Comment les structures de grain du titane et de l'acier inoxydable affectent-elles la formation des pièces ?

Des avantages peuvent être obtenus en examinant une couche plus profondément dans la structure du grain qui régit le comportement mécanique de l'acier inoxydable. Getty Images

La sélection des alliages d'acier inoxydable et d'aluminium est souvent centrée sur la résistance, la ductilité, l'allongement et la dureté. Ces propriétés indiquent comment les blocs de construction d'un métal se comportent en réponse à une charge appliquée. Ce sont des métriques efficaces pour gérer les limites d'une matière première ; c'est-à-dire combien il pliera avant de casser. La matière première doit pouvoir supporter le processus de formage sans se casser.

Les essais destructifs de traction et de dureté peuvent constituer un moyen fiable et économique de déterminer les propriétés mécaniques. Cependant, ces tests ne sont pas toujours aussi fiables une fois que l'épaisseur de la matière première commence à contraindre les dimensions de l'éprouvette. L'essai de traction d'un produit métallique plat est certainement toujours utile, mais des avantages peuvent être obtenus en examinant une couche plus profondément dans la structure du grain qui régit son comportement mécanique.

Le métal est constitué d'un ensemble de cristaux microscopiques appelés grains. Ils sont distribués au hasard dans tout le métal. Les atomes des éléments d'un alliage, tels que le fer, le chrome, le nickel, le manganèse, le silicium, le carbone, l'azote, le phosphore et le soufre dans le cas de l'acier inoxydable austénitique, sont les éléments constitutifs d'un grain individuel. Ces atomes forment une solution solide d'ions métalliques liés dans un réseau par leurs électrons partagés.

La composition chimique d'un alliage dirige l'arrangement répétitif d'atomes thermodynamiquement préféré des grains, appelé structure cristalline. Une section homogène de métal comprenant une structure cristalline répétitive forme un ou plusieurs grains appelés une phase. Les propriétés mécaniques d'un alliage sont fonction des structures cristallines de l'alliage. La taille et la disposition des grains de chaque phase sont également prises en compte.

Comment se forment les grains ?

Les phases de l'eau sont familières à la plupart. Lorsque l'eau liquide gèle, elle se transforme en glace solide. Cependant, lorsqu'il s'agit de métaux, il n'y a pas qu'une seule phase solide. Certaines familles d'alliages portent le nom de leurs phases. Dans l'acier inoxydable, les alliages austénitiques de la série 300 sont principalement constitués d'austénite lorsqu'ils sont recuits. Cependant, les alliages de la série 400 sont constitués soit de ferrite dans l'acier inoxydable 430, soit de martensite dans les alliages d'acier inoxydable 410 et 420.

Il en va de même pour les alliages de titane. Les noms de chaque groupe d'alliages indiquent leur phase dominante à température ambiante - soit alpha, bêta ou un mélange des deux. Il existe des alliages alpha, quasi-alpha, alpha-bêta, bêta et quasi-bêta.

Lorsqu'un métal liquide se solidifie, les grains solides de la phase thermodynamiquement préférée précipitent là où la pression, la température et la composition chimique le permettent. Cela se produit généralement à une interface, comme le font les cristaux de glace à la surface d'un étang chaud par une journée froide. Lorsqu'un grain nuclée, la structure cristalline se développe dans une orientation jusqu'à ce qu'elle rencontre un autre grain. Du fait que les structures cristallines sont orientées différemment, un joint de grains se forme à l'intersection des réseaux désadaptés. Imaginez déposer un tas de Rubik's Cubes de différentes tailles dans une boîte. Chaque cube a la disposition de la grille carrée, mais ils s'installeront tous dans des orientations différentes et aléatoires. Une pièce métallique entièrement solidifiée consiste en un ensemble de grains apparemment orientés de manière aléatoire.

Chaque fois qu'un grain se forme, il y a une chance que des défauts de ligne se développent. Ces défauts sont des morceaux manquants d'une structure cristalline connue sous le nom de dislocations. Ces dislocations et leur mouvement ultérieur à travers un grain et à travers les joints de grains sont à la base de la ductilité du métal.

