Il est possible d'en tirer des avantages en comprenant une couche de la structure granulaire qui détermine le comportement mécanique de l'acier inoxydable. (Getty Images)
Le choix des aciers inoxydables et des alliages d'aluminium repose généralement sur la résistance, la ductilité, l'allongement et la dureté. Ces propriétés indiquent comment les constituants du métal réagissent aux charges appliquées. Elles permettent de gérer efficacement les contraintes liées à la matière première, c'est-à-dire sa limite de déformation avant rupture. La matière première doit pouvoir résister au processus de moulage sans se rompre.
Les essais de traction et de dureté destructifs constituent une méthode fiable et économique pour déterminer les propriétés mécaniques. Cependant, leur fiabilité diminue lorsque l'épaisseur du matériau brut limite la taille de l'échantillon. Si les essais de traction sur les produits métalliques plats restent utiles, une analyse plus approfondie d'une couche spécifique de la structure granulaire, qui détermine leur comportement mécanique, peut s'avérer plus pertinente.
Les métaux sont constitués d'une série de cristaux microscopiques appelés grains. Ces grains sont répartis aléatoirement dans tout le métal. Les atomes d'éléments d'alliage, tels que le fer, le chrome, le nickel, le manganèse, le silicium, le carbone, l'azote, le phosphore et le soufre dans les aciers inoxydables austénitiques, font partie d'un seul grain. Ces atomes forment une solution solide d'ions métalliques, liés au réseau cristallin par leurs électrons partagés.
La composition chimique de l'alliage détermine l'arrangement thermodynamiquement privilégié des atomes dans les grains, appelé structure cristalline. Les portions homogènes d'un métal, présentant une structure cristalline répétitive, forment un ou plusieurs grains appelés phases. Les propriétés mécaniques d'un alliage dépendent de sa structure cristalline. Il en va de même pour la taille et l'arrangement des grains de chaque phase.
La plupart des gens connaissent les états de l'eau. Lorsque l'eau liquide gèle, elle se transforme en glace. Cependant, en ce qui concerne les métaux, il n'existe pas qu'une seule phase solide. Certaines familles d'alliages sont nommées d'après leurs phases. Parmi les aciers inoxydables, les alliages austénitiques de la série 300 sont principalement composés d'austénite après recuit. En revanche, les alliages de la série 400 sont composés de ferrite (acier inoxydable 430) ou de martensite (aciers inoxydables 410 et 420).
Il en va de même pour les alliages de titane. Le nom de chaque groupe d'alliages indique sa phase prédominante à température ambiante : alpha, bêta ou un mélange des deux. On distingue les alliages alpha, quasi-alpha, alpha-bêta, bêta et quasi-bêta.
Lors de la solidification du métal liquide, les particules solides de la phase thermodynamiquement favorisée précipitent là où la pression, la température et la composition chimique le permettent. Ce phénomène se produit généralement aux interfaces, à l'instar des cristaux de glace à la surface d'un étang chaud par temps froid. Lors de la nucléation des grains, la structure cristalline croît dans une direction jusqu'à rencontrer un autre grain. Les joints de grains se forment aux intersections de réseaux cristallins non concordants en raison des différentes orientations des structures cristallines. Imaginez une boîte remplie de cubes Rubik de tailles différentes. Chaque cube possède une grille carrée, mais ils seront tous disposés dans des directions aléatoires. Une pièce métallique entièrement solidifiée est constituée d'une série de grains apparemment orientés de manière aléatoire.
Lors de la formation d'un grain, des défauts linéaires peuvent apparaître. Ces défauts correspondent à des parties manquantes de la structure cristalline, appelées dislocations. Ces dislocations et leurs mouvements ultérieurs à travers le grain et les joints de grains sont fondamentaux pour la ductilité du métal.
