Des avantages peuvent être obtenus en obtenant un aperçu d'une couche de la structure du grain qui contrôle le comportement mécanique de l'acier inoxydable.Getty Images
La sélection de l'acier inoxydable et des alliages d'aluminium se concentre généralement sur la résistance, la ductilité, l'allongement et la dureté. Ces propriétés indiquent comment les éléments constitutifs du métal réagissent aux charges appliquées. Elles constituent un indicateur efficace de la gestion des contraintes de la matière première, c'est-à-dire dans quelle mesure elle se pliera avant de se casser. La matière première doit être capable de résister au processus de moulage sans se casser.
Les essais de traction et de dureté destructifs constituent une méthode fiable et rentable pour déterminer les propriétés mécaniques. Cependant, ces essais ne sont pas toujours aussi fiables une fois que l'épaisseur de la matière première commence à limiter la taille de l'échantillon d'essai. Les essais de traction sur des produits métalliques plats sont bien sûr toujours utiles, mais des avantages peuvent être obtenus en examinant plus en profondeur une couche de la structure du grain qui contrôle son comportement mécanique.
Les métaux sont constitués d'une série de cristaux microscopiques appelés grains. Ils sont répartis de manière aléatoire dans 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, qui sont liés au réseau cristallin par leurs électrons partagés.
La composition chimique de l'alliage détermine la disposition thermodynamiquement préférée des atomes dans les grains, connue sous le nom de structure cristalline. Des parties homogènes d'un métal contenant une structure cristalline répétitive forment un ou plusieurs grains appelés phases. Les propriétés mécaniques d'un alliage sont fonction de la structure cristalline de l'alliage. Il en va de même pour la taille et la disposition des grains de chaque phase.
La plupart des gens connaissent les étapes de l'eau. Lorsque l'eau liquide gèle, elle devient de la glace solide. Cependant, lorsqu'il s'agit de métaux, il n'y a 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 constitués d'austénite une fois recuits. Cependant, les alliages de la série 400 sont constitués de ferrite dans l'acier inoxydable 430 ou de martensite dans les alliages d'acier inoxydable 410 et 420.
Il en va de même pour les alliages de titane. Le nom de chaque groupe d’alliages indique leur phase prédominante à température ambiante – alpha, bêta ou un mélange des deux. Il existe des alliages alpha, quasi-alpha, alpha-bêta, bêta et quasi-bêta.
Lorsque le métal liquide se solidifie, les particules solides de la phase thermodynamiquement préférée précipitent là où la pression, la température et la composition chimique le permettent. Cela se produit généralement aux interfaces, comme des cristaux de glace à la surface d'un étang chaud par temps froid. Lorsque les grains se nucléent, la structure cristalline croît dans une direction jusqu'à ce qu'un autre grain soit rencontré. Des limites de grains se forment aux intersections de réseaux incompatibles en raison des différentes orientations des structures cristallines. Imaginez mettre un tas de cubes Rubik de différentes tailles dans une boîte. Chaque cube a une disposition de grille carrée, mais ils seront tous disposés dans des directions aléatoires différentes. Une pièce métallique entièrement solidifiée se compose d'une série de grains apparemment orientés de manière aléatoire.
Chaque fois qu'un grain se forme, il existe une possibilité de défauts de ligne. Ces défauts sont des parties manquantes de la structure cristalline appelées dislocations. Ces dislocations et leur mouvement ultérieur à travers le grain et à travers les joints de grains sont fondamentaux pour la ductilité du métal.
Une section transversale de la pièce est montée, meulée, polie et gravée pour visualiser la structure du grain. Lorsqu'elles sont uniformes et équiaxes, les microstructures observées sur un microscope optique ressemblent un peu à un puzzle. En réalité, les grains sont tridimensionnels et la section transversale de chaque grain varie en fonction de l'orientation de la section transversale de la pièce.
Lorsqu'une structure cristalline est remplie de tous ses atomes, il n'y a pas de place pour un autre mouvement que l'étirement des liaisons atomiques.
Lorsque vous supprimez la moitié d'une rangée d'atomes, vous créez une opportunité pour une autre rangée d'atomes de se glisser dans cette position, déplaçant ainsi efficacement la dislocation. Lorsqu'une force est appliquée à la pièce, le mouvement agrégé des dislocations dans la microstructure lui permet de se plier, de s'étirer ou de se comprimer sans se casser ni se rompre.
Lorsqu'une force agit sur un alliage métallique, le système augmente l'énergie. Si suffisamment d'énergie est ajoutée pour provoquer une déformation plastique, le réseau se déforme et de nouvelles dislocations se forment. Il semble logique que cela augmente la ductilité, car cela libère plus d'espace et crée ainsi le potentiel pour plus de mouvement de dislocation. Cependant, lorsque les dislocations entrent en collision, elles peuvent se fixer les unes les autres.
