Qu’est-ce que le durcissement par précipitation ? Un guide complet

Le durcissement par précipitation est effectué sur des matériaux comme l'aluminium, l'acier inoxydable et l'alliage de titane. Le traitement thermique de durcissement par précipitation améliore la limite d'élasticité des matériaux malléables. Le matériau doit offrir un bon rapport résistance/poids pour les applications automobiles, médicales et aérospatiales. Les techniques de Ph et l'usinage de précision sont les caractéristiques de l'usinage CNC Tuofa. Tuofa propose un usinage spécialisé réalisé par des ouvriers experts.

Comprendre les principes fondamentaux du durcissement des précipitations

La chimie du durcissement par précipitation implique la formation par précipitation fine de la structure des grains. La limite d'élasticité et la dureté du matériau sont améliorées en raison du durcissement par précipitation. Le mouvement des dislocations est entravé par les fines particules de la matrice qui confèrent de la résistance au matériau.

Exemple de durcissement par précipitation

Le traitement thermique de durcissement par précipitation est utilisé pour produire des alliages destinés aux applications aérospatiales. Par exemple, l’alliage d’aluminium 7075 est utilisé dans la structure des avions. L'alliage d'aluminium 7075 contient des éléments en alliage de magnésium, de zinc et de silicium. Cet alliage est durci par précipitation pour obtenir la durabilité et la résistance souhaitées pour les applications structurelles.

Principes de base

Des processus de chauffage et de refroidissement contrôlés sont effectués lors du traitement thermique de durcissement par précipitation. Ces processus de chauffage et de refroidissement permettront au matériau d’améliorer sa résistance et sa dureté. Les trois étapes fondamentales du traitement thermique de durcissement précipité sont le traitement thermique de mise en solution, la trempe et le vieillissement. Tout d’abord, le matériau est chauffé à haute température pour dissoudre l’élément d’alliage, créant ainsi une solution homogène. Cette solution est rapidement refroidie dans l'eau puis réchauffée à basse température afin que l'élément d'alliage précipite pour former une solution sursaturée.

Synonyme pour Precipitation Hardening

Durcissement par vieillissement est le synonyme de base du durcissement précipité qui reflète le vieillissement à température élevée et à température ambiante. Un autre synonyme est durcissement des particules qui fait référence à la formation de particules dans la matrice lors du durcissement au Ph.

Terminologie clé

Certaines terminologies clés utilisées dans le durcissement par précipitation sont indiquées ci-dessous.

• Solution solide: La solution homogène formée après le traitement thermique de la solution. Les éléments d'alliage sont dissous dans la matrice.
• Sursaturation : L'élément d'alliage est précipité en solution. Cette solution est appelée solution sursaturée.
• Agent de nucléation: La deuxième phase de précipitation se forme dans une solution sursaturée après la formation de l'étape initiale de petits noyaux.
• Croissance: Les noyaux se développent et la taille du précipité augmente.

Chimie du durcissement par précipitation

La chimie du durcissement par précipitation implique la formation de fines particules de taille égale dans la matrice de l’alliage. La répartition des fines particules doit être uniforme pour une meilleure résistance et un meilleur durcissement.

Analyse microstructurale des alliages durcis par précipitation

La taille des particules et leur répartition dans la matrice sont très cruciales pour déterminer la résistance et la dureté de l'alliage. L'analyse TEM et SEM est effectuée sur l'alliage après chaque étape pour remarquer l'effet de la température et du temps sur la taille et la distribution des particules. Les images TEM et SEM permettent également l'analyse de la morphologie des particules.

Les précipitations sont visibles sur l’image TEM après durcissement au PH.

Différents types de précipités

Les différents types de précipitations et leur effet sur les propriétés du matériau sont indiqués ci-dessous.

• Zones Guinier-Preston (GP)
• Thêta premier (θ')
• Thêta Double Prime (θ'')
• Phase êta (η)

Phases de précipitations

Zones GP (Zones Guinier-Preston)

Des amas cohérents d’atomes sinusoïdaux de soluté se forment. Cela a amélioré la dureté et la résistance sans affecter la ductilité.

Les schémas montrent la transformation d'une solution solide sursaturée en zone GP1 en zone GP2 au cours du vieillissement.

