Întărire

Întărirea unui metal este întărirea unui metal sub efectul deformării sale plastice (finale). Acest mecanism de întărire explică în mare măsură diferențele dintre piesele metalice obținute prin prelucrare (adică prin deformare plastică: laminare , desen , forjare ) și piese de turnătorie .

Întărirea lucrului are loc numai pe materiale ductile și în câmpul plastic . Prin urmare, se referă la elastomeri , pahare și anumite ceramice , dar mai presus de toate metalele , cu excepția:

• metale fragile: metale la temperatură scăzută (sub temperatura de tranziție fragil-ductilă ) și metale neplastifiabile (de exemplu oțeluri martensitice și anumite fonte );
• metale care prezintă comportament reologic  : aceasta exclude viteze de încordare foarte lente ( fluare ) și aplicații la temperatură ridicată

Întărirea lucrului corespunde modificărilor pe care le suferă metalul atunci când solicitările aplicate asupra acestuia sunt suficient de puternice pentru a provoca deformări plastice permanente. Aceste modificări sunt metalurgice (modificarea structurii interne a metalului) și au, în general, o influență asupra proprietăților sale mecanice.

Termenul de întărire a muncii este, de asemenea, utilizat pentru a desemna o operație de transformare a proprietăților mecanice ale materialului: aceasta este solicitată și odată cu depășirea limitei elastice, va rămâne întotdeauna o tulpină reziduală cunoscută sub numele de tulpină de plastic. Efectele conferite materialului sunt, pe de o parte, o creștere a limitei elastice (comparativ cu materialul inițial) și a durității, pe de altă parte; materialul devine și mai fragil. În funcție de metalele luate în considerare, proprietățile mecanice pot evolua către o creștere a rezistenței (cazul oțelurilor aliate ) până la un anumit punct (punctul de rupere), sau invers spre reducerea acesteia (cazul oțelurilor cu aliaj scăzut).

Demonstrarea fenomenului

Dacă răsucim un fir ( îndoirile ar fi un termen mai exact), atunci încercăm să-l îndreptăm, vedem că acesta păstrează o deformare la locul deformării inițiale: acest loc este întărit și devine dificil să se deformeze din nou firul , în cealaltă direcție.

Când cumpărați tuburi de cupru pentru instalații sanitare , puteți cumpăra două clase: cupru călit și cupru călit.

• Cuprul întărit se prezintă sub formă de „bare” drepte de lungime limitată (de obicei de la 1 la 4 m , pentru a putea fi transportat); este foarte dificil să se îndoaie , trebuie mai întâi încălzit cu o torță pentru a- l recoace . Duritatea sa provine din procesul de fabricație, desen  : deformarea plastică semnificativă permisă de ductilitatea cuprului (aproape pur) provoacă o întărire semnificativă a muncii.
• Cuprul recocit este sub forma unei bobine (coroană) care conține de obicei 10 până la 25  m de tub. Acest tub poate fi derulat și îndoit cu ușurință. Acest produs este mai scump decât cuprul întărit: este supus unui tratament suplimentar ( recoacere ) pentru a-l înmuia.

Dacă se ia în considerare un test de tracțiune simplu (uniaxial), se poate evidenția întărirea prin întreruperea testului:

1. În primul rând, eșantionul este întins prin depășirea limitei elastice , dar fără a merge până la gât .
2. Forța este anulată, piesa de testare se retrage elastic, urmând o linie dreaptă în diagramă (ε, σ).
3. Dacă se trage din nou pe eșantion, este necesar să reveniți la stresul de la sfârșitul primei etape pentru a provoca o nouă deformare ireversibilă; limita elastică a crescut deci.

Legi de întărire a muncii

Capacitatea unui metal de întărire este estimată de coeficientul de întărire n  : în timpul unui test de tracțiune , se trasează curba rațională de tracțiune, adică curba:

σ = ƒ (ε)

sau

• σ (MPa) este stresul real, luând în considerare reducerea zonei secțiunii, σ=FS{\ displaystyle \ sigma = {\ frac {\ mathrm {F}} {\ mathrm {S}}}} F (N) fiind forța de întindere și S (mm 2 ) aria reală a secțiunii transversale;
• ε este deformarea longitudinală luând în considerare acumularea de alungiri infinitesimale ε=ln⁡(LL0){\ displaystyle \ varepsilon = \ ln \ left ({\ frac {\ mathrm {L}} {\ mathrm {L} _ {0}}} \ right)} L 0 (mm) fiind lungimea inițială a piesei de încercare și L (mm) lungimea sub sarcină.