Une coupe transversale de la pièce est montée, meulée, polie et gravée pour voir la structure du grain. Lorsqu'elle est uniforme et équiaxe, une microstructure vue au microscope optique ressemble un peu à un puzzle. En réalité, les grains sont tridimensionnels et la section transversale de chaque grain sera différente selon l'orientation de la section transversale de la pièce.

Lorsqu'une structure cristalline est pleine de tous ses atomes, il n'y a pas de place pour le mouvement au-delà de l'étirement des liaisons atomiques.

Lorsque vous supprimez la moitié d'une rangée d'atomes, vous créez une opportunité pour qu'une autre rangée se glisse à cet endroit, déplaçant efficacement la dislocation. Lorsqu'une force agit sur une pièce, le mouvement global des dislocations dans une microstructure lui permet de se plier, de s'étirer ou de se comprimer sans se casser ni se fracturer.

Lorsqu'une force agit sur l'alliage métallique, de l'énergie est ajoutée au système. Si suffisamment d'énergie est ajoutée pour provoquer une déformation plastique, les réseaux cristallins sont tendus et de nouvelles dislocations se forment. Il peut sembler logique que cela augmente la ductilité, car cela libère plus d'espaces et, par conséquent, crée plus de potentiel de mouvement de luxation. Cependant, lorsque les dislocations entrent en collision, elles peuvent se coincer en place.

À mesure que le nombre et la concentration des dislocations augmentent, de plus en plus de dislocations sont épinglées, ce qui réduit la ductilité. Finalement, il y aura tellement de dislocations qu'il ne pourra plus y avoir de formage à froid. Parce que les dislocations épinglées existantes ne peuvent plus bouger, les liaisons atomiques du réseau s'étirent jusqu'à ce qu'elles se cassent ou se fracturent. C'est pourquoi les alliages métalliques durcissent et pourquoi il y a une limite à la quantité de déformation plastique qu'un métal peut subir avant de se fracturer.

Les grains jouent également un rôle majeur dans le recuit. Le recuit d'un matériau écroui réinitialise essentiellement la microstructure afin que la ductilité puisse être récupérée. Lors du recuit, les grains subissent une transformation en trois étapes :

Imaginez une personne se déplaçant dans un wagon bondé. Pousser à travers la foule n'est possible qu'en créant un espace entre les rangées de personnes, un peu comme une dislocation dans un réseau cristallin. Au fur et à mesure qu'ils avancent, les personnes derrière eux comblent les vides qu'ils ont laissés tout en créant un nouvel espace devant eux. Une fois arrivés à l'autre bout du wagon, la disposition des passagers aura changé. Si trop de personnes essaient de passer à la fois, les passagers essayant de faire de la place pour s'adapter à leur mouvement se heurteront les uns aux autres et aux parois du wagon, bloquant tout le monde sur place. Plus il y a de dislocations, plus il devient difficile pour elles de se déplacer simultanément.

Il est important de comprendre qu'un niveau minimal de déformation est nécessaire pour déclencher la recristallisation. Cependant, si le métal n'a pas suffisamment d'énergie de déformation stockée 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. Les joints de grains sont essentiellement un mur de dislocations. Ils entravent le mouvement.

Si la croissance des grains est limitée, un nombre plus élevé de petits grains en résultera. En termes de structure granulaire, ces grains plus petits sont considérés comme plus fins. Plus de joints de grains signifient moins de mouvement de dislocation et une plus grande résistance.

Si la croissance des grains est moins limitée, la structure des grains devient grossière, avec des grains plus gros, moins de joints et une résistance moindre.

La taille des grains est souvent référencée comme un nombre sans unité, entre environ 5 et 15. Il s'agit d'une échelle relative, liée au diamètre moyen des grains. Plus le chiffre est élevé, plus la granulométrie est fine.

