Indurimento

L'indurimento di un metallo è l'indurimento di un metallo sotto l'effetto della sua deformazione plastica (finale). Questo meccanismo di indurimento spiega in gran parte le differenze tra le parti metalliche ottenute per battuto (cioè per deformazione plastica: laminazione , trafilatura , forgiatura ) e parti di fonderia .

L'incrudimento avviene solo su materiali duttili e nel campo della plastica . Si tratta quindi di elastomeri , vetri e alcune ceramiche , ma soprattutto metalli , esclusi:

L'incrudimento corrisponde alle modificazioni che il metallo subisce quando le sollecitazioni che gli vengono applicate sono sufficientemente forti da provocare deformazioni plastiche permanenti. Queste modifiche sono metallurgiche (modifica della struttura interna del metallo) e generalmente hanno un'influenza sulle sue proprietà meccaniche.

Con il termine incrudimento si intende anche un'operazione di trasformazione delle proprietà meccaniche del materiale: questa è richiesta e una volta superato il limite elastico rimarrà sempre una deformazione residua detta deformazione plastica. Gli effetti conferiti al materiale sono da un lato un aumento del limite elastico (rispetto al materiale iniziale) e della durezza dall'altro; anche il materiale diventa più fragile. A seconda dei metalli considerati, le proprietà meccaniche possono evolvere verso un aumento della resistenza (caso di acciai legati ) fino ad un certo punto (punto di rottura), o viceversa verso la sua riduzione (caso di acciai basso legati).

Dimostrazione del fenomeno

Se torciamo un filo (le pieghe sarebbero un termine più esatto), quindi proviamo a raddrizzarlo, vediamo che mantiene una deformazione nel punto della deformazione iniziale: questo punto si indurisce e diventa difficile deformare nuovamente il filo , nell'altra direzione.

Quando si acquistano tubi di rame per impianti idraulici , è possibile acquistare due tipi: rame temprato e rame ricotto.

Se si considera una semplice prova di trazione (uniassiale), si può evidenziare l'indurimento interrompendo la prova:

  1. Innanzitutto, il provino viene allungato superando il limite elastico , ma senza arrivare a strizzare .
  2. La forza viene annullata, il provino si ritrae elasticamente, seguendo una linea retta nel diagramma (ε, σ).
  3. Se si tira nuovamente il provino, è necessario tornare alla sollecitazione di fine primo stadio per provocare una nuova deformazione irreversibile; il limite elastico quindi è aumentato.

Leggi di incrudimento

La capacità di indurimento di un metallo è stimata dal coefficiente di indurimento n  : durante una prova di trazione si traccia la curva di trazione razionale, ovvero la curva:

σ = ƒ (ε)

o

La velocità di indurimento , o velocità di consolidamento , è definita in ogni punto come l'inclinazione della tangente a questa curva:

dσ / dε

è la forza in eccesso dσ che deve essere fornita per ottenere un allungamento aggiuntivo dε.

Se questa velocità è alta, significa che la sollecitazione σ aumenta rapidamente all'aumentare della deformazione ε, cioè la forza necessaria per continuare ad allungare il metallo aumenta molto.

La curva di trazione può essere descritta da una legge empirica. Se si considera che non si ha un comportamento viscoso , la legge è indipendente dal tasso di deformazione. Generalmente utilizziamo tre tipi di leggi: legge di Hollomon (o legge potenziale), legge di Ludwik e legge di Voce:

dove n è il coefficiente di indurimento  ; il suo valore è tipicamente compreso tra 0,1 e 0,5.

La legge di Voce è scritta:

σ = σ 0 ⋅ (1 - e -Aε )

dove σ 0 è lo stress di saturazione. Possiamo anche utilizzare una legge Voce più complessa:

.

dove σ s è una tensione di soglia.

Se si è interessati solo ai ceppi plastici deboli, si usa spesso una legge bilineare.

Concentrazione delle tensioni e indurimento locale

Quando la parte presenta una variazione di sezione o un difetto - cavità, inclusione ( precipitato ) più o meno dura del resto del materiale, rientro ad angolo acuto, fondo di tacca - può verificarsi localmente una concentrazione di sollecitazioni . Mentre si pensa di essere nel dominio elastico , si entra localmente nel dominio della plastica.

Può quindi verificarsi un indurimento locale. Questo fenomeno è una delle principali cause della creazione di crepe nei fenomeni di fatica .

Meccanismi di incrudimento

Moltiplicazione delle lussazioni

La deformazione plastica di una parte metallica è effettuata dal movimento delle dislocazioni . Durante la deformazione, queste dislocazioni si moltiplicano secondo il meccanismo di Frank e Read .

Tuttavia, le dislocazioni interferiscono tra loro: se si trovano sullo stesso piano di scorrimento, si attraggono o si respingono, limitandone la propagazione e, se si trovano su piani ortogonali, si inchiodano a vicenda (fenomeno degli "alberi della foresta") . Quindi più lussazioni ci sono, più possibili deformazioni ci sono, ma meno mobili sono le lussazioni perché interferiscono tra loro.

La perdita di mobilità delle dislocazioni porta ad un aumento del limite elastico, e quindi della durezza, che costituisce incrudimento.

Se si cambia la direzione della deformazione plastica, l'incrudimento può anche, al contrario, abbassare il limite elastico: questo è l' effetto Bauschinger .

Effetto Bauschinger

Il reciproco disagio delle dislocazioni implica un indurimento “isotropo”: il limite elastico aumenta qualunque sia il senso di deformazione.