θ' (Theta Prime) précipite

La précipitation en forme de bâtonnet et la chimie de durcissement par précipitation semi-cohérente se trouvent sur les alliages AL-Cu. Mouvement de luxation imminent et offre une dureté et une résistance substantielles.

Image MEB de l'alliage AL-CU montrant des précipités θ' (Theta Prime).

β'' (Beta Double Prime) précipite

La chimie de durcissement des précipités cohérents et en forme d'aiguilles se trouve dans les alliages Al-Mg-Si (série 6xxx). Avec une bonne dureté, résistance et ductilité, il offre également une bonne résistance à la corrosion.

Image TEM de précipités β'' (Beta Double Prime).

η' (Eta Prime) précipite

La chimie de durcissement des précipités cohérents et en forme de plaques se forme normalement sur les alliages Al-Zn-Mg-Cu (série 7xxx). Fournit une dureté et une résistance élevées à l’alliage qui peut être utilisé dans les structures aérospatiales.

Image TEM des précipités η' (Eta Prime) de 7075-LCu.

S' (S Prime) précipite

Les précipités semi-cohérents et en forme de plaques se forment principalement dans les alliages Al-Cu-Mg (série 2xxx). Fournit une dureté et une résistance élevées pour les applications porteuses.

Le rôle des dislocations dans le durcissement des précipitations

Le mouvement de dislocation est entravé par les précipitations et améliore la résistance et la dureté du matériau. Les défauts et les mouvements de dislocation au sein de la structure cristalline jouent un rôle important dans l’explication du comportement mécanique du matériau. L'interaction du précipité et de la dislocation explique les principes fondamentaux du processus de renforcement.

Avantages et inconvénients du durcissement par précipitation

Les avantages et les inconvénients du durcissement par précipitation sont indiqués ci-dessous.

Avantages

• Dureté et résistance améliorées.
• La résistance à l'usure est améliorée.
• Rapport résistance/poids élevé.
• Meilleure résistance à la fatigue.
• Durée de vie prolongée.  

Désavantages

• Le processus de traitement thermique est complexe et nécessite un processus de chauffage et de refroidissement approprié.
• Processus qui prend du temps.
• Sensible aux personnes âgées.
• Améliorer la dureté pour compromettre la ductilité.
• Sensible à la corrosion et à la fissuration par corrosion sous contrainte.

Facteurs affectant le durcissement des précipitations

Quelles sont les trois étapes du durcissement des précipitations ?

La deuxième phase du traitement thermique de durcissement se déroule en 3 étapes : mise en solution, trempe et vieillissement. Ces trois étapes sont cruciales pour améliorer les propriétés mécaniques du matériau. L’équilibre entre ductilité et dureté est très important.

Traitement en solution

L'alliage métallique est chauffé au-dessus de la ligne solidus. Ce chauffage à haute température dissoudrait tous les éléments d’alliage dans une solution solide. La répartition homogène des éléments dans toute la matrice métallique.

Trempe

La trempe est la deuxième étape où le matériau est rapidement trempé dans l'eau. Cette étape est cruciale pour le vieillissement. Ces étapes permettent au matériau de former une métaphase sursaturée. Les précipités sont piégés dans une matrice de matière.

anti-âge

Le vieillissement est effectué pour permettre au précipité de se développer en une matrice métallique. Ces précipités améliorent la résistance et la dureté du matériau. Il existe deux types de vieillissement, le vieillissement naturel et le vieillissement artificiel. Pour les alliages d'aluminium, la température de vieillissement varie de 120°C à 190°C.

Les schémas expliquent le processus complet de durcissement par précipitation.

Vidéo YouTube expliquant le mécanisme de durcissement par précipitation.

https://www.youtube.com/watch?v=fsTUDSrXt84&pp=ygUYcHJlY2lwaXRhdGlvbiBoYXJkZW5pbmcg

Vieillissement naturel vs vieillissement artificiel

Le vieillissement naturel se fait à température ambiante. Cela prend plus de temps, voire des semaines, voire des mois. Le vieillissement artificiel s'effectue généralement à des températures élevées de 120°C à 190°C. Le vieillissement artificiel prend moins de temps que le vieillissement naturel, allant de quelques heures à quelques jours.