La méthodologie de mesure et d'évaluation de la taille des grains est décrite dans la norme ASTM E112. Il s'agit de compter le nombre de grains dans une zone donnée. Ceci est souvent accompli en coupant une section transversale de la matière première, en la broyant et en la polissant, et en la gravant avec de l'acide pour révéler les grains. Le comptage est effectué au microscope sous un grossissement qui permet un échantillonnage adéquat des grains. L'attribution d'un numéro de taille de grain ASTM suggère un niveau raisonnable d'homogénéité dans la forme et le diamètre du grain. Il peut même être avantageux de limiter la variation de la taille des grains à deux ou trois points pour assurer des propriétés constantes dans toute la pièce.

Dans le cas de l'écrouissage, la résistance et la ductilité ont une relation inverse. La relation entre la taille de grain ASTM et la résistance est souvent positive et forte, et généralement le pourcentage d'allongement et la taille de grain ASTM ont une relation inverse. Cependant, une croissance excessive du grain peut entraîner un matériau « extrêmement mou » qui ne peut plus s'endurcir efficacement.

La taille des grains est souvent référencée comme un nombre sans unité, entre environ 5 et 15. Il s'agit d'une échelle relative, liée au diamètre moyen des grains. Plus la valeur de la taille de grain ASTM est élevée, plus il y a de grains par unité de surface.

La taille des grains d'un matériau recuit varie avec le temps à la température et la vitesse de refroidissement. Le recuit est généralement effectué entre la température de recristallisation et le point de fusion d'un alliage. La plage de recuit recommandée pour l'alliage d'acier inoxydable austénitique 301 se situe entre 1 900 et 2 050 degrés F. Il commencera à fondre autour de 2 550 degrés F. En revanche, le titane de grade 1 commercialement pur doit être recuit à 1 292 degrés F et fond autour de 3 000 degrés F.

Lors du recuit, les processus de récupération et de recristallisation se font concurrence jusqu'à ce que les grains recristallisés consomment tous les grains déformés. La vitesse de recristallisation évolue 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 degrés F pendant une heure aura une structure de grain plus fine que la même pièce recuite à 2 000 degrés 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 d'anciens et de nouveaux grains. Si des propriétés uniformes dans tout le métal sont souhaitées, le processus de recuit doit viser à obtenir une structure de grain uniforme et équiaxe. Uniforme signifie que tous les grains ont à peu près la même taille et équiaxe signifie qu'ils ont tous à peu près 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. Avec le recuit discontinu, ce n'est pas toujours facile ou possible, il est donc important d'attendre au moins que toute la pièce soit saturée à la bonne température avant de compter le temps de trempage. Un temps de trempage plus long et une température plus élevée se traduiront par une structure de grain plus grossier/un matériau plus doux et vice versa.

Si la taille et la résistance des grains sont liées et que la résistance est déjà connue, pourquoi s'embêter à compter les grains, n'est-ce pas ? Tous les tests destructifs ont une variabilité. Les essais de traction, en particulier à des épaisseurs plus faibles, dépendent fortement de la préparation de l'échantillon. Des ruptures prématurées peuvent se produire dans les résultats de résistance à la traction qui ne sont pas représentatifs des propriétés réelles du matériau.

Si les propriétés ne sont pas uniformes sur toute la pièce, le fait de prélever un coupon de traction ou un échantillon d'un bord peut ne pas révéler toute l'histoire. La préparation et le test des échantillons peuvent également prendre du temps. Combien de tests, et dans combien de directions, est-il possible d'effectuer pour un métal donné ? L'évaluation de la structure du grain est une assurance supplémentaire contre les mauvaises surprises.

Anisotropie, Isotropie. L'anisotropie fait référence à la directionnalité des propriétés mécaniques. Au-delà de la résistance, l'anisotropie peut être mieux comprise en examinant la structure du grain.

