Qu’est-ce que le renforcement/durcissement des précipitations ? – ExtruDesign

Qu'est-ce que le renforcement/durcissement des précipitations

Le renforcement/durcissement par précipitation est une technique de traitement thermique utilisée pour augmenter la limite d’élasticité de nombreux alliages métalliques. Surtout les métaux malléables tels que les alliages d’aluminium, de magnésium, de nickel, de titane, et certains aciers et aciers inoxydables. Le durcissement par précipitation est également appelé durcissement par vieillissement ou durcissement des particules. Discutons plus en détail de ce qu’est le renforcement / durcissement des précipitations.

Qu'est-ce que le renforcement/durcissement des précipitations

Renforcement par précipitation d’un alliage binaire généralisé

Le renforcement par précipitation a pour but de créer dans un alliage traité thermiquement une dispersion dense et fine de particules précipitées dans une matrice de métal déformable.

Les particules précipitées agissent comme des obstacles au mouvement de dislocation et renforcent ainsi l’alliage traité thermiquement. Le processus de renforcement par précipitation peut être expliqué de manière générale en se référant au diagramme de phase binaire des métaux A et B illustré ci-dessous dans la figure 1.

Diagramme de phase binaire pour deux métaux A et B ayant une solution solide terminale α qui a une solubilité solide décroissante de B dans A avec une température décroissante.
Figure 1 : Diagramme de phase binaire pour deux métaux A et B ayant une solution solide terminale α qui a une solubilité solide décroissante de B dans A avec une température décroissante.

Pour qu’un système d’alliage puisse être renforcé par précipitation pour certaines compositions d’alliage, il doit y avoir une solution solide terminale qui a une solubilité solide décroissante à mesure que la température diminue.

Le diagramme de phase ci-dessus montre ce type de diminution de la solubilité solide dans la solution solide terminale α en allant du point a au point b le long du solvus indiqué.

Considérons maintenant le renforcement par précipitation d’un alliage de composition x1 du diagramme de phase ci-dessus. On choisit la composition de l’alliage x1 car il y a une forte diminution de la solubilité solide de la solution solide α en diminuant la température de T2 à T3.

Le processus de renforcement par précipitation comprend les trois étapes de base suivantes :

  1. Traitement thermique en solution est la première étape du processus de renforcement par précipitation. Parfois, ce traitement est appelé mise en solution. L’échantillon d’alliage, qui peut être sous forme forgée ou coulée, est chauffé à une température comprise entre les températures de solvus et de solidus et y est trempé jusqu’à ce qu’une structure uniforme de solution solide soit produite. La température T1 au point c de la figure 9.40 est sélectionnée pour notre alliage x car elle se situe à mi-chemin entre les limites de phase solvus et solidus de la solution solide α.
  2. Trempe est la deuxième étape du processus de renforcement par précipitation. L’échantillon est rapidement refroidi à une température inférieure, généralement la température ambiante, et le milieu de refroidissement est généralement de l’eau à température ambiante. La structure de l’échantillon d’alliage après trempe à l’eau consiste en une solution solide sursaturée. La structure de notre alliage x1 après trempe à la température T3 au point d du diagramme de phase ci-dessus consiste donc en une solution solide sursaturée de la phase α.
  3. Vieillissement est la troisième étape fondamentale du processus de renforcement par précipitation. Le vieillissement de l’échantillon d’alliage traité thermiquement et trempé en solution est nécessaire pour qu’un précipité finement dispersé se forme. La formation d’un précipité finement dispersé dans l’alliage est l’objectif du processus de renforcement par précipitation. Le précipité fin dans l’alliage empêche le mouvement des dislocations pendant la déformation en forçant les dislocations soit à couper à travers les particules précipitées, soit à les contourner. En limitant le mouvement des dislocations lors de la déformation, l’alliage est renforcé.

Le vieillissement de l’alliage à température ambiante est appelé vieillissement naturel, tandis que le vieillissement à des températures élevées est appelé vieillissement artificiel.

La plupart des alliages nécessitent un vieillissement artificiel, et la température de vieillissement est généralement comprise entre environ 15% et 25% de la différence de température entre la température ambiante et la température de traitement thermique de mise en solution.

Produits de décomposition créés par le vieillissement de la solution solide sursaturée

Un alliage durcissable par précipitation dans l’état de solution solide sursaturée est dans un état de haute énergie, comme indiqué schématiquement par le niveau d’énergie 4, comme indiqué dans la figure ci-dessous.

Précipitation Renforcement/Durcissement
Figure 2 : Les produits de décomposition sont créés par le vieillissement d’une solution solide sursaturée d’un alliage durcissable par précipitation. Le niveau d’énergie le plus élevé correspond à la solution solide sursaturée et le niveau d’énergie le plus bas correspond au précipité à l’équilibre. L’alliage peut passer spontanément d’un niveau d’énergie supérieur à un niveau inférieur s’il existe une énergie d’activation suffisante pour la transformation et si les conditions cinétiques sont favorables.
  • Cet état énergétique est relativement instable, et l’alliage tend à rechercher un état énergétique inférieur par la décomposition spontanée de la solution solide sursaturée en phases métastables ou phases d’équilibre.
  • Le moteur de la précipitation des phases métastables ou phase d’équilibre est la baisse de l’énergie du système lors de la formation de ces phases.
  • Lorsque la solution solide sursaturée de l’alliage durcissable par précipitation est vieillie à une température relativement basse où seule une petite quantité d’énergie d’activation est disponible, des amas d’atomes séparés appelés zones de précipitation ou zones GP se forment.
  • Pour le cas de notre alliage AB du diagramme de phase ci-dessus (figure 1), les zones seront des régions enrichies en atomes B dans une matrice principalement d’atomes A.
  • La formation de ces zones dans la solution solide sursaturée est indiquée par le schéma circulaire au niveau d’énergie inférieur 3 de la figure 2.
  • Lors d’un vieillissement supplémentaire et si une énergie d’activation suffisante est disponible (du fait que la température de vieillissement est suffisamment élevée), les zones se développent ou sont remplacées par un précipité métastable intermédiaire plus grossier (de plus grande taille), indiqué par le croquis circulaire à l’alambic. -niveau d’énergie inférieur 2.
  • Enfin, si le vieillissement est poursuivi (généralement une température plus élevée est nécessaire) et si une énergie d’activation suffisante est disponible, le précipité intermédiaire est remplacé par le précipité à l’équilibre indiqué par le niveau d’énergie 1 encore plus faible de la figure 2.

L’effet du temps de vieillissement sur la résistance et la dureté d’un alliage durcissable par précipitation qui a été traité thermiquement en solution et trempé

L’effet du vieillissement sur le renforcement d’un alliage durcissable par précipitation qui a été traité thermiquement en solution et trempé est généralement présenté sous la forme d’une courbe de vieillissement. La courbe de vieillissement est un tracé de la résistance ou de la dureté en fonction du temps de vieillissement (généralement sur une échelle logarithmique) à une température particulière. La figure 3 ci-dessous montre une courbe de vieillissement schématique.

Courbe de vieillissement schématique (résistance ou dureté en fonction du temps) à une température particulière pour un alliage durcissable par précipitation
Figure 3 : Courbe de vieillissement schématique (résistance ou dureté en fonction du temps) à une température particulière pour un alliage durcissable par précipitation

Au temps zéro, la concentration de la solution solide sursaturée est indiquée sur l’axe des ordonnées du tracé. Au fur et à mesure que le temps de vieillissement augmente, des zones de précipitation se forment, leur taille augmente et l’alliage devient plus résistant, plus dur et moins ductile (Fig. 3).

Une résistance maximale (condition de vieillissement maximale) est finalement atteinte si la température de vieillissement est suffisamment élevée, ce qui est généralement associé à la formation d’un précipité métastable intermédiaire. Si le vieillissement se poursuit de manière à ce que le précipité intermédiaire fusionne et grossisse, l’alliage vieillit et devient plus faible que dans l’état de vieillissement maximal (Fig. 3).

Renforcement par précipitation (durcissement) d’un alliage Al–4% Cu

examiner les changements de structure et de dureté qui se produisent pendant le traitement thermique par précipitation de l’alliage aluminium-cuivre à 4 %.

Extrémité riche en aluminium du diagramme de phase aluminium-cuivre
Figure 4 : Extrémité riche en aluminium du diagramme de phases aluminium-cuivre

La séquence de traitement thermique pour le renforcement par précipitation de cet alliage est :

  1. Traitement thermique de mise en solution : L’alliage Al–4 % Cu est mis en solution à environ 515 °C (voir le diagramme de phase Al–Cu de la figure 4).
  2. Trempe : L’alliage traité thermiquement en solution est rapidement refroidi dans de l’eau à température ambiante.
  3. Vieillissement : L’alliage après mise en solution et trempe subit un vieillissement artificiel entre 130°C et 190°C.

Structures formées lors du vieillissement de l’alliage Al–4% Cu

Dans le renforcement par précipitation des alliages Al–4% Cu, cinq structures séquentielles peuvent être identifiées :

(1) solution solide sursaturée α,
(2) zone GP1,
(3) Zones GP2 (appelées aussi phase θ″),
(4) phase θ′, et
(5) Phase θ, CuAl2.

Toutes ces phases ne peuvent pas être produites à toutes les températures de vieillissement. Les zones GP1 et GP2 sont produites à des températures de vieillissement plus basses et les phases θ’ et θ se produisent à des températures plus élevées.