Rata de întărire sau rată de consolidare , este definită în fiecare punct ca fiind panta tangentei la această curbă:

dσ / dε

este forța în exces dσ care trebuie asigurată pentru a obține o alungire suplimentară dε.

Dacă această rată este mare, înseamnă că tensiunea σ crește rapid pe măsură ce tensiunea ε crește, adică forța necesară pentru a continua întinderea metalului crește foarte mult.

Curba de tracțiune poate fi descrisă printr-o lege empirică. Dacă cineva consideră că nu are un comportament vâscos , atunci legea este independentă de rata de deformare. În general, folosim trei tipuri de legi: legea lui Hollomon (sau legea potențială), legea lui Ludwik și legea lui Voce:

• Legea Zener - Hollomon  : σ = k ⋅ε n  ;
• Legea lui Ludwik: σ = σ 0 + k ⋅ε n  ;

unde n este coeficientul de întărire  ; valoarea sa este de obicei cuprinsă între 0,1 și 0,5.

Legea lui Voce este scrisă:

σ = σ 0 ⋅ (1 - e -Aε )

unde σ 0 este tensiunea de saturație. Putem folosi, de asemenea, o lege Voce mai complexă:

σ-σsσ0-σs=exp⁡(-LAε){\ displaystyle {\ frac {\ sigma - \ sigma _ {\ mathrm {s}}} {\ sigma _ {0} - \ sigma _ {\ mathrm {s}}}} = \ exp (- \ mathrm {A } \ varepsilon)}.

unde σ s este o tensiune de prag.

Dacă cineva este interesat doar de tulpini slabe de plastic, se folosește adesea o lege biliniară.

Concentrarea tensiunilor și întărirea locală

Când piesa prezintă o variație a secțiunii sau un defect - cavitate, incluziune ( precipitat ) mai dură sau mai puțin dură decât restul materialului, reintrare în unghi ascuțit, crestătură de jos - poate apărea o concentrație locală de solicitări . În timp ce se crede că se află în domeniul elastic , se intră local în domeniul plastic.

Se poate produce astfel o întărire locală. Acest fenomen este una dintre principalele cauze ale creării fisurilor în fenomenele de oboseală .

Mecanisme de întărire a muncii

Multiplicarea luxațiilor

Deformarea plastică a unei părți metalice este efectuată de mișcarea luxațiilor . În timpul deformării, aceste luxații se înmulțesc în funcție de mecanismul lui Frank și Read .

Totuși, luxațiile interferează între ele: dacă se află în același plan de alunecare, se atrag sau se resping, limitându-și propagarea și, dacă sunt în planuri ortogonale, se fixează reciproc (fenomenul „copacilor pădurii”) . Deci, cu cât sunt mai multe luxații, cu atât sunt mai multe deformări posibile, dar cu atât mai puțin mobile sunt luxațiile, deoarece acestea interferează între ele.

Pierderea mobilității luxațiilor duce la o creștere a limitei elastice și, prin urmare, a durității, care constituie întărirea muncii.

Dacă se schimbă direcția deformării plastice, întărirea lucrului poate, de asemenea, să scadă limita elastică: acesta este efectul Bauschinger .

Efect Bauschinger

Disconfortul reciproc al luxațiilor implică o întărire „izotropă”: limita elastică crește indiferent de direcția de deformare.

Efectul Bauschinger (care își datorează numele fizicianului Johann Bauschinger ) este modificarea anizotropă a limitei elastice a unui metal ( policristalin ) sau a unui aliaj în urma unei prime încărcări dincolo de limita elasticității virgine (nominale). Acest fenomen este esențial pentru înțelegerea fenomenului de oboseală și degradarea performanței materialelor sub sarcini alternative. Este vorba despre un model de întărire cinematică (vezi mai jos).

Dacă deformăm un metal într-o direcție dată în așa fel încât să dezvolte o deformare reziduală permanentă ( plastifiere ), atunci îl deformăm în direcția opusă în aceeași direcție, observăm că limita elastică a scăzut.