À mesure que le nombre et la concentration des dislocations augmentent, de plus en plus de dislocations sont fixées ensemble, ce qui réduit la ductilité. Finalement, tant de dislocations apparaissent que le formage à froid n'est plus possible. Étant donné que les dislocations de fixation existantes ne peuvent plus bouger, les liaisons atomiques dans le réseau s'étirent jusqu'à ce qu'elles se rompent ou se brisent. C'est pourquoi les alliages métalliques durcissent et pourquoi il existe une limite à la quantité de déformation plastique qu'un métal peut supporter avant de se rompre.
Le grain joue également un rôle important dans le recuit. Le recuit d'un matériau écroui réinitialise essentiellement la microstructure et restaure ainsi la ductilité. Pendant le processus de recuit, les grains sont transformés en trois étapes :
Imaginez une personne marchant dans un wagon bondé. Les foules ne peuvent être comprimées qu'en laissant des espaces entre les rangées, comme des dislocations dans un treillis. Au fur et à mesure qu'elles progressaient, les personnes derrière elles remplissaient le vide qu'elles avaient laissé, tandis qu'elles créaient un nouvel espace devant. Une fois qu'elles atteignent l'autre extrémité du wagon, la disposition des passagers change. Si trop de personnes tentent de passer en même temps, les passagers essayant de faire de la place pour leur mouvement entreront en collision les uns avec les autres et heurteront les parois des wagons, immobilisant tout le monde. Plus il y a de dislocations, plus il leur est difficile de se déplacer en même temps.
Il est important de comprendre le niveau minimum de déformation requis pour déclencher la recristallisation. Cependant, si le métal n’a pas suffisamment d’énergie de déformation avant d’être chauffé, la recristallisation ne se produira pas et les grains continueront simplement à croître au-delà de leur taille d’origine.
Les propriétés mécaniques peuvent être ajustées en contrôlant la croissance des grains. Un joint de grain est essentiellement un mur 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. Plus de joints de grains signifie moins de mouvement de dislocation et une résistance plus élevée.
Si la croissance des grains n'est pas limitée, la structure des grains devient plus grossière, les grains sont plus gros, les limites sont moindres et la résistance est plus faible.
La taille des grains est souvent appelée un nombre sans unité, 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 taille des grains. Elle consiste à compter la quantité de grains dans une zone donnée. Cela se fait généralement en coupant une section transversale de la matière première, en la broyant et en la polissant, puis en la gravant avec de l'acide pour exposer les particules. Le comptage est effectué au microscope et le grossissement permet un échantillonnage adéquat des grains. L'attribution de numéros de taille de grain ASTM indique un niveau raisonnable d'uniformité dans la forme et le diamètre des grains. Il peut même être avantageux de limiter la variation de la taille des grains à deux ou trois points pour garantir des performances constantes sur toute la pièce.
Dans le cas de l'écrouissage, la résistance et la ductilité ont une relation inverse. La relation entre la taille des grains ASTM et la résistance a tendance à être positive et forte, généralement l'allongement est inversement proportionnel à la taille des grains ASTM. Cependant, une croissance excessive des grains peut empêcher les matériaux « très mous » de durcir efficacement.
La taille des grains est souvent appelée un nombre sans unité, compris entre 5 et 15. Il s'agit d'un rapport relatif et lié au diamètre moyen des grains. Plus la valeur de la taille des grains ASTM est élevée, plus il y a de grains par unité de surface.
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'alliage d'acier inoxydable austénitique 301 se situe entre 1 900 et 2 050 degrés Fahrenheit. Il commencera à fondre vers 2 550 degrés Fahrenheit. En revanche, le titane de qualité 1 commercialement pur doit être recuit à 1 292 degrés Fahrenheit et fondre vers 3 000 degrés Fahrenheit.
Pendant le recuit, les processus de récupération et de recristallisation se font concurrence jusqu'à ce que les grains recristallisés consomment tous les grains déformés. Le taux de recristallisation varie en fonction de 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 pendant une heure aura une structure de grain plus fine que la même pièce recuite à 2 000 °F 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 de grains anciens et nouveaux. Si des propriétés uniformes sont souhaitées dans tout le métal, le processus de recuit doit viser à obtenir une structure de grains équiaxe 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 doit refroidir à la même vitesse. Cela n'est pas toujours facile ou possible avec le recuit par lots, il est donc important d'attendre au moins que la pièce entière soit saturée à la bonne température avant de calculer le temps de trempage. Des temps de trempage plus longs et des températures plus élevées donneront une structure de grain plus grossière/un matériau plus mou et vice versa.