Une section transversale de la pièce est montée, meulée, polie et attaquée chimiquement pour observer la structure granulaire. Lorsque les grains sont uniformes et équiaxes, les microstructures observées au microscope optique ressemblent à un puzzle. En réalité, les grains sont tridimensionnels et la section transversale de chaque grain varie selon l'orientation de la section transversale de la pièce.
Lorsqu'une structure cristalline est remplie de tous ses atomes, il n'y a plus de place pour un mouvement autre que l'étirement des liaisons atomiques.
Lorsqu'on supprime la moitié d'une rangée d'atomes, on crée l'opportunité pour une autre rangée d'atomes de prendre cette position, déplaçant ainsi la dislocation. Lorsqu'une force est appliquée à la pièce, le mouvement cumulé des dislocations dans la microstructure lui permet de se plier, de s'étirer ou de se comprimer sans se rompre.
Lorsqu'une force agit sur un alliage métallique, le système gagne en énergie. Si cette énergie est suffisante pour provoquer une déformation plastique, le réseau cristallin se déforme et de nouvelles dislocations se forment. Il semble logique que cela augmente la ductilité, car cela libère de l'espace et crée ainsi un potentiel de mouvement accru des dislocations. Cependant, lorsque des dislocations entrent en collision, elles peuvent se bloquer mutuellement.
À mesure que le nombre et la concentration de dislocations augmentent, de plus en plus de dislocations se bloquent mutuellement, réduisant ainsi la ductilité. Finalement, leur nombre devient tel que le formage à froid devient impossible. Les dislocations bloquées ne pouvant plus se déplacer, les liaisons atomiques du réseau cristallin s'étirent jusqu'à rupture. C'est pourquoi les alliages métalliques s'écrouissent et pourquoi la déformation plastique qu'un métal peut supporter avant rupture est limitée.
Le grain joue également un rôle important dans le recuit. Le recuit d'un matériau écroui permet de réinitialiser sa microstructure et ainsi de restaurer sa ductilité. Au cours du processus de recuit, les grains se transforment en trois étapes :
Imaginez une personne marchant dans un wagon bondé. Pour faire passer une foule, il faut créer des espaces entre les rangées, comme des décalages dans un treillis. Au fur et à mesure qu'elle avance, les personnes derrière elle comblent le vide qu'elle laisse, tandis qu'elle crée un nouvel espace devant elle. Une fois arrivée à l'autre bout du wagon, la disposition des passagers change. Si trop de personnes tentent de passer en même temps, les passagers qui essaient de se frayer un chemin se heurtent les uns aux autres et se cognent contre les parois du wagon, bloquant tout le monde. Plus les décalages sont nombreux, plus il est difficile pour eux de se déplacer simultanément.
Il est important de comprendre le niveau minimal de déformation requis pour déclencher la recristallisation. Cependant, si le métal ne possède pas suffisamment d'énergie de déformation avant d'être chauffé, la recristallisation n'aura pas lieu et les grains continueront simplement à croître au-delà de leur taille initiale.
Les propriétés mécaniques peuvent être ajustées en contrôlant la croissance des grains. Un joint de grain est essentiellement une paroi de dislocations. Elles entravent le mouvement.
Si la croissance des grains est limitée, un plus grand nombre de petits grains seront produits. Ces grains plus petits sont considérés comme plus fins en termes de structure granulaire. Un plus grand nombre de joints de grains signifie moins de mouvement des dislocations et une résistance plus élevée.
Si la croissance des grains n'est pas limitée, la structure granulaire devient plus grossière, les grains sont plus gros, les joints de grains sont moins nombreux et la résistance est moindre.
La taille des grains est souvent exprimée par un nombre sans unité, généralement compris entre 5 et 15. Il s'agit d'un rapport relatif lié au diamètre moyen des grains. Plus le nombre est élevé, plus la granularité est fine.
