Avant écrouissage, le treillis du matériau présente un motif régulier, presque sans défaut (presque pas de dislocations). Le réseau sans défaut peut être créé ou restauré à tout moment par recuit. Au fur et à mesure que le matériau est durci, il devient de plus en plus saturé de nouvelles dislocations, et plus de dislocations sont empêchées de se nucléer (une résistance à la formation de dislocations se développe). Cette résistance à la formation de dislocations se manifeste par une résistance à la déformation plastique; d’où le renforcement observé.
Dans les cristaux métalliques, il s’agit d’un processus réversible qui est généralement effectué à l’échelle microscopique par des défauts appelés dislocations, qui sont créés par des fluctuations des champs de contraintes locaux dans le matériau aboutissant à un réarrangement du réseau lorsque les dislocations se propagent à travers le réseau. Aux températures normales, les dislocations ne sont pas annihilées par recuit. Au lieu de cela, les dislocations s’accumulent, interagissent les unes avec les autres et servent de points d’ancrage ou d’obstacles qui entravent considérablement leur mouvement. Cela conduit à une augmentation de la limite d’élasticité du matériau et à une diminution ultérieure de la ductilité.
Une telle déformation augmente la concentration de dislocations qui peuvent ensuite former des joints de grains à faible angle entourant les sous-grains. Le travail à froid entraîne généralement une limite d’élasticité plus élevée en raison du nombre accru de dislocations et de l’effet Hall–Petch des sous-grains, et une diminution de la ductilité. Les effets du travail à froid peuvent être inversés par le recuit du matériau à des températures élevées où la récupération et la recristallisation réduisent la densité de dislocation.
La trempabilité au travail d’un matériau peut être prédite en analysant une courbe contrainte–déformation, ou étudiée en contexte en effectuant des tests de dureté avant et après un processus.
Déformation élastique et plastiquemodifier
L’écrouissage est une conséquence de la déformation plastique, un changement permanent de forme. Ceci est distinct de la déformation élastique, qui est réversible. La plupart des matériaux ne présentent pas seulement l’un ou l’autre, mais plutôt une combinaison des deux. La discussion suivante s’applique principalement aux métaux, en particulier aux aciers, qui sont bien étudiés. L’écrouissage se produit notamment pour les matériaux ductiles tels que les métaux. La ductilité est la capacité d’un matériau à subir des déformations plastiques avant la fracture (par exemple, plier une tige d’acier jusqu’à ce qu’elle se brise enfin).
L’essai de traction est largement utilisé pour étudier les mécanismes de déformation. En effet, sous compression, la plupart des matériaux connaîtront des événements triviaux (discordance du réseau) et non triviaux (flambage) avant que la déformation plastique ou la fracture ne se produise. D’où les processus intermédiaires qui se produisent sur le matériau en compression uniaxiale avant l’incidence de la déformation plastique rendent l’essai de compression lourd de difficultés.
Un matériau se déforme généralement élastiquement sous l’influence de petites forces ; le matériau reprend rapidement sa forme d’origine lorsque la force de déformation est supprimée. Ce phénomène est appelé déformation élastique. Ce comportement dans les matériaux est décrit par la loi de Hooke. Les matériaux se comportent élastiquement jusqu’à ce que la force de déformation augmente au-delà de la limite élastique, également appelée limite d’élasticité. À ce stade, le matériau est déformé en permanence et ne parvient pas à retrouver sa forme d’origine lorsque la force est supprimée. Ce phénomène est appelé déformation plastique. Par exemple, si l’on étire un ressort hélicoïdal jusqu’à un certain point, il retrouvera sa forme d’origine, mais une fois étiré au-delà de la limite élastique, il restera déformé et ne reviendra pas à son état d’origine.
La déformation élastique étire les liaisons entre les atomes loin de leur rayon de séparation d’équilibre, sans appliquer suffisamment d’énergie pour rompre les liaisons inter-atomiques. La déformation plastique, en revanche, rompt les liaisons inter-atomiques et implique donc le réarrangement des atomes dans un matériau solide.
Dislocations et champs de déformation du réseaumodifier
Dans le langage de la science des matériaux, les dislocations sont définies comme des défauts de ligne dans la structure cristalline d’un matériau. Les liaisons entourant la dislocation sont déjà contraintes élastiquement par le défaut par rapport aux liaisons entre les constituents du réseau cristallin régulier. Par conséquent, ces liaisons se brisent à des contraintes relativement faibles, entraînant une déformation plastique.
Les liaisons tendues autour d’une dislocation sont caractérisées par des champs de déformation en réseau. Par exemple, il existe des liaisons contraintes en compression directement à côté d’une dislocation de bord et des liaisons tendues au-delà de la fin d’une dislocation de bord. Ceux-ci forment des champs de contrainte de compression et des champs de contrainte de traction, respectivement. Les champs de contrainte sont analogues aux champs électriques à certains égards. Plus précisément, les champs de déformation des dislocations obéissent à des lois similaires d’attraction et de répulsion; afin de réduire la déformation globale, les déformations en compression sont attirées par les déformations en traction, et vice versa.
