Durcissement des métaux : procédés, avantages et applications

L'écrouissage est l'un des phénomènes les plus importants dans les processus de travail des métaux. Qu'il s'agisse de la fabrication de canettes de boisson par emboutissage profond ou du façonnage de cadres de vélo courants, l'écrouissage joue un rôle fondamental mais essentiel. Nos lecteurs curieux devraient rester à l'écoute pour obtenir un aperçu approfondi de ce sujet.

Qu'est-ce que le métal durcissable ?

Les métaux sont durcis par écrouissage, parfois de manière souhaitable, parfois de manière indésirable, selon le procédé. Cela augmente leur capacité de charge ou leur limite d'élasticité. Cet article donnera un aperçu détaillé des bases de l'écrouissage, des calculs d'écrouissage, de l'écrouissage et de presque tout ce qui s'y rapporte dans un langage technique mais convivial.

Définition et importance en métallurgie

L'écrouissage des métaux est un processus par lequel leurs propriétés mécaniques changent en raison d'une augmentation de la charge au-delà d'un point particulier, par déformation plastique. L'effet le plus profond est sur la limite d'élasticité qui augmente. La ductilité diminue ! Les fabricants, en particulier dans le domaine des produits métalliques, accordent une attention particulière à l'utilité de ce phénomène. Prenons l'exemple de la fabrication de canettes de boisson en aluminium : l'alliage d'aluminium de la série 3 est généralement relativement mou et ductile à l'état recuit, mais comme le travail est effectué sur lui par emboutissage profond, sa résistance s'améliore, de sorte qu'il peut être utilisé pour contenir et transporter des boissons sans craindre une fuite due à une déformation.

Ce procédé peut également être utilisé à notre avantage dans d’autres procédés, comme le laminage, le pliage, le cisaillement, etc.

Quelles sont les trois étapes du durcissement par écrouissage ?

Trois étapes de durcissement par écrouissage sont décrites ci-dessous :

1. Rendement : Au début de la limite d'élasticité, le matériau commence à se déformer de manière plastique. La contrainte de cisaillement requise est presque constante pour la déformation plastique
2. Écrouissage : Pour poursuivre la déformation plastique, l’ampleur de la contrainte de cisaillement requise continue d’augmenter à mesure que la contrainte augmente.
3. Rétrécissement : En raison de l'activation des plans de glissement transversaux, l'ampleur de la contrainte requise diminue.

Regardez cette vidéo sur le renforcement par écrouissage : Renforcement par écrouissage

La science derrière le durcissement par le travail

L'écrouissage des métaux est lié à des concepts scientifiques tels que le stockage d'énergie, la distorsion du réseau cristallin, le mouvement, l'ancrage et l'accumulation de dislocations aux joints de grains. Nous en parlerons plus en détail ici.

Déformation élastique et déformation plastique

Le tableau ci-dessous met en évidence certaines des principales différences entre la déformation élastique et la déformation plastique dans le contexte de l'écrouissage :

Dislocations et champs de déformation du réseau

Les dislocations jouent un rôle essentiel dans le processus d'écrouissage. Lorsque le matériau est soumis à un niveau de contrainte supérieur à sa limite d'élasticité, le mouvement des dislocations s'intensifie. Elles se déplacent et interagissent les unes avec les autres, créant des champs de déformation du réseau déformés. Plus un matériau présente de dislocations, plus le mouvement des dislocations est entravé et donc plus l'écrouissage est important.

Comment les luxations s'accumulent pendant le durcissement par écrouissage

Au fur et à mesure que la contrainte appliquée augmente, le mouvement des dislocations s'accroît, mais elles trouvent que le joint de grain constitue une barrière insurmontable. Elles s'accumulent donc au niveau du joint de grain, ce qui crée un obstacle important à leur mouvement ultérieur.

Impact de la température sur la dynamique d'écrouissage

À haute température, le mouvement des dislocations est facilité par l'augmentation de l'énergie globale, principalement sous forme de chaleur. Par conséquent, la quantité de travail nécessaire pour déformer le matériau est moindre. L'écrouissage devient difficile. Les dislocations peuvent grimper facilement.

Durcissement au travail intentionnel : exploiter ses avantages

Dans de nombreuses applications de travail des métaux, le durcissement par écrouissage est recherché pour rendre un matériau adapté à une application particulière. Ses avantages sont exploités dans des processus tels que l'emboutissage profond, le pliage, le cisaillement, le laminage, etc. Prenons l'exemple de la canette de boisson en aluminium, par exemple (comme indiqué précédemment).

Renforcement des métaux par écrouissage

Au fur et à mesure que les métaux sont durcis, leur résistance augmente au détriment de leur ductilité, ce qui est souvent l'objectif recherché. Par exemple, avant le durcissement, la ductilité de l'aluminium aide l'ébauche des canettes à prendre forme et au fur et à mesure du durcissement, la résistance accrue contribue à préserver la forme.