La norme ASTM E112 décrit les méthodes de mesure et d'évaluation de la granulométrie. Elle consiste à compter la quantité de grains dans une zone donnée. Cette opération est généralement réalisée en découpant une section transversale du matériau brut, en la meulant et en la polissant, puis en la décapant à l'acide pour exposer les particules. Le comptage est effectué au microscope, le grossissement permettant un échantillonnage adéquat des grains. L'attribution d'un numéro de granulométrie ASTM indique un niveau d'uniformité satisfaisant de la forme et du diamètre des grains. Il peut même être avantageux de limiter la variation de la granulométrie à deux ou trois points afin de garantir des performances constantes sur l'ensemble de la pièce.
En cas d'écrouissage, la résistance et la ductilité sont inversement proportionnelles. La relation entre la taille des grains (norme ASTM) et la résistance est généralement positive et forte, tandis que l'allongement est inversement proportionnel à la taille des grains (norme ASTM). Cependant, une croissance excessive des grains peut empêcher les matériaux « morts et mous » de s'écrouir efficacement.
La granulométrie est souvent exprimée par un nombre sans unité, généralement compris entre 5 et 15. Il s'agit d'un rapport relatif lié au diamètre moyen des grains. Plus la valeur ASTM de la granulométrie est élevée, plus la densité de grains par unité de surface est importante.
La taille des grains du matériau recuit varie en fonction du temps, de la température et de la vitesse de refroidissement. Le recuit est généralement effectué entre la température de recristallisation et le point de fusion de l'alliage. La plage de températures de recuit recommandée pour l'acier inoxydable austénitique 301 se situe entre 1 900 et 2 050 degrés Fahrenheit. Il commence à fondre aux alentours de 2 550 degrés Fahrenheit. En revanche, le titane commercialement pur de grade 1 doit être recuit à 1 292 degrés Fahrenheit et fond aux alentours de 3 000 degrés Fahrenheit.
Lors du recuit, les processus de restauration et de recristallisation s'opposent jusqu'à ce que les grains recristallisés absorbent tous les grains déformés. La vitesse de recristallisation varie avec la température. Une fois la recristallisation terminée, la croissance des grains prend le relais. Une pièce en acier inoxydable 301 recuite à 1 900 °F (1040 °C) pendant une heure présentera une structure à grains plus fins que la même pièce recuite à 2 000 °F (1 100 °C) pendant la même durée.
Si le matériau n'est pas maintenu suffisamment longtemps dans la plage de recuit appropriée, la structure résultante peut être une combinaison d'anciens et de nouveaux grains. Si l'on souhaite des propriétés uniformes dans tout le métal, le processus de recuit doit viser à obtenir une structure à grains équiaxes uniforme. Uniforme signifie que tous les grains ont approximativement la même taille, et équiaxe signifie qu'ils ont approximativement la même forme.
Pour obtenir une microstructure uniforme et équiaxe, chaque pièce doit être exposée à la même quantité de chaleur pendant la même durée et refroidir à la même vitesse. Ceci n'est pas toujours facile, voire possible, avec un recuit par lots ; il est donc important d'attendre que la pièce soit entièrement saturée à la température appropriée avant de calculer le temps de maintien. Des temps de maintien plus longs et des températures plus élevées donneront une structure à grains plus grossiers/un matériau plus mou, et inversement.
Si la taille des grains et la résistance sont liées, et que la résistance est connue, pourquoi calculer la taille des grains ? Tous les essais destructifs présentent une variabilité. Les essais de traction, notamment sur de faibles épaisseurs, dépendent fortement de la préparation de l’échantillon. Des résultats de résistance à la traction qui ne reflètent pas les propriétés réelles du matériau peuvent entraîner une rupture prématurée.
Si les propriétés ne sont pas uniformes dans toute la pièce, un essai de traction réalisé sur une éprouvette prélevée uniquement sur un bord peut ne pas fournir d'informations complètes. La préparation et les essais des échantillons peuvent également être longs. Combien d'essais sont possibles pour un métal donné, et dans combien de directions ? L'analyse de la structure granulaire constitue une sécurité supplémentaire contre les mauvaises surprises.