Acest fenomen se explică prin distribuția dislocărilor (defecte liniare rezultate din deformarea plastică) în metalele formate la rece: în timpul deformării, luxațiile se înmulțesc de-a lungul limitelor granulelor și se încurcă. În funcție de structura rezultată din formarea la rece, există în general două mecanisme în efectul Bauschinger:

1. Prezența tensiunilor reziduale locale favorizează dezvoltarea luxațiilor în direcția de contracarare, care scade limita elastică. Concentrația dislocărilor la limitele granulelor și formarea buclelor Orowan în jurul precipitațiilor dure sunt cele două cauze principale ale acestor tensiuni reziduale.
2. Când direcția de deformare este inversată, mecanismul de plasticizare generează luxații care au un vector Burgers opus celui al luxațiilor anterioare. Luxațiile tind, prin urmare, să se anuleze reciproc, ceea ce reduce limita elastică.

În total, tensiunea de curgere în direcția de contracarare este mai mică decât dacă materialul ar fi fost reîncărcat în aceeași direcție ca la prima sarcină.

Caz de stări de tensiune plană sau triaxială

Stres echivalent

În majoritatea cazurilor reale, starea de tensiune într-un punct dat al piesei trebuie descrisă nu printr-o singură valoare de solicitare, ci prin șase valori care formează un tensor simetric:

σ__=(σ11σ12σ13σ22σ23σ33){\ displaystyle {\ underline {\ underline {\ sigma}}} = {\ begin {pmatrix} \ sigma _ {11} & \ sigma _ {12} & \ sigma _ {13} \\ & \ sigma _ {22 } & \ sigma _ {23} \\ && \ sigma _ {33} \\\ end {pmatrix}}}

În cazul general, se poate găsi un sistem de coordonate ortonormale directe în care acest tensor este exprimat printr-o matrice diagonală, cele trei solicitări fiind numite tensiuni principale  :

σ__=(σEu00σEuEu0σEuEuEu){\ displaystyle {\ underline {\ underline {\ sigma}}} = {\ begin {pmatrix} \ sigma _ {\ mathrm {I}} & 0 & 0 \\ & \ sigma _ {\ mathrm {II}} & 0 \\ && \ sigma _ {\ mathrm {III}} \\\ end {pmatrix}}}

Dacă niciuna dintre aceste tensiuni nu este zero, se vorbește despre o stare de stres „triaxială”. Dacă una dintre tensiunile principale este zero, se vorbește despre o stare de solicitare „biaxială” sau „plană” și dacă o singură tensiune principală nu este zero, se vorbește despre o stare de solicitare „uniaxială”.

Testul de tracțiune prezentat mai sus corespunde unei stări de solicitare uniaxială. În această situație, starea de solicitare este, prin urmare, reprezentată de un σ scalar unic; se scrie criteriul de plasticitate

σ> R e

iar întărirea corespunde unei creșteri a limitei elastice R e .

În cazul unei stări de solicitare bi- sau triaxială, criteriul de plasticitate implică în general o solicitare echivalentă σ eqv care este un scalar calculat din componentele tensorului de solicitare. În general, se utilizează două constrângeri echivalente:

• tensiunea Tresca sau tensiunea maximă de forfecare:
  σ eqv = max (| σ I - σ II |, | σ II - σ III |, | σ III - σ I |) = max i ≠ j (| σ i - σ j  |);
• stresul von Mises sau stresul energetic de distorsiune:
  σeqv=12[(σEu-σEuEu)2+(σEuEu-σEuEuEu)2+(σEuEuEu-σEu)2]{\ displaystyle \ sigma _ {\ mathrm {eqv}} = {\ sqrt {{\ frac {1} {2}} [(\ sigma _ {\ mathrm {I}} - \ sigma _ {\ mathrm {II} }) ^ {2} + (\ sigma _ {\ mathrm {II}} - \ sigma _ {\ mathrm {III}}) ^ {2} + (\ sigma _ {\ mathrm {III}} - \ sigma _ {\ mathrm {I}}) ^ {2}]}}}

Criteriul de plasticitate este apoi scris

σ eqv > R e

În spațiul tensiunilor principale (σ I , σ II , σ III ), marginea σ eqv = R e este o suprafață:

• în cazul constrângerii Tresca, este o prismă cu o bază hexagonală și de lungime infinită;
• în cazul constrângerii von Mises, este un cilindru de revoluție și de lungime infinită.

