Comment améliorer la résistance de l'acier ?

La résistance de l'acier fait référence à la capacité de déformation et de rupture des matériaux métalliques sous l'action d'une force extérieure, qui comprend généralement la résistance à la traction, la résistance à la flexion et la résistance à la compression. Plus l'acier est résistant aux forces extérieures, plus il est solide. Comment améliorer la résistance de l'acier ?

Solution Srenforcement

La solution solide d'éléments d'alliage dans le métal de la matrice provoque une certaine distorsion du réseau et augmente la résistance de l'alliage. La distorsion du réseau augmente la résistance au mouvement des dislocations et rend le glissement difficile, augmentant ainsi la résistance et la dureté de la solution solide de l'alliage. Ce phénomène de renforcement d'un métal par dissolution dans un élément soluté pour former une solution solide est appelé renforcement par solution solide.

La résistance et la dureté du matériau augmentent avec la concentration adéquate d'atomes de soluté, mais la ténacité et la plasticité diminuent. Plus la fraction atomique de l'atome de soluté est élevée, plus la différence de taille atomique entre l'atome de soluté et le métal de la matrice est grande, et plus le renforcement est important. 

Les atomes de soluté interstitiels ont un effet de renforcement de la solution plus important que les atomes substitutifs, et l'effet de renforcement des atomes interstitiels est plus important que celui des cristaux cubiques à faces centrées parce que la distorsion du réseau des atomes interstitiels dans les cristaux cubiques à corps centré est asymétrique. Toutefois, la solubilité solide des atomes interstitiels est très limitée et l'effet de renforcement réel est également limité. Plus la différence du nombre d'électrons de valence entre l'atome de soluté et le métal du substrat est importante, plus le renforcement de la solution est évident, c'est-à-dire que la limite d'élasticité de la solution solide augmente avec l'augmentation de la concentration des électrons de valence.

Durcissement au travail

Avec l'augmentation de la déformation à froid, la résistance et la dureté des matériaux métalliques augmentent, mais la plasticité et la ténacité diminuent. L'écrouissage est le phénomène par lequel la résistance et la dureté des matériaux métalliques augmentent tandis que la plasticité et la ténacité diminuent pendant la déformation plastique en dessous de la température de recristallisation. Parce que le métal dans la déformation plastique, le glissement des grains, la dislocation provoque l'allongement des grains, la fragmentation et la fibrose, la contrainte résiduelle interne du métal. L'écrouissage est généralement exprimé par le rapport entre la microdureté de la couche superficielle après l'usinage et avant l'usinage et la profondeur de la couche d'écrouissage.

L'écrouissage peut améliorer les performances de coupe de l'acier à faible teneur en carbone et faciliter la séparation des copeaux, mais il pose des problèmes pour l'usinage ultérieur des pièces métalliques. Par exemple, dans le processus de fabrication des plaques d'acier laminées à froid et des fils d'acier étirés à froid, la consommation d'énergie de l'étirage est accrue et même cassée, de sorte qu'il faut passer par un recuit intermédiaire pour éliminer l'écrouissage. Dans le processus de coupe, la surface de la pièce devient cassante et dure, ce qui augmente la force de coupe et accélère l'usure de l'outil, etc.

Il améliore la résistance, la dureté et la résistance à l'usure des aciers, en particulier pour les métaux purs et certains alliages dont la résistance ne peut être améliorée par un traitement thermique. Les fils d'acier à haute résistance tréfilés à froid et les ressorts enroulés à froid, par exemple, utilisent la déformation par traitement à froid pour améliorer la résistance et la limite d'élasticité. Les chenilles des chars d'assaut, des tracteurs et des aiguillages de chemin de fer utilisent également l'écrouissage pour améliorer leur dureté et leur résistance à l'usure.

Renforcement du grain fin

La méthode consistant à améliorer les propriétés mécaniques du métal en affinant le grain est appelée renforcement du grain fin. Nous savons qu'un métal est un polycristal composé de nombreux grains, et que la taille des grains peut être exprimée par le nombre de grains par unité de volume. Plus ce nombre est élevé, plus les grains sont fins. Les expériences montrent que le métal à grains fins présente une résistance, une dureté, une plasticité et une ténacité plus élevées que le métal à gros grains à température normale. Cela s'explique par le fait que les grains fins peuvent être dispersés en un plus grand nombre de grains lorsque la déformation plastique se produit sous l'effet d'une force externe, de sorte que la déformation plastique est plus uniforme et que la concentration de contraintes est faible.

En outre, plus le grain est fin, plus la zone du joint de grain est grande, et plus le joint de grain est tortueux, plus la propagation de la fissure est désavantageuse. Par conséquent, la méthode industrielle visant à améliorer la résistance du matériau en affinant le grain est appelée renforcement du grain fin. Plus les joints de grains sont nombreux, plus la concentration de contraintes est faible et plus la limite d'élasticité du matériau est élevée. Les méthodes d'affinage du grain comprennent : l'augmentation du degré de surfusion ;

Traitement métamorphique ;

Vibration et agitation ;

Les métaux déformés à froid peuvent être affinés en contrôlant le degré de déformation et la température de recuit.

Deuxième phase de renforcement

En plus de la phase matricielle, la seconde phase existe dans l'alliage multiphasé par rapport à l'alliage monophasé. Lorsque la seconde phase est distribuée uniformément dans la phase matricielle sous forme de particules finement dispersées, l'effet de renforcement est significatif. Ce renforcement est appelé renforcement de la seconde phase. Pour le mouvement des dislocations, la seconde phase de l'alliage présente les deux conditions suivantes : (1) renforcement par une particule indéformable (mécanisme de contournement). (2) L'effet de renforcement des particules déformables (mécanisme de coupe).

Le renforcement par dispersion et le renforcement par précipitation appartiennent tous deux aux cas particuliers du renforcement de la seconde phase. La raison principale du renforcement de la deuxième phase est l'interaction entre celle-ci et la dislocation, qui entrave le mouvement de la dislocation et augmente la résistance à la déformation de l'alliage.

En général, l'élément le plus important qui affecte la résistance est la composition du métal lui-même, la structure organisationnelle et l'état de surface, suivis par l'état de contrainte, comme la vitesse de la force de traction, la méthode de chargement, l'étirement simple ou la contrainte répétée, ils présenteront une résistance différente ; en outre, la forme et la taille du métal et le milieu d'essai ont également un effet, parfois même décisif, comme la résistance à la traction des aciers à très haute résistance peut être réduite de manière exponentielle dans une atmosphère d'hydrogène.

Il y a deux façons principales d'améliorer la résistance : l'une consiste à améliorer la force de liaison interatomique de l'alliage pour améliorer sa résistance théorique, et à produire un cristal complet sans défauts tels que les trichites. La résistance des whiskers de fer connus est proche de la valeur théorique, ce qui peut être supposé être dû à l'absence de dislocations dans les whiskers ou au fait qu'ils ne contiennent qu'un petit nombre de dislocations qui ne peuvent pas proliférer pendant la déformation. Toutefois, lorsque le diamètre du whiskers est important, la résistance diminue fortement. Deuxièmement, un grand nombre de défauts cristallins sont introduits dans le cristal, tels que des dislocations, des défauts ponctuels, des atomes hétérogènes, des joints de grains, des particules fortement dispersées ou des inhomogénéités (telles que la ségrégation), etc. Ces défauts entravent le mouvement des dislocations et améliorent considérablement la résistance du métal. Ces défauts entravent le mouvement des dislocations et améliorent considérablement la résistance du métal. Cette méthode s'est avérée la plus efficace pour augmenter la résistance du métal.