Modification des propriétés des matériaux

1. Modification des propriétés des matériaux Des Matériaux Section 6.1 Sauf p.240-246 et 258 Plan 4.2 Modifications des propriétés des matériaux 4.2.1 Modifications recherchées : bonification

2. Propriétés des matériaux • Propriétés intrinsèques • - difficilement modifiable • - dépendent du type de liaison et de l’architecture atomique (quasiment insensibles aux défauts) • - varient de façon continue en fonction de la composition du mélange • ex.: module d’Young (E), température de fusion, coefficient de dilatation linéique (); dépendent des forces de liaison interatomiques

3. Propriétés des matériaux • Propriétés extrinsèques • - dépendent des défauts inclus dans le matériau et de la microstructure • - varient considérablement en fonction de la composition et des traitements qu’on lui applique (thermiques ou mécaniques) • ex.: conductivité, limite d’élasticité, résistance à la traction, allongement à la rupture, ténacité, dureté, etc

4. Mécanismes de modification des propriétés mécaniques • - Variation de la composition • - Modification de la microstructure • - Traitements mécaniques (écrouissage) • - Traitements thermiques (refroidissement et chauffage) • Conséquences (durcissement) • - diminuer le mouvement des dislocations dans le réseau cristallin • ® augmentation de Re, Rm et de la dureté • ® diminution possible de la ductilité

5. 1- Variation de la composition (Durcissement par solution solide) • Injection d’atomes en solution solide • - insertion ou substitution • * distorsion dans le réseau cristallin * création d’un champ de contraintes * entrave au mouvement des dislocations • ® amélioration des propriétés mécaniques

6. Exemples Augmentation de 3% de Mg triple Rm

7. L’effort supplémentaire exigé pour mettre en mouvement les dislocations se traduit par un pic sur la courbe contrainte/déformation de l’acier Vidéo 6.7

8. 2- Modification de la microstructure (Durcissement par affinement de la taille des grains) • Effet de la taille des grains • - les métaux ont une limite d’élasticité dont la valeur dépend de la taille des grains • - la diminution de la taille des grains permet d’augmenter la limite élastique et la ténacité (sans diminuer la ductilité) Les joints de grain sont des obstacles aux mouvements des dislocations

9. 2- Modification de la microstructure (suite) • Exemple • - variation de Re 0,2 en fonction de la taille des grains pour différents métaux et alliages Vidéo 6.5

10. 3- Traitements mécaniques (Durcissement par écrouissage) Figure 6.1 du livre

11. A A0 l0 l 3- Traitements mécaniques (Durcissement par écrouissage) • Rappels Essai de traction Augmentation de Re dû au déplacement du pic et de Rm dû à une diminution de la section

12. 3- Traitements mécaniques (suite) • Explication simplifiée du phénomène • - la déformation plastique est associé au mouvement des dislocations - plus la déformation augmente : • * plus la densité de dislocations augmente • * plus les dislocations rencontrent des obstacles • - mouvement des dislocations de plus en plus difficile • - il est donc nécessaire d’augmenter la contrainte pour que la déformation se poursuive ® augmentation de Re et Rm (mais diminution de A%)

13. 3- Traitements mécaniques(suite) • Techniques d’écrouissage • Traction • Tréfilage • Laminage • Forgeage Vidéo 6.3

14. 4- Traitements thermiques Modification des propriétés par des traitements thermiques (série de chauffages et de refroidissements contrôlés) avec changement allotropique de la matrice sans changement allotropique de la matrice (a) le durcissement structural (aluminium) (b) la transformation martensitique (aciers) différence dans le degré de transformation différence de microstructure différentes propriétés

15. 4- Traitements thermiques (a) le durcissement structural • Exemple d’un alliage Al - 4,5% Cu- refroidissement lent (rappel de 4.1.2) CuAl2

16. 1 CuAl2 3 2 4- Traitements thermiques (a) le durcissement structural (suite) • Exemple d’un alliage Al - 4,5% Cu- traitements thermiques 1 - Mise en solution solution solide Al-Cu; équilibre 2 - Trempe solution solide sursaturée Al-Cu; hors équilibre 3 - Vieillissement retour partiel vers l’équilibre; précipitation

17. 4- Traitements thermiques (a) le durcissement structural (suite) • Remarques • - L’essai de dureté (résistance à la pénétration d’un matériau) permet de caractériser des fines variations de microstructure (Des Matériaux, tabl. 1.1) - La dureté donne une mesure indirecte de la résistance à la traction (Des Matériaux, fig. 1.15)

18. 4- Traitements thermiques (a) le durcissement structural (suite) • Exemple d’un alliage Al - 4,5% Cu • - variation des propriétés mécaniques en fonction du temps de vieillissement propriétés optimales propriétés médiocres variation de la microstructure

19. 4- Traitements thermiques (a) le durcissement structural (suite) • Alliages d’aluminium courbes de revenu

20. 4- Traitements thermiques (b) la transformation martensitique • Exemple des aciers (Fe-C)diagramme Fer-Carbone La transformation de phases au refroidissement est allotropique, c’est-à-dire qu’elle s’effectue avec un changement de structure cristalline :

21. 4- Traitements thermiques (b) la transformation martensitique (suite) • Exemple des aciers (Fe-C) • traitements thermiques : mise en solution • Trempe • - courbes TTT (temps, température, transformation): permet de prévoir, en fonction de la température de trempe: 1) la microstructure, 2) les propriétés mécaniques, 3) le temps de transformation courbes TTT Temps Température Transformation Pour cet exemple, - 0,8% C - austénitisation 30 min à 850°C

22. 4- Traitements thermiques (b) la transformation martensitique (suite) • Exemple des aciers (Fe-C)- courbes TTT : exemples exemple 1 microstructure fine exemple 2 { transformation martensitique

23. 4- Traitements thermiques (b) la transformation martensitique (suite) • Exemple des aciers (Fe-C)transformation martensitique • trempe d’un acier à une température inférieure à Ms • l’austénite ne se transforme plus en ferrite et en cémentite mais plutôt en martensite • - structure différente mais composition identique • obtention d’une structure quadratique centrée (cristal de ferrite déformé) • - pas de diffusion (déplacements faibles des atomes) • la transformation n’est fonction que de la température • - elle ne se poursuit qu’en abaissant la température • la phase martensitique est dure et fragile

24. 4- Traitements thermiques (b) la transformation martensitique (suite) • Exemple des aciers (Fe-C) • - transformation martensitique (suite) Austénite 750 C c.f.c. g 0,8% C } équilibre trempe a 0,02% C Perlite c.c. Fe3C 6,7% C Martensite 0,8% C c.c.

25. 4- Traitements thermiques (b) la transformation martensitique (suite) • Exemple des aciers (Fe-C)- structure de la martensite représentation schématique de la transformation martensitique les atomes de carbone bloquent les dislocations ® dureté de la martensite

26. 4- Traitements thermiques (b) la transformation martensitique (suite) • Exemple des aciers (Fe-C) • - revenu de la martensite (pour améliorer la ténacité) adoucissement de la martensite par le revenu

27. 4- Traitements thermiques Note finale • Les recuits • - chauffage qui permet de restaurer les propriétés de base de l’alliage • - permet d’éliminer ou d’atténuer les conséquences indésirables d’un écrouissage préalable • Exemple : une tôle • * écrouissage (travail à froid) pour la fabriquer • * trop dure et trop fragile pour la changer de forme • * le recuit permet de redistribuer et d’éliminer certains défauts, ce qui la rendra plus facile à mettre en forme