Comprendre la récupération, la recristallisation et la croissance des grains dans le recuit des métaux

La récupération, la recristallisation et la croissance des grains sont des changements microstructuraux qui se produisent pendant le recuit après une déformation plastique à froid et/ou pendant le travail à chaud des métaux.

Récupération, Recristallisation et Croissance des grains

La déformation plastique, qui distord le réseau cristallin et brise les blocs des grains équiaxes initiaux (ayant des axes d'environ les mêmes dimensions) pour produire une structure fibreuse ou des lames minces, augmente le niveau d'énergie du métal.

Le métal déformé, par comparaison avec son état non déformé, est dans un état non-équilibre, thermodynamiquement instable. Par conséquent, des processus spontanés se produisent dans le métal écroui, même à température ambiante, qui l'amènent à un état plus stable.

Si la température est élevée suffisamment, le métal tente d'approcher l'équilibre à travers trois processus : (a) récupération, (b) recristallisation, et (c) croissance des grains.

La Figure 3.16 représente une systématique de ces processus avec variation temporelle. De nouveaux grains commencent à nucléer à partir des grains écrouis au temps T1 ; la nucléation des grains continuera et croîtra jusqu'au temps T2. À ce stade, tous les grains écrouis auront nucléé en nouveaux grains. Au temps T3, la taille de ces nouveaux grains croît à un rythme plus lent.

Un schéma indiquant la récupération, la recristallisation et la croissance des grains et les principaux changements de propriétés dans chaque région est montré dans la Fig. 2.9.

Récupération

Qu'est-ce que la Récupération ?

C'est un phénomène à basse température qui résulte en la restauration des propriétés physiques sans changement notable de microstructure. La récupération est critique pour libérer les contraintes internes dans les équipements forgés, soudés et fabriqués sans réduire la résistance acquise pendant et après le travail.

Fonctionnement

Si un métal écroui est chauffé à une température comparativement basse, les distorsions élastiques du réseau cristallin sont réduites en raison de l'augmentation de l'amplitude des oscillations thermiques des atomes. Ce chauffage diminuera légèrement la résistance du métal écroui mais la limite d'élasticité et la ductilité augmenteront, bien qu'elles n'atteindront pas les valeurs possédées par le matériau initial (avant écrouissage).

Aucun changement de microstructure n'est observé pendant cette période. Cette restauration partielle des propriétés originales, produite par la réduction de la distorsion du réseau cristallin sans changements notables de microstructure, est appelée récupération.

À une température donnée, le taux de récupération est le plus rapide au début et diminue à des temps plus longs. Ainsi, la quantité de récupération qui se produit dans un temps pratique augmente avec l'augmentation de la température. Dans un métal écroui donné, les propriétés individuelles récupèrent à des taux différents et atteignent divers degrés d'achèvement.

Courbe caractéristique de la récupération

La Figure 3.18 représente les caractéristiques du processus de récupération. La figure montre que (i) le taux de récupération est rapide au début et ralentit ensuite avec le temps, et (ii) la quantité de récupération augmente avec l'augmentation de la température. Les propriétés individuelles récupèrent à des taux différents dans les métaux.

Par la récupération, les contraintes sont soulagées des alliages écrouis ce qui prévient la fissuration par corrosion sous contrainte. Il est possible de soulager les contraintes sans affecter significativement les propriétés mécaniques. Une température de récupération élevée est requise pour éliminer complètement les contraintes résiduelles. Ce traitement à haute température est bénéfique pour les pièces coulées ou soudées.

Recristallisation

Qu'est-ce que la Recristallisation ?

C'est un processus dans lequel les grains déformés du métal travaillé à froid sont remplacés par de nouveaux grains sans contraintes lorsque chauffés au-dessus d'une température connue sous le nom de température de recristallisation. La recristallisation cause une diminution nette de la dureté et de la résistance tout en augmentant la ductilité.

Processus de fonctionnement

La formation de nouveaux grains équiaxes dans le processus de chauffage, au lieu de la structure fibreuse orientée du métal déformé, est appelée recristallisation. Les cristaux équiaxes sont des cristaux qui ont des axes d'environ la même longueur. Les grains équiaxes peuvent être une indication de recristallisation. Les cristaux équiaxes peuvent être obtenus par traitement thermique, à savoir le recuit et la normalisation

Ceci est illustré dans la Fig. 2.10. Le premier effet du chauffage est de former de nouveaux grains minuscules comme montré en blanc en (a), et ceux-ci s'agrandissent rapidement jusqu'à ce que la croissance supplémentaire soit restreinte par la rencontre d'un grain avec un autre comme montré en (b) et (C). Finalement, le système original de grains disparaît et la nouvelle structure cristallisée est montrée en (d), les grains originaux étant indiqués dans le dessin par des lignes pointillées. La recristallisation, en fait, ne produit pas de nouvelles structures mais produit de nouveaux grains ou cristaux de la même structure.

La recristallisation, en essence, consiste à faire surmonter aux atomes du métal déformé les liaisons du réseau distordu, la formation de noyaux de grains équiaxes et la croissance subséquente de ces grains due au transfert d'atomes des cristallites déformées aux cristallites non déformées. En fin de compte, les grains sont affinés et acquièrent une forme ressemblant à des fibres comme montré dans la Fig.2.11.