Si la taille des grains et la résistance sont liées et que la résistance est connue, pourquoi calculer les grains, n'est-ce pas ? Tous les essais destructifs présentent une variabilité. Les essais de traction, en particulier à faible épaisseur, dépendent en grande partie de la préparation des échantillons. Les résultats de résistance à la traction qui ne représentent pas les propriétés réelles du matériau peuvent subir une défaillance prématurée.
Si les propriétés ne sont pas uniformes sur toute la pièce, le prélèvement d'un échantillon ou d'un échantillon d'essai de traction sur un bord peut ne pas donner une idée complète. La préparation et les tests des échantillons peuvent également prendre du temps. Combien de tests sont possibles pour un métal donné et dans combien de directions est-ce faisable ? L'évaluation de la structure du grain est une assurance supplémentaire contre les surprises.
Anisotrope, isotrope. L'anisotropie fait référence à la directionnalité des propriétés mécaniques. En plus de la résistance, l'anisotropie peut être mieux comprise en examinant la structure des grains.
Une structure de grain uniforme et équiaxe doit être isotrope, ce qui signifie qu'elle a les mêmes propriétés dans toutes les directions. L'isotropie est particulièrement importante dans les processus d'emboutissage profond où la concentricité est critique. Lorsque l'ébauche est tirée dans le moule, le matériau anisotrope ne s'écoule pas uniformément, ce qui peut entraîner un défaut appelé boucle d'oreille. La boucle d'oreille se produit là où la partie supérieure de la coupelle forme une silhouette ondulée. L'examen de la structure du grain peut révéler l'emplacement des inhomogénéités dans la pièce et aider à diagnostiquer la cause première.
Un recuit approprié est essentiel pour obtenir l'isotropie, mais il est également important de comprendre l'étendue de la déformation avant le recuit. À mesure que le matériau se déforme plastiquement, les grains commencent à se déformer. Dans le cas du laminage à froid, en convertissant l'épaisseur en longueur, les grains s'allongeront dans le sens du laminage. À mesure que le rapport d'aspect des grains change, l'isotropie et les propriétés mécaniques globales changent également. Dans le cas de pièces fortement déformées, une certaine orientation peut être conservée même après le recuit. Cela entraîne une anisotropie. Pour les matériaux emboutis en profondeur, il est parfois nécessaire de limiter la quantité de déformation avant le recuit final pour éviter l'usure.
La peau d'orange. Le ramassage n'est pas le seul défaut d'emboutissage profond associé à la matrice. La peau d'orange se produit lorsque des matières premières contenant des particules trop grossières sont embouties. Chaque grain se déforme indépendamment et en fonction de son orientation cristalline. La différence de déformation entre les grains adjacents donne un aspect texturé similaire à la peau d'orange. La texture est la structure granulaire révélée à la surface de la paroi de la coupelle.
Tout comme les pixels sur un écran de télévision, avec une structure à grain fin, la différence entre chaque grain sera moins perceptible, augmentant ainsi efficacement la résolution. La spécification des propriétés mécaniques seules peut ne pas suffire à garantir une taille de grain suffisamment fine pour éviter l'effet peau d'orange. Lorsque la variation dimensionnelle de la pièce est inférieure à 10 fois le diamètre du grain, les propriétés des grains individuels détermineront le comportement de formage. Il ne se déforme pas de manière égale sur de nombreux grains, mais reflète la taille et l'orientation spécifiques de chaque grain. Cela peut être vu à partir de l'effet peau d'orange sur les parois des coupelles étirées.
Pour une granulométrie ASTM de 8, le diamètre moyen des grains 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 causer des problèmes d'emboutissage profond, ils sont parfois recommandés pour l'impression. L'emboutissage est un processus de déformation dans lequel une ébauche est comprimée pour lui conférer une topographie de surface souhaitée, comme un quart des contours du visage de George Washington. Contrairement au tréfilage, l'emboutissage n'implique généralement pas beaucoup de flux de matière en vrac, mais nécessite beaucoup de force, ce qui peut simplement déformer la surface de l'ébauche.
Pour cette raison, minimiser la contrainte d'écoulement de surface en utilisant une structure de grain plus grossière peut aider à alléger les forces nécessaires au remplissage correct du moule. Cela est particulièrement vrai pour l'impression à matrice libre, où les dislocations sur les grains de surface peuvent s'écouler librement, plutôt que de s'accumuler aux limites des 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 pour éviter les défauts courants et optimiser les paramètres de moulage.
Les fabricants de machines d'emboutissage de précision et d'opérations d'emboutissage profond sur métal pour former leurs pièces travailleront bien avec des métallurgistes sur des re-laminoirs de précision techniquement qualifiés qui peuvent les aider à optimiser les matériaux jusqu'au niveau du grain. Lorsque les experts en métallurgie et en ingénierie des deux côtés de la relation sont intégrés dans une seule équipe, cela peut avoir un impact transformateur et produire des résultats plus positifs.
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