Anisotrope, isotrope. L'anisotropie désigne la directionnalité des propriétés mécaniques. Outre la résistance, l'anisotropie peut être mieux comprise en examinant la structure granulaire.
Une structure granulaire uniforme et équiaxe doit être isotrope, c'est-à-dire présenter les mêmes propriétés dans toutes les directions. L'isotropie est particulièrement importante lors des procédés d'emboutissage profond où la concentricité est essentielle. Lorsque l'ébauche est tirée dans le moule, le matériau anisotrope ne s'écoule pas uniformément, ce qui peut engendrer un défaut appelé « oreille ». L'oreille se manifeste par une silhouette ondulée sur la partie supérieure de la coupelle. L'examen de la structure granulaire permet de localiser les inhomogénéités dans la pièce et d'en diagnostiquer la cause.
Un recuit approprié est essentiel pour obtenir l'isotropie, mais il est également important de comprendre l'étendue de la déformation avant recuit. Lors de la déformation plastique du matériau, les grains se déforment. Dans le cas du laminage à froid, qui transforme l'épaisseur en longueur, les grains s'allongent dans le sens du laminage. La modification du rapport d'aspect des grains influe sur l'isotropie et les propriétés mécaniques globales. Pour les pièces fortement déformées, une certaine orientation peut persister même après recuit, ce qui engendre une anisotropie. Pour les matériaux emboutis, il est parfois nécessaire de limiter la déformation avant le recuit final afin d'éviter l'usure.
L'effet peau d'orange. Le phénomène de « peau d'orange » n'est pas le seul défaut d'emboutissage profond lié à la matrice. Il se produit lorsque des matières premières à granulométrie trop grossière sont embouties. Chaque grain se déforme indépendamment et en fonction de son orientation cristalline. La différence de déformation entre les grains adjacents engendre un aspect texturé semblable à la peau d'orange. Cette texture correspond à la structure granuleuse visible à la surface de la paroi de la pièce.
Tout comme les pixels d'un écran de télévision, une structure à grains fins réduit la différence entre chaque grain, augmentant ainsi la résolution. La spécification des seules propriétés mécaniques peut s'avérer insuffisante pour garantir une granulométrie suffisamment fine et éviter l'effet peau d'orange. Lorsque la variation dimensionnelle de la pièce est inférieure à 10 fois le diamètre des grains, les propriétés de chaque grain déterminent le comportement au formage. La déformation n'est pas uniforme sur l'ensemble des grains, mais reflète la taille et l'orientation spécifiques de chacun. Ce phénomène est visible sur les parois des coupelles embouties, grâce à l'effet peau d'orange.
Pour une taille de grain ASTM de 8, le diamètre moyen du grain est de 885 µin. Cela signifie que toute réduction d'épaisseur de 0,00885 pouce ou moins peut être affectée par cet effet de microformage.
Bien que les grains grossiers puissent engendrer des problèmes d'emboutissage profond, ils sont parfois recommandés pour l'estampage. L'estampage est un procédé de déformation qui consiste à comprimer une ébauche pour lui conférer une topographie de surface souhaitée, comme un quart du visage de George Washington. Contrairement au tréfilage, l'estampage n'implique généralement pas un important flux de matière, mais requiert une force considérable, susceptible de déformer la surface de l'ébauche.
C’est pourquoi, minimiser les contraintes d’écoulement en surface en utilisant une structure à grains plus grossiers peut contribuer à atténuer les forces nécessaires à un remplissage correct du moule. Cela est particulièrement vrai pour l’impression sans matrice, où les dislocations sur les grains de surface peuvent circuler librement, plutôt que de s’accumuler aux joints de grains.
Les tendances évoquées ici sont des généralisations qui peuvent ne pas s'appliquer à des sections spécifiques. Cependant, elles ont mis en évidence les avantages de la mesure et de la normalisation de la granulométrie des matières premières lors de la conception de nouvelles pièces afin d'éviter les défauts courants et d'optimiser les paramètres de moulage.
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