La température à laquelle la cristallisation a lieu, c'est-à-dire que de nouveaux grains sont formés, est appelée température de recristallisation. Elle est définie comme cette température à laquelle 50 pour cent du matériau écroui à froid se recristallisera en une heure.

Croissance des grains

Qu'est-ce que la Croissance des grains ?

Elle fait référence à l'augmentation de la taille moyenne des grains causée par un recuit additionnel après que le matériau s'est recristallisé. Les petits grains ont moins d'énergie libre que les gros grains. Les cristaux plus petits avec des atomes à haute énergie ont tendance à devenir une partie de cristaux plus grands. Cette propension favorise la croissance des grains.

Processus de fonctionnement

Juste après qu'un métal s'est recristallisé, les grains sont petits et quelque peu réguliers en forme. Le grain croîtra si la température est assez élevée ou si on permet à la température de dépasser le minimum requis pour la recristallisation. Cette croissance est le résultat d'une tendance à retourner à un état plus stable et plus grand, et semble dépendre principalement de la forme du grain.

Pour toute température au-dessus de la température de recristallisation, il y a normalement une taille maximale pratique à laquelle les grains atteindront l'équilibre et cesseront de croître appreciablement, peu importe combien de temps ils sont maintenus à cette température. Il existe cependant certains types de croissance anormale des grains qui se produisent en raison de gradients appliqués ou résiduels de contrainte dus à une distribution non uniforme d'impuretés, et qui permettent la croissance de grains uniques très grands.

Facteurs affectant le contrôle de la taille des grains

1. Degré de déformation antérieure

La quantité accrue de déformation antérieure favorise la nucléation et réduit la taille finale des grains. Avant que la recristallisation ne puisse se produire, une certaine quantité de déformation est requise. C'est approximativement 2,8 pour cent de la déformation totale. Lorsque la déformation est faible (mais supérieure à la déformation minimale), la taille des grains est grossière car un petit nombre de noyaux sont formés. À mesure que la déformation augmente, le nombre de points déformés augmente, et ainsi la taille des grains diminue.

2. Température

Il y a une température en dessous de laquelle la recristallisation ne se produit pas. La taille des grains augmente progressivement au-dessus de cette température.

3. Chauffage

L'effet du temps de chauffage sur la taille des grains est déterminé par la température à laquelle la recristallisation se produit. La recristallisation prend un certain temps pour se compléter, mais cette quantité de temps diminue à mesure que la température augmente. Plus la taille des grains est fine, plus le temps de recuit est court. Le grain devient plus grossier à mesure que le temps de recuit augmente. Un chauffage lent favorise la croissance des grains en formant de nouveaux noyaux, résultant en des grains grossiers.

4. Impuretés

Une taille de grain plus fine sera présente avec une plus grande quantité et une distribution plus fine d'impuretés. Les impuretés favorisent la nucléation et agissent comme une barrière à la croissance des grains.

Effet de la température sur la récupération, la recristallisation et la croissance des grains

La Fig. 3.21 résume l'effet de divers phénomènes sur les propriétés mécaniques et physiques.

Q. Dans lequel des processus suivants la récupération, la recristallisation et la croissance des grains ont-elles lieu ?
a) Durcissement de surface
b) Revenu
c) Renforcement
d) Recuit

Réponse :- D

Explication :- Dans le processus de recuit, le cristal passe par trois étapes qui sont appelées récupération, recristallisation et croissance des grains dans l'ordre.

Questions fréquemment posées

Quelle est la différence entre récupération et recristallisation ?

Récupération – Un traitement thermique de recuit à basse température conçu pour éliminer les contraintes résiduelles introduites pendant la déformation sans réduire la résistance du matériau écroui à froid.

Température de recristallisation – La température au-dessus de laquelle les effets de l'écrouissage sont éliminés pendant le recuit.

Quelle est la différence entre récupération, recristallisation et croissance des grains ?

Récupération se produit à basse température et réduit ou élimine les effets de l'écrouissage.

Recristallisation se produit lorsque suffisamment d'énergie thermique est disponible pour conduire la création et la croissance sans contraintes de nouveaux grains dans la matrice existante.

Croissance des grains est le résultat de températures élevées continues après la recristallisation alors que les joints de grains sont éliminés, résultant en une augmentation de la taille de grain présente indépendamment de sa taille de grain austénitique antérieure.

Pourquoi le travail à froid est-il requis pour la récupération ?

Le travail à froid augmente la résistance d'un matériau, mais diminue sa ductilité et sa conductivité électrique. De plus, des contraintes résiduelles sont introduites dans le matériau en raison du chevauchement et de l'emmêlement des dislocations.

Quelles sont les forces motrices pour la recristallisation et la croissance des grains ?

La force motrice pour la croissance des grains, qu'elle soit continue (croissance normale des grains) ou discontinue (croissance anormale des grains), est l'énergie des joints de grains à angle élevé. La force motrice principale pour que la recristallisation se produise est l'énergie stockée pendant la déformation sous forme de défauts cristallins.