La déformation plastique de la alliage d'aluminium À température ambiante et sous contrainte modérée, la déformation plastique est principalement due au glissement des dislocations. À l'inverse, à haute température et sous faible contrainte, la déformation plastique est due au fluage des dislocations et à l'écoulement par diffusion. En général, quelle que soit la température de travail, la résistance à la déformation de l'alliage est principalement déterminée par la facilité de déplacement des dislocations. Par conséquent, la résistance de l'alliage d'aluminium au déplacement des dislocations est appelée renforcement des alliages d'aluminium.
Il existe de nombreuses méthodes de renforcement et de classification des alliages d'aluminium, généralement divisées en deux catégories : l'écrouissage et le renforcement par alliage. Les méthodes de renforcement des alliages d'aluminium peuvent être subdivisées en sept catégories : l'écrouissage, le renforcement par solution solide, le renforcement hétérogène, le renforcement par dispersion, le renforcement par précipitation, le renforcement des joints de grains et le renforcement composite. En pratique, plusieurs méthodes de renforcement fonctionnent souvent simultanément.
Traitement et renforcement des alliages d'aluminium
La méthode permettant d'obtenir une résistance élevée d'un alliage par déformation plastique (laminage, extrusion, forgeage, étirage, etc.) est appelée écrouissage. L'augmentation de la densité de dislocations lors de la déformation plastique est essentielle à l'écrouissage des alliages. Selon les statistiques, après une forte déformation du métal, la densité de dislocations peut passer de 106 unités/cm² à plus de 2 unités/cm². Plus la densité de dislocations est élevée dans l'alliage, plus les possibilités de transfert des dislocations entre elles lors du glissement sont nombreuses lorsque la déformation se poursuit, et plus la résistance mutuelle, et donc la résistance à la déformation, sont importantes, ce qui renforce l'alliage.
Le traitement et le renforcement des matériaux métalliques s'expliquent par la répartition inégale des dislocations lors de la déformation du métal. Elles s'enchevêtrent en groupes de manière chaotique, formant des enchevêtrements de dislocations. Celles-ci se transforment en une sous-structure cellulaire, et le grain déformé est composé de nombreuses petites unités appelées « cellules ». Des enchevêtrements de dislocations à haute densité se concentrent autour des cellules pour former des enveloppes, et la densité de dislocations à l'intérieur des cellules est très faible. Ces structures cellulaires entravent le mouvement des dislocations, de sorte que le nombre de dislocations immobiles augmente considérablement, nécessitant une force plus importante pour franchir les obstacles. Plus la déformation est importante, plus la sous-structure est petite, plus sa capacité à résister à une déformation continue est élevée, plus l'effet d'écrouissage est marqué et plus sa résistance est élevée. La création de sous-structures est également appelée renforcement de sous-structure.
Le degré de renforcement varie en fonction de la vitesse de déformation, de la température de déformation et des propriétés de l'alliage lui-même. Lorsqu'un même alliage est déformé à froid à la même température, plus la vitesse de déformation est élevée, plus la résistance est élevée, mais la plasticité diminue avec l'augmentation de la vitesse de déformation. Les conditions de déformation de l'alliage sont différentes, tout comme la distribution des dislocations.
Lorsque la température de déformation est basse (comme lors du laminage à froid), l'activité des dislocations est faible et les dislocations sont généralement désordonnées et irrégulièrement réparties après déformation, formant un enchevêtrement de dislocations. À ce stade, l'alliage présente un bon effet de renforcement, mais sa plasticité est également fortement réduite. À une température de déformation élevée, l'activité des dislocations est importante et un glissement transversal se produit. Les dislocations peuvent s'agréger localement, s'enchevêtrer, former des amas de dislocations, et ainsi renforcer la sous-structure. À ce stade, l'effet de renforcement n'est pas aussi bon que celui de la déformation à froid, mais la plasticité est sans perte.
L'écrouissage ou le renforcement sous-structurel est une méthode de renforcement très efficace à température ambiante, adaptée à l'aluminium pur industriel, aux alliages en solution solide et aux alliages d'aluminium multiphasés qui ne peuvent pas être renforcés par traitement thermique, mais contribuent généralement à la résistance en raison de la récupération et de la recristallisation à des températures élevées nettement plus petites.
Lorsque certains alliages d'aluminium sont déformés à froid, ils peuvent former une meilleure texture et se renforcer dans une certaine direction, ce que l'on appelle le renforcement de la texture.
Renforcement par solution solide des alliages d'aluminium
Lorsque les éléments d'alliage sont dissous dans le métal de base (solvant) pour former une solution solide, la résistance et la dureté de l'alliage sont généralement améliorées, ce que l'on appelle le renforcement par solution solide. Tous les composants d'alliage solubles, et même les impuretés, peuvent contribuer au renforcement par solution solide. Le renforcement par solution solide est particulièrement intéressant : la résistance et la dureté de l'alliage sont améliorées, tandis que la plasticité est maintenue à un bon niveau. Cependant, cette méthode seule ne permet pas d'obtenir une résistance particulièrement élevée.