Métaux idéaux pour le durcissement par précipitation

Un traitement thermique de durcissement par précipitation est effectué sur des matériaux mous et ductiles pour améliorer leur dureté et leur résistance. La dureté des particules est le processus de formation de précipités à l’intérieur de la matrice du matériau. Ces précipités interagissent avec la dislocation et renforcent le matériau. Certains matériaux durcis par précipitation sont indiqués ci-dessous.

Alliages d'aluminium

L'aluminium est léger et peut être utilisé dans l'industrie aéronautique et automobile. L'aluminium est ductile et souple pour améliorer sa dureté et sa résistance pour les applications avancées, il est durci par particules. Les séries suivantes d'aluminium sont durcies par particules.

• Série 2xxx également appelée alliages aluminium-cuivre.
• Série 6xxx également appelée alliages aluminium-magnésium-silicium.
• Série 7xxx également appelée alliages aluminium-zinc.

Superalliages à base de nickel (Inconel 718)

Cet alliage contient principalement du chrome et du nickel, mais contient également du niobium, du titane et du molybdène. Lorsque l'Inconel est durci par des particules, il se forme et un gamma-double prime (γ') précipite et un gamma-prime (γ') une fois vieilli. Cela offre une résistance au fluage du matériau et une résistance aux températures élevées.

Alliages de titane (Ti-6Al-4V)

C'est l'alliage de titane le plus largement utilisé, contenant 4 % de vanadium et 6 % d'aluminium. Après vieillissement, une matrice de phase bêta se forme dans laquelle de fins précipités de phase alpha (α) se forment. Ces phases améliorent la résistance et la ténacité de l'alliage.

Aciers inoxydables PH (17-4 PH, 15-5 PH)

17-4 PH : Contient du nickel, du cuivre, du chrome et du niobium. Les précipités formés sont de fines particules riches en cuivre. Ceux-ci améliorent la dureté et la résistance de l’alliage.

15-5 PH : La composition globale est la même que celle de l'acier inoxydable 17-4 PH mais contient des quantités légèrement différentes de chaque élément. Cette composition est conçue pour améliorer la ténacité de l'alliage. Des précipités riches en cuivre se forment pour améliorer les propriétés mécaniques lors du vieillissement.

Méthodes d'essai de dureté

Les tests de dureté peuvent être effectués à partir de 3 équipements décrits ci-dessous.

Essai de dureté Rockwell

C'est la mesure d'une pénétration de profondeur d'indentation de charge importante concernant la pénétration de précharge. Il comporte des échelles HRA, HRB et HRC.

Équipement de dureté Rockwell.

Essais de dureté Vicker

La taille de l'indentation est mesurée pour calculer la dureté. Un pénétrateur pyramidal en diamant est utilisé à cet effet. HV est le numéro de dureté Vickers.

Équipement de dureté Vicker.

Dureté Brinell

Une bille en carbure dur ou en acier soumise à une charge spéciale est utilisée pour enfoncer le matériau. La dureté est calculée en mesurant le diamètre de l'indentation. HBW est utilisé pour les billes en carbure de tungstène. HBS est utilisé pour les billes d’acier.

Équipement de dureté Brinell.

Applications du durcissement par précipitation dans toutes les industries

Le traitement thermique de durcissement par précipitation est utilisé dans différentes industries pour ajuster les propriétés mécaniques des alliages.

Industrie aérospaciale: Les alliages d'aluminium 7075 et 2025 PH sont utilisés dans la fabrication de différents composants aérospatiaux. Les ailes, les cadres de fuselage et les pièces du train d'atterrissage sont formés par ces alliages durcis par particules. L'Inconel 718 est utilisé dans les pièces de moteurs automobiles et aérospatiaux.

Industrie automobile: Les alliages d'aluminium des séries 6xxx et 7xxx sont utilisés dans les moteurs hautes performances. Le Ti-6Al-4V est utilisé dans les voitures et les pièces structurelles des véhicules. Le système d'échappement est fabriqué en acier inoxydable 17-4 PH.

Industrie médicale: L'alliage de titane Ti-6Al-4V est utilisé dans les implants et les prothèses en raison de sa biocompatibilité. L'acier inoxydable 17-4 PH et l'acier inoxydable 15-5 PH sont utilisés dans les instruments chirurgicaux.

