Comprendre la formabilité de l'acier inoxydable au niveau atomique

Le grain, la ductilité, la déformation plastique et élastique, la rupture et le travail à froid sont importants pour le processus de formage afin de prévenir la rupture et la fissuration et d'optimiser la formabilité. Images fournies

Les fabricants de fabrication de métaux sélectionnent des métaux pour remplir une fonction basée sur les caractéristiques physiques du métal. Un tuyau d'échappement en acier inoxydable doit résister à la rouille. Un échangeur de chaleur dans un jet doit supporter des températures élevées en service agressif.

De toute évidence, la façon dont un métal se comporte ou peut se comporter est essentielle pour la fonction. Dans ces exemples, des alliages spécifiques seraient sélectionnés en raison des différences dans leurs applications. Les fabricants de métaux doivent comprendre le comportement de l'acier inoxydable pour réussir à produire des produits fabriqués en acier inoxydable pour l'industrie.

L'une des caractéristiques métalliques les plus importantes à prendre en compte par les fabricants est la ductilité. La ductilité est la capacité d'un matériau à se déformer plastiquement et à le faire sans se rompre.

Le processus historique de la forge consistait à marteler les métaux en formes. Les formes telles que les lames sont relativement simples à produire car leur fabrication ne nécessite pas de plis ou de formes compliqués. Cependant, les lames et les formes martelées étaient uniques. Chaque pièce était une œuvre d'art unique, dans un sens. Aujourd'hui, les formeurs de métaux doivent produire des pièces en acier inoxydable selon les spécifications à plusieurs reprises. Contrairement à la forge, il y a moins de "marge de manœuvre" pour effectuer des corrections à la volée.

La déformation permet aux métaux d'être formés dans des géométries spécifiques. Comprendre leurs propriétés de ductilité est essentiel pour réussir. Les fabricants doivent sélectionner correctement un alliage en fonction de ses propriétés mécaniques pour faciliter le formage nécessaire afin que la forme finale réponde aux caractéristiques physiques requises.

Les fabricants de métaux peuvent avoir un bon aperçu de la ductilité des alliages en observant des caractéristiques telles que l'allongement du matériau (comme indiqué sur les certifications de matériaux), les applications courantes et les taux d'écrouissage. Mais la ductilité se produit au niveau atomique. Il est important d'examiner le niveau atomique pour bien comprendre ce qu'est la ductilité et pourquoi elle est importante pour les processus.

Les métaux se comportent différemment des autres matériaux. Leur capacité à se déformer plastiquement, à conserver leur forme et à maintenir leur résistance à la déformation est unique. Ces caractéristiques uniques sont dérivées des types d'atomes dans le métal et de leurs liaisons. La liaison atomique détermine essentiellement la manière dont les électrons sont transférés ou partagés entre les atomes d'un matériau. La liaison maintient les atomes ensemble dans des matériaux cohérents.

Les atomes métalliques restent ensemble avec des liaisons métalliques lorsque les électrons sont librement partagés entre les atomes. Les atomes s'alignent en 3D, rangées ordonnées connues sous le nom de réseau cristallin.

Les liaisons métalliques permettent le mouvement des atomes à travers le réseau. C'est ce mouvement atomique qui définit la capacité de déformation plastique.

Une déformation peut se produire sous une contrainte de compression ou de traction. Ces types de contraintes définissent tous les procédés de fabrication.

Les atomes de métal peuvent se déplacer à travers la masse du grain plus facilement que la limite de grain mal alignée. Imaginez que vous conduisez sur une autoroute où toutes les bretelles de sortie sont abruptement 10 pieds plus hautes que l'autoroute. Pour accéder à la bretelle de sortie, un conducteur devrait soulever physiquement la voiture à 10 pieds dans les airs.

Le mouvement des atomes métalliques en compression est appelé malléabilité, et en tension, ductilité. Les deux termes sont définis par la plasticité, qui exprime la capacité d'un matériau à se déformer sans se fissurer.

La frappe est un processus de fabrication compressif qui repose sur la malléabilité. L'emboutissage profond est un processus de traction qui repose sur la ductilité.

Dans les deux processus, les atomes sont déplacés par des méthodes différentes, mais les deux nécessitent un mouvement atomique pour fonctionner. Envisagez d'essayer de créer une assiette en porcelaine. La porcelaine est une céramique qui contient des liaisons covalentes par opposition aux liaisons métalliques. Contrairement aux liaisons métalliques, les liaisons covalentes ne partagent pas librement les électrons, ce qui empêche le mouvement atomique. Sous pression, la plaque se brisera à cause de ce manque de mouvement atomique ; il ne peut pas se déformer plastiquement. Pour cette raison, le métal est le meilleur matériau pour les opérations de frappe.