Après la dissolution des éléments d'alliage dans le métal de base, la densité de dislocations de ce dernier augmente et le réseau se déforme simultanément. Le champ de contrainte généré par la distorsion interagit avec le champ de contrainte élastique autour de la dislocation, provoquant le rassemblement des atomes des éléments d'alliage près de la ligne de dislocation pour former une « masse d'air ».
Pour que les dislocations se déplacent, elles doivent surmonter l'effet de blocage de la masse d'air, se déplacer avec elle ou s'en libérer, ce qui nécessite une contrainte de cisaillement plus importante. De plus, les atomes des éléments d'alliage peuvent également modifier le coefficient d'élasticité, le coefficient de diffusion, la cohésion et les défauts d'arrangement atomique de la solution solide, ce qui provoque une courbure de la ligne de dislocation et une augmentation de la résistance au mouvement des dislocations, notamment lors des interactions à longue portée entre la dislocation et les atomes du soluté, ainsi que lors des interactions à courte portée, renforçant ainsi le matériau.
L'ampleur du renforcement d'une solution solide dépend de la concentration en atomes de soluté, de la taille relative des atomes, du type de solution solide, des facteurs électroniques et du module d'élasticité. En règle générale, plus la concentration en atomes de soluté est élevée, plus l'effet de renforcement est important ; plus la différence de taille atomique est importante, plus l'effet de renforcement sur la solution solide de remplacement est important ; plus la différence entre le nombre d'électrons de valence des atomes de soluté et des atomes d'aluminium est importante, plus l'effet de renforcement de la solution solide est important. Plus la différence est importante, meilleur est l'effet de renforcement.
Lors de l'utilisation d'alliages de renforcement en solution solide, il est recommandé de sélectionner des éléments à fort effet de renforcement. Il est toutefois plus important de privilégier des éléments à forte solubilité dans le métal de base, car l'effet de renforcement de la solution solide augmente avec sa teneur. Seuls ces éléments à forte solubilité dans le métal de base peuvent être ajoutés en grandes quantités. Par exemple, le cuivre et le magnésium sont les principaux éléments d'alliage des alliages d'aluminium ; l'aluminium et le zinc sont les principaux éléments d'alliage des alliages de magnésium, en raison de leur forte solubilité dans le métal de base.
Lors du renforcement en solution solide, le principe d'alliage complexe avec plusieurs éléments en petites quantités est souvent utilisé (c'est-à-dire que plusieurs éléments d'alliage sont ajoutés simultanément, mais en petite quantité chacun) pour complexifier la composition de la solution solide, ce qui peut accroître son effet de renforcement et permettre son maintien à une température plus élevée.
Renforcement par précipitation des alliages d'aluminium
Le processus de précipitation d'une seconde phase stable à partir d'une solution solide sursaturée pour former une phase de transition dans une région métastable enrichie en atomes de soluté est appelé précipitation.
Tout alliage dont la solubilité solide varie précipite lorsqu'il passe d'une phase monophasée à une phase biphasée. La solution solide sursaturée est obtenue lors de la mise en solution de l'alliage d'aluminium, puis chauffée à une certaine température. La précipitation se produit pour former une particule de phase métastable cohérente ; ce processus est appelé vieillissement.
Le renforcement dû à la précipitation ou au vieillissement est appelé renforcement par précipitation ou renforcement par vieillissement. Le processus de précipitation de la deuxième phase est également appelé précipitation, et son renforcement est appelé renforcement par précipitation. Les particules précipitées par le vieillissement des alliages d'aluminium sont généralement de la région GP, en phase de transition cohérente ou semi-cohérente, et leur taille est de 0.001 à 0.1 μm, ce qui les classe parmi les particules du troisième type.
Ces points mous ont trois effets de renforcement : le renforcement par déformation, le renforcement par dispersion et le renforcement chimique. Les particules renforcées par vieillissement sont réparties uniformément dans la matrice, de sorte que la déformation tend à être uniforme. La perte de plasticité due au renforcement par vieillissement est donc inférieure à celle due à l'écrouissage, au renforcement par dispersion et au renforcement hétérophasique.
Le renforcement par précipitation permet d'augmenter la résistance de l'alliage de plusieurs dizaines, voire centaines de fois. C'est pourquoi il s'agit d'une méthode efficace, couramment utilisée pour les métaux non ferreux tels que l'argent, le magnésium, l'aluminium et le cuivre.
L'effet du renforcement par précipitation dépend de la composition de l'alliage, de la sursaturation de la solution solide après trempe, des caractéristiques, de la distribution et de la dispersion de la phase de renforcement, ainsi que du système de traitement thermique. L'alliage offrant le meilleur effet de renforcement se situe dans la composition à solubilité limite, où la fraction volumique de la phase précipitée peut être obtenue au maximum.