Industrie du pétrole et du gaz: Les superalliages à base de nickel durcis par précipitation sont utilisés dans les équipements de forage, les raccords et les vannes. L'acier inoxydable 17-4 PH est utilisé dans la fabrication d'appareils sous pression et de tuyaux.

Industrie maritime : Les alliages d'aluminium des séries 5xxx et 6xxx sont utilisés dans la fabrication de superstructures et de coques de navires. Des alliages à base de nickel durcis par précipitation sont utilisés pour fabriquer des arbres et des hélices.

Industrie électronique: Les alliages de cuivre durcis par particules sont utilisés pour fabriquer des contacts et des connecteurs électriques. Les alliages d'aluminium sont utilisés pour fabriquer des dissipateurs thermiques.

Usinage CNC et durcissement par précipitation : une combinaison puissante

L'usinage CNC Tuofa fournit un traitement thermique de durcissement par précipitation qui donne lieu à des composants durables et de haute précision. L'usinage CNC de Toufa offre une excellente finition de surface, une production constante et une précision. Le traitement thermique de durcissement par précipitation augmente la résistance à l'usure et la résistance du matériau. Tuofa fournit le meilleur service avec un usinage CNC hautement équipé pour les métaux durcis par précipitation. Pour plus de détails, vous pouvez consulter leur site Web ci-dessous.

Comparaison avec d'autres mécanismes de renforcement

Il existe de nombreux mécanismes de renforcement utilisés dans l’industrie pour améliorer les propriétés mécaniques des alliages. Les mécanismes de renforcement comprennent le durcissement par précipitation, le raffinement du grain et le durcissement en solution solide. La différence entre les différents mécanismes de renforcement et le durcissement par précipitation est discutée ci-dessous.

Durcissement par précipitation et durcissement par travail

L'écrouissage est le processus par lequel le matériau est déformé plastiquement. Des dislocations sont créées au sein du matériau. Ces dislocations accumulées gênent mutuellement les mouvements, renforçant ainsi le matériau. Alors que le durcissement de la deuxième phase est le processus dans lequel se forment des précipités qui interagissent avec la dislocation et renforcent le métal.

Durcissement par précipitation ou raffinement du grain

Le raffinement des grains est le processus par lequel la taille des grains diminue. La diminution de la taille des grains entraîne davantage de joints de grains. Ces joints de grains limitent le mouvement des dislocations et renforcent le métal. La dureté de la deuxième phase, quant à elle, est le processus de traitement thermique. Cette chimie de durcissement précipité implique la formation d’un précipité dans la matrice métallique qui renforce le matériau.

Durcissement par précipitation ou renforcement par solution solide

Le durcissement en solution solide implique l'ajout d'éléments d'alliage dans la matrice métallique pour améliorer la résistance. Alors que le durcissement par précipitation correspond aux 3 étapes du traitement thermique. Des précipités renforçant la solution solide sont ajoutés comme éléments d'alliage qui entravent le mouvement des dislocations. La chimie du durcissement par précipitation se produit lorsque des précipités sont formés par traitement thermique.

Foire aux questions

Durcissement par les précipitations et durcissement par le vieillissement

Les deux synonymes font référence au processus de traitement thermique impliquant le traitement thermique en solution, la trempe et le vieillissement.

Durcissement par dispersion ou durcissement par précipitation

Le durcissement par dispersion n’est pas un traitement thermique comme le durcissement par précipitation. C'est le processus d'ajout de particules non métalliques dans la matrice métallique pour augmenter la dureté et la résistance du matériau.

Quelle est la différence entre le revenu et le durcissement par précipitation ?

 Le revenu est effectué sur l'acier trempé pour réduire sa fragilité et améliorer sa ténacité. Il s'agit d'un processus de réchauffage à basse température pour éliminer les contraintes internes du matériau. Au cours de ce processus, aucun précipité ne se forme. D'autre part, le durcissement précipité implique trois étapes et des précipités se forment pour augmenter la dureté.

Quel est l'acier inoxydable ou l'aluminium le plus résistant et durci par précipitation ?

La résistance à la traction de l'acier inoxydable PH est de 850 MPa à 1,700 90 MPa, tandis que celle de l'aluminium est de 690 MPa à XNUMX MPa. Ainsi, l’acier inoxydable PH est plus résistant que l’aluminium.