultérieur des dislocations. Il faut donc appliquer une contrainte de plus en plus grande pour continuer à déformer le matériau.
• Macroscopiquement, cela se traduit par une augmentation de la limite d'élasticité et de la dureté du métal, mais aussi par une diminution de sa ductilité (capacité à s'allonger avant de rompre).

Principe :

La loi de Taylor relie l'augmentation de la contrainte nécessaire pour déformer un matériau à la racine carrée de sa densité de dislocations.

Formule et calcul :

Données (avec conversion en unités SI de base : m, N, Pa) :

• \(\sigma_0 = 20 \text{ MPa} = 20 \times 10^6 \text{ Pa}\)
• \(\alpha = 0.5\)
• \(M = 3\)
• \(G = 26 \text{ GPa} = 26 \times 10^9 \text{ Pa}\)
• \(b = 0.286 \text{ nm} = 0.286 \times 10^{-9} \text{ m}\)
• \(\rho_{d, \text{final}} = 10^{14} \text{ m}^{-2}\)

1. Calcul de la racine carrée de la densité de dislocations :

2. Calcul de l'augmentation de contrainte :

3. Calcul de la limite d'élasticité finale :

Principe :

Le durcissement par précipitation est un traitement thermique en trois étapes qui permet de créer de fines particules (précipités) d'une seconde phase au sein de la matrice métallique, qui agiront comme des obstacles très efficaces au mouvement des dislocations.

Description des étapes :

• 1. Mise en solution (ou hypertrempe) : L'alliage est chauffé à une température élevée, dans le domaine monophasé (\(\alpha\)), pendant une durée suffisante pour dissoudre complètement les éléments d'alliage (le cuivre dans l'aluminium) et obtenir une solution solide homogène.
• 2. Trempe : L'alliage est ensuite refroidi très rapidement (généralement dans l'eau) jusqu'à température ambiante. Le refroidissement est si rapide que les atomes de cuivre n'ont pas le temps de diffuser pour former les précipités de la phase d'équilibre. On "piège" ainsi le cuivre en sursaturation dans la matrice d'aluminium. L'alliage est à ce stade dans un état métastable et relativement mou.
• 3. Vieillissement (ou revenu) : L'alliage trempé est ensuite chauffé à une température modérée (ex: 150-200°C pour les alliages d'Al) et maintenu pendant un certain temps. Cette étape fournit l'énergie thermique nécessaire pour permettre aux atomes de cuivre de diffuser sur de courtes distances et de former de très nombreux et très fins précipités d'une phase de transition (ex: \(\theta''\), \(\theta'\) dans le cas Al-Cu), répartis de manière homogène dans la matrice. Ce sont ces précipités qui provoquent le durcissement.

Principe :

Les précipités formés lors du vieillissement agissent comme des obstacles ponctuels ou planaires qui s'opposent au passage des dislocations.

Mécanisme de blocage :

Les dislocations, pour se déplacer, doivent soit cisailler les précipités (si ces derniers sont cohérents avec la matrice et petits), soit les contourner par un mécanisme appelé "contournement d'Orowan" (si les précipités sont plus gros et incohérents). Dans les deux cas :

• Cisaillement : Le passage de la dislocation à travers le précipité requiert une contrainte supplémentaire car la structure cristalline et/ou la composition chimique du précipité sont différentes de celles de la matrice.
• Contournement d'Orowan : La dislocation doit se "courber" pour passer entre deux précipités, laissant une boucle de dislocation autour de chaque précipité. Ce processus requiert une contrainte élevée pour forcer la courbure.

Dans tous les cas, la présence d'un grand nombre de précipités fins et bien répartis force les dislocations à suivre des chemins plus longs et plus difficiles. Une contrainte beaucoup plus élevée est donc nécessaire pour provoquer une déformation plastique, ce qui se traduit par une augmentation très significative de la limite d'élasticité et de la dureté de l'alliage.

Principe :

Les deux mécanismes de durcissement améliorent la résistance mais au détriment de la ductilité. Le durcissement par précipitation est généralement plus efficace pour atteindre de très hautes résistances.

Comparaison :

• Résistance (Limite d'élasticité) :
  • Échantillon 1 (écroui) : \(\sigma_y \approx 131.5 \text{ MPa}\).
  • Échantillon 2 (précipitation) : \(\sigma_y = 400 \text{ MPa}\).
  • Conclusion : L'échantillon 2 est nettement plus résistant. Le durcissement par précipitation est un mécanisme beaucoup plus puissant que l'écrouissage pour cet alliage.
• Ductilité (Allongement à la rupture) :
  • La ductilité est inversement liée à la résistance. Plus il est difficile pour les dislocations de se déplacer (matériau plus résistant), plus le matériau aura tendance à rompre avec une faible déformation plastique.
  • Conclusion : L'échantillon 1, étant le moins résistant, sera probablement le plus ductile des deux. L'échantillon 2, très durci, aura une ductilité considérablement réduite. C'est le compromis classique résistance-ductilité.

Principe :

La recristallisation est un traitement thermique appliqué à un métal préalablement écroui pour restaurer ses propriétés initiales, notamment sa ductilité.

Description du traitement et effets :

• Traitement : Il faut appliquer un traitement de recuit à l'échantillon 1. Cela consiste à le chauffer à une température suffisamment élevée (au-dessus de la température de recristallisation, typiquement 0.3 à 0.5 fois la température de fusion en Kelvin) et à le maintenir pendant un certain temps.
• Effets sur la microstructure : L'énergie thermique fournie permet la formation et la croissance de nouveaux grains, exempts de dislocations, au sein de la structure écrouie et déformée. Les anciens grains, très denses en dislocations, sont progressivement "consommés". À la fin du processus, le matériau présente une nouvelle microstructure avec des grains équiaxes et une très faible densité de dislocations, similaire à l'état recuit initial.
• Effets sur les propriétés mécaniques : En éliminant la majorité des dislocations créées par l'écrouissage, on supprime les obstacles à leur mouvement. Par conséquent, la limite d'élasticité et la dureté chutent drastiquement, revenant à des valeurs proches de celles de l'état recuit initial (\(\sigma_y \approx \sigma_0 = 20 \text{ MPa}\)). En contrepartie, la ductilité est entièrement restaurée.