Processus de travail à froid et de recuit

Bienvenue sur la page Web éducative de Travail à froid & Recuit!

Cette page Web a été créée pour offrir aux étudiants de niveau collégial une brève introduction au processus de travail à froid et de recuit fréquemment utilisé dans les industries de fabrication de métaux. Une partie du contenu de cette page Web peut dépasser le cadre de l’enseignement des sciences des matériaux du lecteur; la page Textes recommandés pour une éducation supplémentaire répertorie deux excellentes sources pour une introduction plus approfondie à la science des matériaux.

Contexte de la limite d’élasticité et de l’écrouissage

Une caractéristique de tout métal est la limite d’élasticité. La limite d’élasticité d’un métal est la contrainte à laquelle ce métal commence à se déformer plastiquement. Les contraintes inférieures à la limite d’élasticité déformeront élastiquement le matériau. Si la contrainte est supprimée, le métal reprendra sa forme d’origine après avoir été contraint élastiquement. En règle générale, le chargement d’un métal au-delà de sa limite d’élasticité est défavorable; éviter la limite d’élasticité d’un métal est une considération de conception primaire. Néanmoins, une étude de la modification de la microstructure d’un métal après déformation a montré que les propriétés mécaniques de ce métal changent également. En particulier, les essais de traction montrent qu’un échantillon métallique chargé au-delà de sa limite d’élasticité durcit généralement.

Lorsqu’un métal est déformé plastiquement, des dislocations d’atomes se produisent à l’intérieur du matériau. En particulier, les dislocations se produisent à travers ou à l’intérieur des grains du métal. Les dislocations se superposent et la densité de dislocations à l’intérieur du matériau augmente. L’augmentation des dislocations en chevauchement excessif rend le mouvement de nouvelles dislocations plus difficile. De plus, la limite d’élasticité du métal augmente réellement après que le métal a été déformé plastiquement. De plus, la région élastique augmente également et la déformation plastique nécessite une nouvelle limite d’élasticité accrue. La ductilité d’un métal diminue après durcissement par déformation et le métal devient plus rigide. Grâce au renforcement précité, il est évident que les propriétés mécaniques d’un métal peuvent être manipulées par écrouissage. Une méthode courante de durcissement par déformation est connue sous le nom de travail à froid.

Les modifications apportées à un métal par travail à froid peuvent être inversées en soumettant ce métal à une température particulière pendant une durée donnée. Ce processus est connu sous le nom de recuit.

Travail à froid

Le travail à froid consiste à déformer plastiquement un matériau à une température inférieure à sa température de recristallisation. La température de recristallisation d’un matériau est la température à laquelle de nouveaux grains à faible densité de dislocation commencent à remplacer les grains à forte densité de dislocation.

Le travail à froid est un mécanisme de renforcement utile en vertu de l’écrouissage, mais le travail à froid est également utile pour le façonnage des matériaux.

Dans cette expérience, des échantillons de métal ont été laminés à froid, une forme de travail à froid dans laquelle un échantillon de métal est forcé à travers deux rouleaux qui ont un espace entre eux. Le laminage à froid est souvent utilisé dans le commerce pour produire des tôles, des plaques et des barres.

Lorsqu’un métal est laminé à froid, il est déformé plastiquement au fur et à mesure qu’il est forcé entre les deux rouleaux. Le métal est comprimé par les rouleaux et la déformation plastique est dans le sens du laminage. Contrairement à un essai de traction, aucun étranglement ne se produit dans l’échantillon métallique.

Des échantillons de métal ont été laminés à froid dans cette expérience afin d’étudier les effets de l’écrouissage.

Une mesure de la quantité de travail à froid qu’un matériau reçu est nécessaire si une enquête sur le changement de propriété mécanique est souhaitée. La variation de la section transversale d’un échantillon métallique qui a subi un travail à froid est un moyen de mesure. Cette mesure du changement de section transversale est connue sous le nom de « pourcentage de travail à froid ». L’équation 1 ci-dessous illustre le pourcentage de travail à froid.

Où A0 et Af sont la section transversale initiale et finale de l’échantillon, respectivement. Pour le laminage à froid en particulier, l’équation 1 est utilisée par rapport à l’épaisseur au lieu de la surface. Cette mesure de laminage à froid est connue sous le nom de « réduction du pourcentage de froid ». L’équation 2 ci-dessous illustre cette expression de laminage à froid.

Où t0 et tf sont respectivement l’épaisseur initiale et l’épaisseur finale de l’échantillon.

Le travail à froid augmente la résistance d’un matériau, mais diminue sa ductilité et sa conductivité électrique. De plus, des contraintes résiduelles sont introduites dans le matériau en raison du chevauchement excessif et de l’enchevêtrement des dislocations.

Recuit

Les métaux sont travaillés à froid afin de changer de forme. Un matériau perd de sa ductilité lorsqu’il est travaillé à froid ou de plus, laminé à froid. Si l’on souhaite restaurer partiellement ou totalement un matériau travaillé à froid à ses propriétés d’origine, on peut recuire le matériau. Le recuit est effectué en chauffant un matériau; dans ce cas, le matériau est un métal. Il y a trois étapes de recuit et chaque étape produit des résultats différents. Les trois étapes du recuit sont la récupération, la recristallisation et la croissance des grains.

Récupération

L’étape de récupération est la première étape du recuit. Cette étape se produit lorsque le métal est d’abord soumis à la chaleur. La densité de dislocation et la distorsion des grains dans le matériau sont peu affectées par cette étape de recuit. Cependant, l’étape de récupération élimine la plupart des contraintes résiduelles dans le matériau. On peut penser à cela comme la chaleur relaxant la tension accumulée dans le matériau. Une grande conductivité électrique est également restaurée dans le matériau. L’étape de récupération permet aux dislocations de se déplacer légèrement et de former ce que l’on appelle la structure de sous-grain polygonisée.

Recristallisation

Lorsqu’un matériau travaillé à froid est soumis à une température égale ou supérieure à sa température de recristallisation, de nouveaux grains commencent à se nucléer à partir des limites cellulaires créées par la structure de sous-grain polygonisée. Cette nucléation élimine la plupart des dislocations dans le matériau travaillé.

Croissance des grains

Lorsque la température soumise est élevée, les grains poussent et une fine structure de grain recristallisée est produite. Les grains plus gros et à croissance rapide consomment les grains plus petits dans le processus. Tous les effets du travail à froid sont éliminés à ce stade. La croissance des grains peut nuire aux propriétés du matériau et peut généralement produire un aspect de surface rugueux sur les composants formés à partir de tôle.

Temps et température

On constate que les variations de température ont une influence beaucoup plus forte sur le recuit des métaux que les variations de temps. Le temps de recuit standard est d’une heure; seule la température est modifiée. La température de recuit dépend de l’épaisseur, de la composition et de la géométrie du composant.

Température de recuit et énergie d’activation

La température de recuit minimale pour un effet réel du recuit est d’environ un tiers à la moitié du point de fusion de l’échantillon de matériau. Parce qu’il y a une température minimale, le processus de recuit est régi par une équation de vitesse d’Arrhenius. Comme il est difficile de mesurer la recristallisation, le temps de recristallisation de 50% est mesuré comme le temps auquel le métal atteint la moitié de sa dureté d’origine.

Laisser un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée.