Vieillissement du métal, types, artificiel, naturel, comment cela se produit et de quoi cela dépend

Vieillissement des métaux un processus assez lent qui entraîne des changements mécaniques et des altérations des propriétés physiques et chimiques.

Sur vieillissement des métaux est influencé par un certain nombre de facteurs, notamment :

• mouvement thermique des atomes et des molécules;
• impacts mécaniques (charges diverses en flexion/compression/déchirure, etc.) ;
• rayonnement lumineux (en particulier rayonnement invisible pour l’homme) ;
• champ magnétique (aimantation/démagnétisation), etc.

Le vieillissement des métaux repose essentiellement sur l'atteinte d'un état d'équilibre, durant lequel les propriétés du métal s'écartent de la norme. Plus précisément, le matériau peut devenir plus mou, cassant, moins élastique, etc.

Types de vieillissement des métaux

Une distinction est faite entre le vieillissement naturel et le vieillissement artificiel.

Le vieillissement artificiel du métal consiste à obtenir rapidement la composition et les propriétés souhaitées. Il est obtenu par traitement thermique et déformation plastique. Par exemple, pour la production de duralumin, ce métal est vieilli artificiellement pendant plusieurs heures.

Le vieillissement naturel se produit naturellement et ne nécessite aucune condition supplémentaire. Cependant, le processus est plus intense, avec des durées plus longues et des températures approchant les 20 °C.

Application des procédés de vieillissement en métallurgie et travail des métaux

Le vieillissement, traitement complémentaire, est utilisé en dernière étape. Il est appliqué à certains métaux et alliages dans lesquels une solution solide sursaturée peut précipiter les composants excédentaires et se décomposer spontanément au fil du temps. Cette méthode est particulièrement utile pour la préparation des matériaux destinés à la production de composants et de pièces individuels, pour lesquels le procédé décrit ci-dessus est crucial.

Après vieillissement, la dureté et la résistance du métal augmentent, mais sa viscosité et sa ductilité diminuent. Il est toutefois important de noter que ces valeurs se maintiennent tout au long de la durée de vie du matériau.

Le vieillissement de l'acier vise à modifier sa structure interne et est appliqué après la trempe. La solution de ferrite solide ainsi obtenue, saturée d'azote et de carbone, se décompose sous l'effet de la chaleur. Selon le volume d'inclusions de carbone dans le matériau vieillissant, la structure interne prend les formes suivantes :

• cubique;
• sphérique;
• en forme de disque (sous forme de plaques minces) ;
• en forme d'aiguille.

Le traitement thermique (vieillissement artificiel du métal) est appliqué aux alliages dans lesquels la solubilité d'un élément à l'état solide est considérablement réduite. Cette propriété s'accentue à mesure que la température diminue.

Dans les aciers à faible teneur en carbone, inférieure ou égale à 0,05%, le vieillissement artificiel provoque la décomposition de la solution alpha solide sursaturée. Il en résulte une précipitation des phases excédentaires. Après ce traitement, la ductilité diminue, mais la dureté et la résistance augmentent significativement. Ce sont précisément ces qualités qui sont souvent requises pour le produit métallurgique final.

Le modèle d'Orowan

La figure présente le modèle d'Orowan, qui illustre clairement le mouvement des dislocations. L'effet maximal peut être obtenu par vieillissement naturel. Cependant, cela nécessite un temps considérable, ce qui n'est ni rentable ni pratique pour une production continue en grande quantité (ce n'est pas comme la décantation du vin ou du cognac en fûts). Il existe donc des méthodes artificielles pour accélérer ces processus naturels (dommage qu'il ne soit pas possible de faire de même avec le whisky). Il convient toutefois de noter que le vieillissement artificiel réduit considérablement les propriétés de résistance du matériau.

Dureté en fonction du temps de vieillissement

Le graphique présenté illustre clairement le problème décrit ci-dessus : réduire le temps de vieillissement du métal n’augmente pas ses caractéristiques de résistance.

Le processus de vieillissement dépend en grande partie du carbone et de l'azote. Ceci est particulièrement visible dans les aciers bas carbone. L'azote se dissout moins facilement dans le fer alpha lorsque la température baisse. Par exemple, à 590 °C, la teneur en azote dissous est de 0,11 TP3T, mais à 20 °C, elle chute à 0,0041 TP3T. Lors du vieillissement, la solution alpha libère des nitrures. Par conséquent, l'effet de l'azote est moins prononcé que celui du carbone sous influence thermique.

À mesure que la teneur en carbone de l'acier augmente, les modifications structurelles induites par le traitement thermique s'accentuent. La quantité maximale de carbone dissoute dans le fer alpha est de 0,02 à 0,041 TP3T. Avec cette teneur, un produit trempé soumis à un vieillissement naturel présente une dureté une fois et demie supérieure à celle obtenue après recuit.

Le vieillissement est la principale méthode d'augmentation de la résistance des alliages réfractaires (alliages à haute teneur en nickel). Ce groupe comprend également les alliages à base d'aluminium, de cuivre et de magnésium. De plus, la structure altérée de ces métaux et alliages confère une coercivité.

L'aluminium et les alliages aluminium-cuivre se dégradent à différentes températures (supérieures à 100 °C) en raison des différences de température de décomposition structurale des différents métaux. On distingue ainsi la décomposition structurale à basse et à haute température.

La décomposition d'une solution solide se produit de deux manières. Dans le premier cas, la formation et la croissance des particules de phase se produisent dans tout le volume. Dans le second cas, la décomposition est discontinue (cellulaire). Au cours de ce processus, les cellules se développent en colonies. Les colonies ont une structure cellulaire et leur croissance se fait à partir du joint de grain et se déplace vers l'intérieur, diminuant de taille.

Vieillissement mécanique et thermique

Il existe deux types de vieillissement des métaux : thermique et mécanique. Examinons chacun d'eux plus en détail.

Vieillissement thermique

La phase qui renforce le métal lors du traitement thermique se produit à son point maximal. C'est là que se produit la phase de solution métastable, dans la zone Guinier-Preston. Ce type de renforcement des métaux et alliages est communément appelé renforcement par dispersion.

Dépendance de la résistance au temps et à la température de vieillissement

Avec une exposition prolongée, le vieillissement prématuré s'installe, entraînant une diminution des caractéristiques de résistance. Ce phénomène est influencé par :

• coagulation;
• remplacement partiel de particules par des particules incohérentes.

Types de vieillissement thermique du métal :

• Deux étapes : trempe, puis maintien à la température de substitution, puis maintien à une température élevée pour obtenir l'homogénéité de la solution solide.
• Trempe – trempe et une étape de maintien avec refroidissement naturel.
• Naturel - pour les alliages d'aluminium.
• Artificiel – pour les alliages de métaux non ferreux par chauffage à une température supérieure à celle utilisée pour la destruction naturelle.
• Stabilisation – la température de vieillissement élevée et la longue période de maintien aident à maintenir les dimensions et les propriétés de la pièce.

Vieillissement mécanique du métal

La destruction de l'acier par les forces de déformation se produit à des températures inférieures au processus de recristallisation. Elle est due à la formation et au déplacement de dislocations. La déformation plastique à froid augmente la densité de dislocations, qui augmente encore avec l'augmentation des charges.

Les propriétés mécaniques changeantes du métal provoquent le déplacement des atomes de carbone et d'azote vers les dislocations situées dans la solution alpha. En atteignant ces dislocations, les atomes forment des nuages (atmosphères de Cottrell). Ces agrégats entravent le mouvement des dislocations, ce qui entraîne une modification des propriétés. Les propriétés inhérentes aux pièces vieillies thermiquement apparaissent.

Bien que l'azote, le nickel et le cuivre influencent significativement l'effet du vieillissement dû à la déformation, l'ajout de vanadium, de titane et de niobium élimine complètement cet effet. Il est donc recommandé d'utiliser un acier avec une teneur en aluminium comprise entre 0,02 et 0,071 TP3T.

Modes recommandés pour le vieillissement

Traitement thermique :

• pour les aciers à haute teneur en carbone : température d'environ 130°C-150°C, temps de maintien d'environ 25-30 heures ;
• pour les alliages de métaux non ferreux : température d'environ 250°C, temps de maintien d'environ 1 heure.

Transformation du plastique :

• pour un processus naturel : température d’environ 20°C ;
• pour un écoulement artificiel du procédé : température d'environ 250°C, temps de maintien d'environ 1 heure.

La température de chauffage et le temps de maintien sont sélectionnés individuellement pour chaque nuance de métal et d'alliage en fonction de leur composition.