Techniques courantes : laminage, martelage et étirage

Applications dans la fabrication d'outils et de matrices

Les matériaux des outils et des matrices doivent être relativement résistants pour supporter les contraintes fréquentes et importantes qui leur sont appliquées au cours de leur durée de vie.

Applications dans le formage de tôles

Les tôles laminées à froid et non recuites présentent un niveau de résistance supérieur à celui des métaux laminés à chaud. Le laminage à froid confère un écrouissage.

Quel est le problème avec le durcissement par écrouissage ?

Bien que l'écrouissage soit très utile dans les processus de fabrication, il arrive parfois qu'il se produise de manière involontaire et indésirable. Un problème courant dû à l'écrouissage se produit dans l'industrie de la commande numérique par ordinateur et de l'usinage. Nous en parlerons plus en détail !

Causes d'un durcissement indésirable

Certaines des causes courantes d’un écrouissage indésirable sont énumérées ci-dessous :

1. Un mauvais alignement de l'outil lors du processus d'usinage entraîne un durcissement de la surface supérieure.
2. Le manque de lubrification augmente la friction, ce qui aggrave l'écrouissage
3. Un taux de déformation élevé provoque une concentration de contraintes
4. Manque de recuit là où c'est nécessaire

Génération de chaleur et durcissement de surface

Lors des processus de fabrication, le manque de lubrification provoque une concentration locale de contraintes et une accumulation de chaleur qui durcissent la pièce de manière indésirable.

Impact sur l'usinage CNC et la formabilité

Dans le secteur de l'usinage CNC, la surface de la pièce peut être durcie en raison d'un mauvais réglage de l'outil lors des premières passes. Cette surface durcie entraîne des problèmes plus tard dans le processus d'usinage. La surface de la pièce peut devenir rugueuse et la durée de vie de l'outil diminue également en raison d'une usure excessive. De plus, cela affecte la précision.

Quantification du durcissement par écrouissage

En mécanique des matériaux, les calculs d'écrouissage sont effectués en introduisant un coefficient (n) d'écrouissage. Il s'agit en fait d'une loi de puissance et le coefficient agit comme un exposant. Généralement, la relation de Holloman ou l'équation de Ludwik sont utilisées pour ces calculs. Mais il existe également d'autres relations empiriques.

Tests de dureté et leur rôle

Pour quantifier l'écrouissage réel, il est possible d'effectuer un essai de dureté Brinell ou un essai de dureté Vickers. L'essai Brinell donne généralement une dureté sur une grande surface tandis que l'essai Vicker peut être utilisé pour un essai de dureté plus précis et à un niveau micro.

Courbes contrainte-déformation et leur signification

L'écrouissage peut également être estimé à partir d'une courbe contrainte-déformation. Avant la limite d'élasticité et la limite d'élasticité, il suit une tendance linéaire, c'est-à-dire que la quantité de déformation augmente proportionnellement à la quantité de contrainte. Mais au-delà de la limite d'élasticité, la courbe devient plus inclinée vers l'axe des x, qui représente la contrainte. Par conséquent, il devient plus difficile de déformer avec la même proportion d'augmentation de la valeur de contrainte.

En ce qui concerne les dislocations, la contrainte suit normalement une relation de demi-racine avec la densité de dislocations :

Où est la contrainte et est la densité des dislocations.

Relations empiriques dans le durcissement par écrouissage

Les relations empiriques courantes telles que l'équation de Holloman ou l'équation de Ludwik quantifient l'impact de l'écrouissage sur la contrainte nécessaire pour déformer un matériau écroui. L'équation de Ludwik est donnée ci-dessous :

Où est la limite d'élasticité, K est le coefficient de résistance, est la déformation plastique et n est le coefficient d'écrouissage.

Quels métaux peuvent être durcis ?

La plupart des métaux courants peuvent être durcis facilement grâce à la présence et à la mobilité des dislocations. Mais certains alliages durs et cassants, comme certaines fontes, sont trop difficiles à durcir, et sont donc façonnés par moulage au lieu d'être travaillés.

Acier

Il s'agit de l'un des exemples les plus courants et les plus largement applicables de « renforcement par écrouissage ». Le pliage, la compression, le pressage, etc. sont les procédés les plus courants.

Copper

Le cuivre et le laiton peuvent être durcis facilement. Certains procédés de durcissement contrôlés, comme le traitement thermomécanique ou le recuit partiel, améliorent à la fois la résistance et la ductilité.

Aluminium

L'aluminium est relativement mou à l'état recuit, mais le durcissement par écrouissage dans des processus tels que le laminage à froid ou l'emboutissage profond améliore sa résistance.

Or et métaux précieux

Les orfèvres exploitent les avantages de l'alliage et du durcissement au travail pour donner la résistance souhaitée aux bijoux précieux, sans laquelle ils seront susceptibles d'être endommagés.