Întărirea muncii corespunde apoi unei deformări a acestei suprafețe limită.

În cazul unei stări de tensiune biaxială, se poate satisface o reprezentare bidimensională (σ I , σ II ), granița este apoi o curbă: un hexagon pentru Tresca, o elipsă pentru von Mises.

Model izotrop sau cinematic de întărire

În general, sunt utilizate două modele de întărire a muncii.

În primul model, cunoscut sub numele de model „izotrop”, întărirea corespunde unei dilatații a suprafeței de margine printr-o omoteză centrată în (0, 0, 0). Aceasta înseamnă că există întărire indiferent de direcția de deformare.

În al doilea model, numit „cinematic”, suprafața limită nu se deformează, ci este tradusă. Aceasta înseamnă că există o întărire într-o anumită direcție, dar o înmuiere în alte direcții. Aceasta corespunde efectului Bauschinger.

Restaurare și recristalizare

Restaurarea și recristalizarea sunt fenomene al căror efect este de a anula întărire. Sunt activate termic  ; apar în timpul tratamentului termic, în special al recoacerii .

Recristalizarea poate avea loc numai atunci când întărirea este suficientă: forța motrice din spatele transformării este cantitatea de energie elastică a tensiunii „stocată” în luxații. În unele cazuri, când viteza de deformare este suficientă (pentru un anumit metal și temperatură), restaurarea și recristalizarea pot avea loc în același timp cu întărirea lucrului: vorbim de restaurare dinamică și recristalizare .

Note și referințe

1. Definiții lexicografice și etimologice ale „întăririi” tezaurului computerizat al limbii franceze , pe site-ul web al Centrului Național pentru Resurse Textuale și Lexicale
2. PABC 2002 , p.  783.
3. PABC 2002 , p.  787-788.
4. PABC 2002 , p.  463-467.
5. François Frey , Analiza structurilor și mediilor continue: Mecanica structurilor , vol.  2, Lausanne, PPUR , col.  „Tratatul de inginerie civilă al Politehnicii Federale din Lausanne”,2006, A 2 -a  ed. ( citiți online ) , „7.2.3 Efect Bauschinger”, p.  104
6. PABC 2002 , p.  915-916.
7. PABC 2002 , p.  789-791.
8. PABC 2002 , p.  791-792.

• Acest articol este preluat parțial sau în totalitate din articolul intitulat „  Efectul Bauschinger  ” (vezi lista autorilor ) .

Vezi și tu

Bibliografie

Bibliografie generală

• [PABC 2002] J. Philibert , A. Vignes , Y. Bréchet și P. Combrade , Metalurgie, de la minereu la material , Paris, Dunod ,2002, A 2 -a  ed. , 1177  p. ( ISBN  978-2-10-006313-0 ) , p.  781-794, 798-800, 822-829, 915-916
• J.-L. Fanchon , Ghid pentru științe și tehnologii industriale , Paris, Afnor, Nathan,2010, 592  p. ( ISBN  978-2-09-178761-9 și 2-12-494112-7 , OCLC  47854031 , prezentare online ) , p.  144

Efect Bauschinger

• (de) Johann Bauschinger , "  Über die Veränderung Elastizitätsgrenze der und die Festigkeit de Eisens Stahls und durch und Strecken Quetschen, durch und durch Erwärmen und abkühlen oftmals wiederholte Beanspruchungen  " , Mitthilungen aus dem Meschanich-Teschnichen Laboratorium der K. Teschnichen Hochschuhlen , Munchen, Theodor Ackermann, vol.  13,1886( citește online )
• J. Lemaitre J.-L. Chaboche, Mecanica materialelor solide , Paris, Dunod ,1988, 544  p. ( ISBN  2-04-018618-2 ) , „3.7 caracterizarea întăririi”, p.  110
• Norman E. Dowlings, Comportamentul mecanic al materialelor , Englewood Cliffs (NJ), Prentice Hall ,1993, 780  p. ( ISBN  0-13-026956-5 ) , „12. Deformații plastice și modele pentru materiale”, p.  547-48

Articole similare

• Criteriul plasticității
• Lustruit
• Sablare
• Mat (mecanic)
• Taxiing (tehnică)
• Recomandare
• Recuocare termică rapidă