Les atomes métalliques se solidifient en ordre cristallin pendant le recuit, comme des cristaux de glace se développant sur une surface froide. Les atomes nucléent en des points et se développent vers l'extérieur à mesure que d'autres atomes s'assemblent dans l'ordre. Les parties en croissance rencontrent finalement un point de nucléation en croissance à proximité. Ces interfaces d'atomes assemblés qui ne s'alignent pas les uns avec les autres sont appelées joints de grains.

Les groupes associés d'atomes différemment alignés sont appelés grains. Les atomes de métal peuvent se déplacer à travers la masse du grain plus facilement que la limite de grain mal alignée. Imaginez que vous conduisez sur une autoroute où toutes les bretelles de sortie sont abruptement 10 pieds plus hautes que l'autoroute. Pour accéder à la bretelle de sortie, un conducteur devrait soulever physiquement la voiture à 10 pieds dans les airs. L'autoroute et la bretelle de sortie peuvent être faciles à conduire, mais se rendre de l'autoroute à la bretelle de sortie mal alignée serait plus difficile, nécessitant plus d'énergie et des conditions différentes.

Les grains eux-mêmes dans le réseau cristallin contiennent des imperfections d'alignement appelées dislocations. Des dislocations peuvent se produire lors de la recristallisation mais se développent principalement par travail à froid. Certains types de dislocations se déplaceront si une contrainte suffisante est appliquée. Par conséquent, le mouvement des dislocations est un mouvement du désalignement. Les atomes glisseront d'un côté du désalignement à l'autre, entraînant le mouvement apparent de dislocation.

Les dislocations elles-mêmes peuvent également entrer en collision à cause de ce mouvement. Tout comme un embouteillage, les accumulations de luxations peuvent empêcher d'autres mouvements de luxation.

La ductilité est la mesure de la déformation plastique capable résultant du mouvement atomique. Les restrictions de mouvement limitent la ductilité ; par conséquent, l'empilement de dislocations entraîne moins de ductilité. De plus, l'empilement nécessite une force plus importante pour déplacer les atomes. Cet effet est appelé écrouissage.

Une contrainte appliquée qui provoque le déplacement permanent des atomes métalliques dans le réseau cristallin est la limite d'élasticité. L'empilement entraîne une limite d'élasticité plus élevée car il faut plus de force pour déplacer les atomes. C'est pourquoi les métaux trempés ont une résistance à la traction, une limite d'élasticité et une dureté plus élevées.

L'allongement diminue avec le travail à froid. Ceci est essentiel à savoir, car l'allongement est une mesure de la ductilité d'un matériau. Plus précisément, c'est la mesure de la déformation plastique totale qu'un matériau peut accepter avant de se rompre. Il est logique que la ductilité diminue à travers l'écrouissage, étant donné qu'une partie de la déformation plastique potentielle totale est utilisée pendant les opérations de formage.

Les métaux se comportent différemment des autres matériaux. Leur capacité à se déformer plastiquement, à conserver leur forme et à maintenir leur résistance à la déformation est unique. Ces caractéristiques uniques sont dérivées des types d'atomes dans le métal et de leurs liaisons.

Les opérations de formage qui dépassent la résistance à la traction du matériau, même localement, seront à risque de fissures et de fractures. Il s'agit d'une défaillance matérielle critique. La preuve de cet échec peut être quelque chose de microscopique à catastrophique.

Les défaillances microscopiques sont dangereuses car elles risquent de ne pas être découvertes. Bien que les pièces présentant des défaillances catastrophiques soient évidentes et clairement non vendues, elles peuvent toujours créer des problèmes car elles endommagent l'outillage. Les objets étrangers générés par la défaillance ou par des sections rugueuses et défaillantes peuvent causer beaucoup de dégâts.

L'allongement diminue à mesure que la résistance à la traction augmente. Par conséquent, la résistance à la traction d'un matériau est considérée comme la pression minimale de toute la ductilité disponible. Cette prise en compte est soumise à des conditions précises. L'impulsion de la force appliquée peut contribuer à la ductilité et à la rupture.