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 dans lesquels la concentricité est critique. Au fur et à mesure que l'ébauche est tirée dans la matrice, le matériau anisotrope ne s'écoulera pas uniformément, ce qui peut entraîner un défaut appelé oreille. L'oreille se produit là où la partie supérieure de la coupe développe un profil ondulé. L'inspection de la structure du grain peut révéler où se trouvent les non-uniformités 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 le niveau de déformation avant le recuit. Au fur et à mesure que le matériau est déformé plastiquement, les grains commencent à se déformer. Dans le cas du laminage à froid, où l'épaisseur est convertie en longueur, les grains s'allongeront dans le sens du laminage. Au fur et à mesure que les rapports d'aspect des grains changent, l'isotropie et les propriétés mécaniques globales changent également. Dans le cas d'une pièce fortement déformée, une partie de la directionnalité peut être conservée même après recuit. Il en résulte une anisotropie. Pour les matériaux emboutis, il est parfois nécessaire de limiter la quantité de déformation avant le recuit final pour éviter l'oreille.

Épluchure d'orange. L'oreille n'est pas le seul défaut d'emboutissage lié au grain. Une peau d'orange peut se produire lors de l'extraction d'une matière première avec des grains trop grossiers. Chaque grain se déforme indépendamment, et en fonction de son orientation cristallographique. Les différences de déformation entre les grains voisins donnent un aspect texturé qui ressemble à une peau d'orange. La texture est la structure du grain se révélant à la surface de la paroi de la tasse.

Tout comme les pixels d'un écran de télévision, les différences de chaque grain individuel seront moins apparentes avec une structure à grain fin, augmentant ainsi la résolution. La seule spécification des propriétés mécaniques peut ne pas suffire à garantir une granulométrie suffisamment fine pour éviter les effets de peau d'orange. Lorsque le changement de dimensions d'une pièce est inférieur à 10 fois le diamètre du grain, les propriétés des grains individuels détermineront le comportement de formage. Au lieu de faire la moyenne de la déformation sur de nombreux grains, elle reflétera la taille et l'orientation spécifiques de chaque grain individuel. Ceci est visible par l'effet peau d'orange sur la paroi d'une tasse dessinée.

Pour une taille de grain ASTM de 8, le diamètre moyen des grains est de 885 µin. Cela signifie que toute réduction d'épaisseur de 0,00885 po ou moins peut être influencée par cet effet de microformage.

Alors que les gros grains peuvent causer des problèmes pour l'emboutissage profond, ils sont parfois recommandés pour la frappe. La frappe est un processus de déformation dans lequel une ébauche est comprimée pour donner une topographie de surface souhaitée, telle que le profil du visage de George Washington sur un quart. Contrairement à l'emboutissage, la frappe n'implique généralement pas beaucoup de flux de matière en vrac, mais nécessite beaucoup de force, ce qui peut ne déformer que la surface de l'ébauche.

Pour cette raison, la minimisation de la contrainte d'écoulement à la surface en utilisant une structure à grain plus grossier peut aider à atténuer la force nécessaire pour un remplissage correct de la matrice. Ceci est particulièrement applicable dans le cas de la frappe à matrice ouverte, où les dislocations sur les grains de surface peuvent s'écouler librement, au lieu de s'accumuler aux joints de grains.

Les tendances discutées ici sont des généralisations qui peuvent ne pas s'appliquer à une partie spécifique. Ils mettent cependant en évidence les avantages de mesurer et de standardiser la taille des grains de la matière première lors de la conception d'une nouvelle pièce pour éviter les pièges courants et optimiser les paramètres de mise en forme.

Les emboutisseurs de métaux de précision et les fabricants effectuant des opérations d'emboutissage profond sur du métal pour former leurs pièces seraient bien servis en s'associant à des métallurgistes d'un enrouleur de précision techniquement compétent qui peut les aider à optimiser leur matériau jusqu'au niveau du grain. Lorsque les experts en métallurgie et en ingénierie des deux côtés de la relation s'intègrent dans une seule équipe, cela peut avoir des effets transformateurs et entraîner des résultats plus positifs.