Les résultats visibles (macroscopiques) de la déformation plastique sont le résultat d’un mouvement de dislocation microscopique. Par exemple, l’étirement d’une tige d’acier dans un testeur de traction est pris en charge par un mouvement de dislocation à l’échelle atomique.
Augmentation des dislocations et durcissement du travailmodifier
L’augmentation du nombre de dislocations est une quantification de l’écrouissage. La déformation plastique se produit à la suite d’un travail effectué sur un matériau; de l’énergie est ajoutée au matériau. De plus, l’énergie est presque toujours appliquée assez rapidement et de manière suffisamment importante pour non seulement déplacer les dislocations existantes, mais aussi pour produire un grand nombre de nouvelles dislocations en secouant ou en travaillant suffisamment le matériau. De nouvelles dislocations sont générées à proximité d’une source à lecture franche.
La limite d’élasticité est augmentée dans un matériau travaillé à froid. En utilisant des champs de déformation du réseau, on peut montrer qu’un environnement rempli de dislocations entravera le mouvement d’une dislocation quelconque. Comme le mouvement de dislocation est entravé, la déformation plastique ne peut pas se produire à des contraintes normales. Lors de l’application de contraintes juste au-delà de la limite d’élasticité du matériau non travaillé à froid, un matériau travaillé à froid continuera à se déformer en utilisant le seul mécanisme disponible: déformation élastique, le schéma régulier d’étirement ou de compression des liaisons électriques (sans mouvement de dislocation) continue de se produire et le module d’élasticité est inchangé. Finalement, la contrainte est suffisamment importante pour surmonter les interactions contrainte-champ et la déformation plastique reprend.
Cependant, la ductilité d’un matériau durci est diminuée. La ductilité est la mesure dans laquelle un matériau peut subir une déformation plastique, c’est-à-dire la mesure dans laquelle un matériau peut être déformé plastiquement avant la fracture. Un matériau travaillé à froid est, en effet, un matériau normal (cassant) qui a déjà été étendu par une partie de sa déformation plastique autorisée. Si le mouvement de dislocation et la déformation plastique ont été suffisamment entravés par l’accumulation de dislocations et que l’étirement des liaisons électroniques et la déformation élastique ont atteint leur limite, un troisième mode de déformation se produit: fracture.
Quantification du durcissementmodifier
La force, τ{\displaystyle\tau }
, de dislocation dépend du module de cisaillement, G, de la magnitude du vecteur de Burgers, b, et de la densité de dislocation, ρ { {\displaystyle\rho_{\perp}}
: τ = τ 0 + G α b ρ ρ 1 / 2 {\displaystyle\tau =\tau_ {0} + G\alpha b\rho _ {\perp }^{1/2}\ }
où τ 0 {\displaystyle\tau _{0}}
est la résistance intrinsèque du matériau à faible densité de dislocation et α{\displaystyle\alpha}
est un facteur de correction spécifique au matériau.
Comme le montre la figure 1 et l’équation ci-dessus, l’écrouissage a une dépendance de la demi-racine sur le nombre de dislocations. Le matériau présente une résistance élevée s’il y a des niveaux élevés de dislocations (supérieurs à 1014 dislocations par m2) ou pas de dislocations. Un nombre modéré de dislocations (entre 107 et 109 dislocations par m2) entraîne généralement une faible résistance.
Exampledit
Pour un exemple extrême, dans un essai de traction, une barre d’acier est tendue juste avant la longueur à laquelle elle se fracture habituellement. La charge est libérée en douceur et le matériau soulage une partie de sa contrainte en diminuant en longueur. La diminution de la longueur s’appelle la récupération élastique, et le résultat final est une barre d’acier trempé. La fraction de longueur récupérée (longueur récupérée / longueur d’origine) est égale à la limite d’élasticité divisée par le module d’élasticité. (Nous discutons ici de la contrainte réelle afin de tenir compte de la diminution drastique du diamètre dans cet essai de traction.) La longueur récupérée après enlèvement d’une charge d’un matériau juste avant sa rupture est égale à la longueur récupérée après enlèvement d’une charge juste avant son entrée en déformation plastique.
La barre d’acier trempé présente un nombre de dislocations suffisamment important pour que l’interaction du champ de déformation empêche toute déformation plastique. La déformation ultérieure nécessite une contrainte qui varie linéairement avec la contrainte observée, la pente du graphe de contrainte par rapport à la contrainte est le module d’élasticité, comme d’habitude.
La barre d’acier trempé se fracture lorsque la contrainte appliquée dépasse la contrainte de fracture habituelle et que la contrainte dépasse la contrainte de fracture habituelle. Cela peut être considéré comme la limite élastique et la limite d’élasticité est maintenant égale à la ténacité à la rupture, qui est beaucoup plus élevée qu’une limite d’élasticité en acier non trempé.
La quantité de déformation plastique possible est nulle, ce qui est inférieur à la quantité de déformation plastique possible pour un matériau non durci. Ainsi, la ductilité de la barre travaillée à froid est réduite.
Une cavitation importante et prolongée peut également produire un durcissement par déformation.