Zones GP1 : Ces zones de précipitation se forment à des températures de vieillissement plus basses et sont créées par la ségrégation des atomes de cuivre dans la solution solide sursaturée α. Les zones GP1 sont constituées de régions ségrégées en forme de disques de quelques atomes d’épaisseur (0,4 à 0,6 nm) et d’environ 8 à 10 nm de diamètre, et elles se forment sur les plans cubiques {100} de la matrice. Comme les atomes de cuivre ont un diamètre d’environ
11% de moins que ceux en aluminium, le réseau matriciel autour des zones est tendu tétragonalement. Les zones GP1 sont dites cohérentes avec le réseau matriciel puisque les atomes de cuivre remplacent simplement les atomes d’aluminium dans le réseau ci-dessous figure 5. Les zones GP1 sont détectées au microscope électronique par les champs de contraintes qu’elles créent.

Comparaison schématique de la nature de (a) un précipité cohérent (b) un précipité incohérent.
Figure 5 : Comparaison schématique de la nature des
(a) un précipité cohérent
(b) un précipité incohérent.
Le précipité cohérent est associé

Zones GP2 (phase θ″) : Ces zones ont également une structure tétragonale et sont cohérentes avec le {100} de la matrice de l’alliage Al–4% Cu. Leur taille varie d’environ 1 à 4 nm d’épaisseur à 10 à 100 nm de diamètre au fur et à mesure du vieillissement. phase θ′. Cette phase nuclée de manière hétérogène, notamment sur les luxations, et est incohérente avec la matrice. (Un précipité incohérent est un précipité dans lequel la particule précipitée a une structure cristalline distincte différente de la matrice [Figure 5a]). La phase θ’ a une structure tétragonale d’une épaisseur de 10 à 150 nm. phase θ. La phase d’équilibre θ est incohérente et a la composition CuAl2. Cette phase a une structure BCT (a = 0,607 nm et c = 0,487 nm) et se forme à partir de θ’ ou directement à partir de la matrice.

La séquence générale de précipitation dans les alliages binaires aluminium-cuivre peut être représentée par
Solution solide sursaturée → zones GP1 → zones GP2 (phase θ″) → θ′→ θ (CuAl2)

Corrélation des structures et de la dureté dans un alliage Al–4% Cu

Les courbes de dureté en fonction du temps de vieillissement pour un alliage Al–4% Cu vieilli à 130°C et 190°C sont présentées dans
ci-dessous figure 6. A 130°C, des zones GP1 se forment et augmentent la dureté de l’alliage en empêchant le mouvement des dislocations. Un vieillissement supplémentaire à 130°C crée des zones GP2 qui augmentent encore la dureté en rendant encore plus difficile le mouvement des luxations.

Corrélation des structures et de la dureté de l'alliage Al–4 % Cu vieilli à 130°C et 190°C
Figure 6 : Corrélation des structures et de la dureté de l’alliage Al–4 % Cu vieilli à 130°C et 190°C

Un maximum de dureté est atteint avec encore plus de temps de vieillissement à 130°C lorsque θ′ se forme. Le vieillissement au-delà du pic de dureté dissout les zones GP2 et grossit la phase θ’, provoquant une diminution de la dureté de l’alliage. Les zones GP1 ne se forment pas lors du vieillissement à 190°C dans l’alliage Al–4% Cu puisque cette température est supérieure au solvus GP1. Avec de longs temps de vieillissement à 190°C, la phase d’équilibre θ se forme.

Résolvons un exemple de problème pour calculer le pourcentage de poids.

Exemple de problème pour calculer le pourcentage en poids d’un alliage d’aluminium

Calculez le pourcentage en poids théorique de la phase θ qui pourrait se former à 27 °C (température ambiante) lorsqu’un échantillon d’alliage Al–4,50 % en poids de Cu est très lentement refroidi à partir de 548 °C. Supposons que la solubilité solide de Cu dans Al à 27 °C est de 0,02 % en poids et que la phase θ contient 54,0 % en poids de Cu.

Répondre:

Tout d’abord, nous traçons une ligne de liaison xy sur le diagramme de phase Al – Cu à 27 ° C entre les phases α et θ, comme illustré à la figure 7a.

Précipitation Renforcement/Durcissement
Figure 7a Diagramme de phase Al–Cu avec la ligne de raccordement xy indiquée à 27 °C et le point z situé à 4,5 % Cu.
Figure 7b Ligne de liaison isolée xy indiquant le segment xz comme représentant la fraction pondérale de la phase θ.

Ensuite, nous indiquons le point de composition Cu à 4,5 % en z.

Le rapport xz divisé par l’ensemble de la ligne de liaison xy, comme indiqué ci-dessus sur la figure 7b, donne la fraction pondérale de la phase θ.

Ainsi,

θ% en poids = [(4.50− 0.02) / (54.0 − 0.02)] × (100 %)
θ % en poids = 4,48 / 53,98 (100 %)
θ % en poids = 8,3 %