Le platine et l'argent peuvent également être renforcés pour être utilisés dans des applications électroniques

Tableaux des métaux durcis

Le tableau ci-dessous résume les caractéristiques de durcissement, les avantages et les limites des métaux couramment utilisés :

Comment éviter le durcissement par écrouissage pendant l'usinage

L'écrouissage indésirable qui peut se produire pendant l'usinage peut entraîner des coûts d'exploitation plus élevés, une inefficacité du processus, un gaspillage de matière, une usure rapide des outils et un manque de précision. Il doit être évité pour optimiser le processus.

Optimisation des vitesses et des avances

Une vitesse de coupe équilibrée et optimisée peut minimiser la friction et l'accumulation de chaleur qui entraînent un écrouissage. La vitesse d'avance doit être élevée et les coupes doivent être profondes pour éviter tout frottement inutile de l'outil avec la pièce à usiner.

Utilisation du fraisage en montée et des revêtements d'outils avancés

Le fraisage en montée réduit considérablement les frottements inutiles et les frictions excessives entre l'outil et la pièce à usiner.

Les outils de pointe, tranchants et beaucoup plus durs comme la céramique ou les outils revêtus comme le DLC (revêtement de type diamant) ou les outils revêtus de TiAlN ou de TiN, ont un faible coefficient de frottement. Ils peuvent également bien dissiper la chaleur et restent tranchants même après de nombreux passages.

Stratégies efficaces d'application du liquide de refroidissement

L'application fréquente de liquide de refroidissement contribue à réduire la friction et l'accumulation de chaleur, rendant ainsi le matériau moins sujet au durcissement par écrouissage.

Quel est un exemple de durcissement par écrouissage ?

Il existe de nombreuses applications du durcissement par écrouissage dans divers secteurs industriels tels que le bâtiment et la construction, l'automobile, les locomotives et l'aérospatiale.

Le durcissement par écrouissage dans la fabrication des boulons

Les boulons fabriqués à partir de métaux tels que l'acier passent par différentes étapes lors de leur fabrication, telles que l'étirage à froid, le forgeage de la tête et le laminage de filets. En raison d'une énorme quantité de déformation, ils atteignent un écrouissage. Ils ont tendance à présenter une augmentation de la résistance et de la résistance à l'usure.

Applications dans la fabrication et la construction

Les opérations courantes de pliage et de cisaillement sur tôle dans la fabrication de fermes, de poteaux et de pannes confèrent un écrouissage au métal. Par conséquent, leur résistance s'en trouve améliorée.

Études de cas dans les secteurs de l'aéronautique et de l'automobile

Les composants aérospatiaux et automobiles qui passent par des opérations de presse, de pressage et de découpe améliorent leur résistance grâce à l'écrouissage.

Avantages des matériaux durcissables dans l'usinage CNC

Lors de l'usinage CNC, les matériaux subissent un écrouissage au cours de certains processus, comme le pressage ou le formage, ce qui peut améliorer leur résistance. Ce processus peut améliorer la dureté, la résistance à l'usure et la résistance à la fatigue du matériau, ce qui le rend idéal pour les applications nécessitant une grande durabilité. Cependant, l'écrouissage peut également être indésirable dans les opérations de coupe, où il peut entraîner une usure accrue de l'outil et une difficulté à obtenir des finitions de haute qualité.

Durcissement par écrouissage ou traitement thermique

L'écrouissage et le traitement thermique sont deux processus différents. Dans l'écrouissage, seules les forces mécaniques jouent un rôle, tandis que dans le traitement thermique, les forces mécaniques et l'application de chaleur et de refroidissement jouent un rôle, ce dernier étant plus important.

En quoi l'écrouissage diffère-t-il du recuit ?

L'écrouissage et le recuit diffèrent sur de nombreux points. Alors que l'objectif principal de l'écrouissage est d'augmenter la résistance, le recuit a l'effet inverse : il augmente la ductilité.

Comparaison de la durabilité : métaux durcis et traités thermiquement

Le traitement thermique a de nombreuses applications et la comparaison de la durabilité des deux est subjective. Sous certains aspects, le traitement thermique est plus durable que l'écrouissage et vice versa.

QFP

Comment se produit l'écrouissage ?

L'écrouissage se produit principalement en raison du mouvement et de l'interaction des dislocations. Les distorsions dans les champs de contrainte du réseau et l'accumulation de dislocations aux joints de grains provoquent l'écrouissage.

Pourquoi certains métaux ne peuvent-ils pas être durcis ?

En raison du manque de ductilité de certains métaux comme la fonte, ils ne peuvent pas être travaillés.

L'acier inoxydable 316 durcit-il au travail ?

Oui, l’acier inoxydable 316 peut être durci.

L’écrouissage peut-il améliorer l’usinabilité ?

Pour métaux mous, l'écrouissage peut améliorer l'usinabilité.