Les broyeurs à fusion ajoutent des éléments aux métaux purs pour produire des alliages. Ces éléments d'alliage modifient les caractéristiques du métal telles que la résistance à la corrosion et les propriétés mécaniques. Par exemple, du chrome est ajouté à l'acier pour former une couche superficielle d'oxyde de chrome qui améliore la résistance à la corrosion. Le nickel est ajouté pour influencer la formation de la phase cristalline d'austénite qui modifie le degré de résistance. Les atomes d'alliage prennent de l'espace dans le réseau cristallin, modifiant la facilité avec laquelle les atomes peuvent se déplacer. De plus, ils peuvent modifier la façon dont les grains se nucléent et se développent, modifiant ainsi le volume des joints de grains. Le changement de mouvement atomique à partir de ces changements cristallographiques a un impact sur la ductilité.

La compréhension des éléments d'alliage affecte le développement de nouveaux alliages. Les aciers inoxydables de type 301 et 305 sont de bons exemples des implications pratiques de la ductilité. L'acier inoxydable de type 305 présente un allongement légèrement supérieur à celui de l'acier inoxydable 301 à l'état recuit. De plus, 305 reçoit moins d'augmentation totale d'état sous la même déformation que 301. Cela signifie que si 305 et 301 sont déformés de la même quantité, 305 aura une limite d'élasticité inférieure mais un allongement plus élevé. Il commencera et finira avec plus de ductilité sous la même déformation.

La ductilité après écrouissage est une considération importante. Plus précisément, la ductilité influence le fonctionnement de la pièce finale.

Dans un exemple de cas, si 301 et 305 sont pliés à des dimensions équivalentes, ils se retrouveront avec des propriétés mécaniques différentes. En effet, ils ont des propriétés de ductilité différentes et sont écrouis à des vitesses différentes, de sorte qu'ils aboutissent à des résultats différents. Dans une dimension de pièce, disons que 305 a une limite d'élasticité de 150 000 PSI et 301 a une limite d'élasticité de 180 000 PSI. Si cette dimension a reçu une charge appliquée équivalente à 170 000 PSI, cela a dépassé la limite d'élasticité du 305 mais pas du 301. Cela signifie que, théoriquement, le 305 cédera et donc se déformera. C'est un énorme problème si la pièce n'est pas censée se déformer !

L'emboutissage profond est un processus de déformation extrême qui peut tester les limites de la ductilité. Le procédé nécessite une ductilité importante dans toutes les directions. La matière première doit être produite en conséquence.

Le matériau subissant un emboutissage profond doit être correctement étiré et repassé pour faciliter le mouvement colossal des atomes. De plus, la matière première doit d'abord être laminée et recuite pour préserver soigneusement la ductilité du matériau en vue de l'emboutissage profond.

Le choix de l'alliage est également primordial. Il ne sert à rien d'essayer de concevoir la ductilité d'un alliage lorsqu'il existe une meilleure alternative d'alliage disponible. En outre, les considérations relatives à la ductilité doivent être équilibrées avec d'autres caractéristiques nécessaires, telles que la résistance à la corrosion ou les propriétés magnétiques.

L'emboutissage profond est un processus de déformation extrême qui peut tester les limites de la ductilité. Le matériau subissant un emboutissage profond doit être correctement étiré et repassé pour faciliter le mouvement colossal des atomes. De plus, la matière première doit d'abord être laminée et recuite pour préserver soigneusement la ductilité du matériau en vue de l'emboutissage profond.

D'autres processus de formage nécessitent des considérations différentes de ductilité. Les pièces estampées, par exemple, nécessitent fréquemment un pliage dans la forme finale. La déformation plastique entraîne un mouvement atomique permanent. Par conséquent, la pièce finale conserve sa configuration coudée.

Le widget métallique doit être plié en forme sans se casser, puis il doit conserver sa forme. Cela soulève de nombreux problèmes de ductilité. Tout d'abord, il faut sélectionner l'alliage correct qui présente le degré de ductilité nécessaire.

Deuxièmement, les procédés doivent être mis en place pour faciliter l'écrouissage du matériau. Au fur et à mesure que la courbure se produit, les atomes créent des imperfections (dislocations) qui s'accumulent au fur et à mesure que la courbure progresse. Ces imperfections empilées, comme indiqué précédemment, définissent le durcissement obtenu à partir de la courbure, augmentant ainsi la dureté et les résistances à la traction et à l'élasticité dans cette zone. Cela rend la zone de pliage plus solide.

Cette considération est essentielle car l'état du pli contribue directement au retour élastique de ce pli et, par conséquent, au contrôle dimensionnel de la pièce. Bien que la dureté et la résistance à la traction et à l'élasticité augmentent, l'allongement diminue. Par conséquent, la ductilité dans une zone écrouie diminue.

L'équilibre entre la ductilité et la résistance est essentiel pour former la pièce finale.