L' effetto Bauschinger (che deve il nome al fisico Johann Bauschinger ) è l'alterazione anisotropa del limite elastico di un metallo ( policristallino ) o di una lega a seguito di un primo carico oltre il limite di elasticità vergine (nominale). Questo fenomeno è essenziale per comprendere il fenomeno della fatica e il degrado delle prestazioni dei materiali sotto carichi alternati. Si tratta di un modello di tempra cinematica (vedi sotto).

Se deformiamo un metallo in una data direzione in modo tale che sviluppi una deformazione residua permanente ( plastificazione ), allora lo deformiamo nella direzione opposta nella stessa direzione, osserviamo che il limite elastico è diminuito.

Questo fenomeno è spiegato dalla distribuzione delle dislocazioni (difetti lineari derivanti dalla deformazione plastica) nei metalli formati a freddo: durante la deformazione, le dislocazioni si moltiplicano lungo i bordi dei grani e si aggrovigliano. A seconda della struttura risultante dalla formatura a freddo, ci sono generalmente due meccanismi nell'effetto Bauschinger:

  1. La presenza di tensioni residue locali favorisce lo sviluppo di dislocazioni in direzione del controcarico, che abbassa il limite elastico. La concentrazione di dislocazioni ai bordi dei grani e la formazione di anelli di Orowan attorno ai precipitati duri sono le due cause principali di queste tensioni residue.
  2. Quando la direzione della deformazione viene invertita, il meccanismo di plastificazione genera dislocazioni che hanno un vettore Burgers opposto a quello delle lussazioni precedenti. Le dislocazioni tendono quindi ad annullarsi a vicenda, il che riduce il limite elastico.

In totale, la sollecitazione del flusso nella direzione del controcarico è inferiore rispetto a se il materiale fosse stato ricaricato nella stessa direzione del primo carico.

Caso di stati di stress piani o triassiali

Stress equivalente

Nella maggior parte dei casi reali, lo stato di sollecitazione in un dato punto della parte deve essere descritto non da un singolo valore di sollecitazione, ma da sei valori che formano un tensore simmetrico:

Nel caso generale, si può trovare un sistema di coordinate ortonormali diretto in cui questo tensore è espresso da una matrice diagonale, le tre tensioni sono chiamate tensioni principali  :

Se nessuno di questi stress è zero, si parla di uno stato di stress "triassiale". Se uno degli stress principali è zero, si parla di uno stato di stress “biassiale” o “piano”, e se solo uno degli stress principali è diverso da zero, si parla di uno stato di stress “uniassiale”.

La prova di trazione presentata sopra corrisponde a uno stato di sollecitazione uniassiale. In questa situazione, lo stato di stress è quindi rappresentato da un unico scalare σ; il criterio di plasticità è scritto

σ> R e

e l'indurimento corrisponde ad un aumento del limite elastico R e .

Nel caso di uno stato di sollecitazione bi- o triassiale, il criterio di plasticità generalmente implica una sollecitazione equivalente σ eqv che è uno scalare calcolato dalle componenti del tensore di sollecitazione. In generale, vengono utilizzati due vincoli equivalenti:

Viene quindi scritto il criterio di plasticità

σ eqv > R e

Nello spazio delle tensioni principali (σ I , σ II , σ III ), il bordo σ eqv = R e è una superficie:

L'incrudimento corrisponde quindi a una deformazione di questa superficie limite.

Nel caso di uno stato di sollecitazione biassiale, ci si può accontentare di una rappresentazione bidimensionale (σ I , σ II ), il bordo è quindi una curva: un esagono per Tresca, un'ellisse per von Mises.

Modello isotropo o cinematico di tempra

In generale, vengono utilizzati due modelli di incrudimento.

Nel primo modello, noto come modello “isotropo”, l'indurimento corrisponde ad una dilatazione della superficie del bordo da parte di un'omotetia centrata in (0, 0, 0). Ciò significa che c'è un indurimento indipendentemente dalla direzione della deformazione.

Nel secondo modello, denominato “cinematico”, la superficie limite non si deforma ma viene traslata. Ciò significa che c'è un indurimento in una certa direzione, ma un ammorbidimento in altre direzioni. Ciò corrisponde all'effetto Bauschinger.

Restauro e ricristallizzazione

Il ripristino e la ricristallizzazione sono fenomeni il cui effetto è quello di annullare l'indurimento. Sono attivati ​​termicamente  ; si verificano durante il trattamento termico, in particolare la ricottura .

La ricristallizzazione può avvenire solo quando l'incrudimento è sufficiente: la forza trainante dietro la trasformazione è la quantità di energia di deformazione elastica “immagazzinata” nelle dislocazioni. In alcuni casi, quando la velocità di deformazione è sufficiente (per un dato metallo e temperatura), il ripristino e la ricristallizzazione possono avvenire contemporaneamente all'incrudimento: si parla di ripristino dinamico e ricristallizzazione .

Note e riferimenti

  1. Definizioni lessicografiche ed etimologiche di "Hardening" del tesoro informatizzato della lingua francese , sul sito web del Centro nazionale per le risorse testuali e lessicali
  2. PABC 2002 , p.  783.
  3. PABC 2002 , p.  787-788.
  4. PABC 2002 , p.  463-467.
  5. François Frey , Analisi delle strutture e media continui: Meccanica delle strutture , vol.  2, Losanna, PPUR , coll.  "Trattato di ingegneria civile del Politecnico federale di Losanna",2006, 2 °  ed. ( leggi in linea ) , "7.2.3 Effetto Bauschinger", p.  104
  6. PABC 2002 , p.  915-916.
  7. PABC 2002 , p.  789-791.
  8. PABC 2002 , p.  791-792.

Vedi anche

Bibliografia

Bibliografia generaleEffetto Bauschinger

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