Recuit (science des matériaux)

Dans la métallurgie et la science des matériaux , le recuit est un Traitement thermique qui modifie les propriétés physiques et parfois chimiques d’un matériau pour augmenter sa ductilité et réduire sa dureté , le rendant plus maniable. Il s’agit de chauffer un matériau au-dessus de sa température de recristallisation , de maintenir une température appropriée pendant une durée appropriée, puis de refroidir.

Lors du recuit, les atomes migrent dans le réseau cristallin et le nombre de dislocations diminue, entraînant une modification de la ductilité et de la dureté. Au fur et à mesure que le matériau refroidit, il recristallise. Pour de nombreux alliages, y compris l’acier au carbone, la taille des grains cristallins et la composition des phases, qui déterminent finalement les propriétés du matériau, dépendent de la vitesse de chauffage et de la vitesse de refroidissement. Le travail à chaud ou à froid après le processus de recuit modifie la structure métallique, de sorte que d’autres traitements thermiques peuvent être utilisés pour obtenir les propriétés requises. Avec la connaissance de la composition et du diagramme de phase , le Traitement thermique peut être utilisé pour passer de plus dur et plus cassant à plus doux et plus ductile.

Dans le cas des Métaux ferreux , tels que l’ acier , le recuit est effectué en chauffant le matériau (généralement jusqu’à ce qu’il rougisse) pendant un certain temps, puis en le laissant refroidir lentement à Température ambiante dans de l’air calme. Le cuivre , l’argent et le laiton peuvent être soit refroidis lentement à l’air, soit rapidement par trempe dans l’eau. ^[1] De cette façon, le métal est ramolli et préparé pour d’autres travaux tels que la mise en forme, l’estampage ou le formage.

Thermodynamique

Le recuit se produit par la diffusion d’atomes dans un matériau solide, de sorte que le matériau progresse vers son état d’équilibre. La chaleur augmente le taux de diffusion en fournissant l’énergie nécessaire pour rompre les liaisons. Le mouvement des atomes a pour effet de redistribuer et d’éradiquer les dislocations dans les métaux et (dans une moindre mesure) dans les céramiques. Cette altération des dislocations existantes permet à un objet métallique de se déformer plus facilement, augmentant sa ductilité. ^[2]

La quantité d’ énergie libre de Gibbs initiant le processus dans un métal déformé est également réduite par le processus de recuit. Dans la pratique et l’industrie, cette réduction de l’énergie libre de Gibbs est appelée soulagement du stress . ^{[ citation nécessaire ]}

Le soulagement des contraintes internes est un processus thermodynamiquement spontané ; cependant, à Température ambiante, c’est un processus très lent. Les températures élevées auxquelles le recuit se produit servent à accélérer ce processus. ^{[ citation nécessaire ]}

La réaction qui facilite le retour du métal travaillé à froid à son état sans contrainte a de nombreuses voies de réaction, impliquant principalement l’élimination des gradients de lacunes de réseau dans le corps du métal. La création de lacunes de réseau est régie par l’ équation d’Arrhenius , et la migration/diffusion des lacunes de réseau est régie par les lois de diffusion de Fick. ^[3]

Dans l’acier, il existe un mécanisme de décarburation qui peut être décrit en trois événements distincts : la réaction à la surface de l’acier, la diffusion interstitielle des atomes de carbone et la dissolution des carbures au sein de l’acier. ^[4]

Étapes

Les trois étapes du processus de recuit qui se déroulent lorsque la température du matériau augmente sont : la récupération, la recristallisation et la croissance des grains. La première étape est la récupération , et elle se traduit par un ramollissement du métal par l’élimination de défauts principalement linéaires appelés dislocations et des contraintes internes qu’ils provoquent. La récupération se produit à l’étape de température inférieure de tous les processus de recuit et avant l’apparition de nouveaux grains sans déformation. La taille et la forme des grains ne changent pas. ^[5] La deuxième étape est la recristallisation , où de nouveaux grains sans contrainte nucléent et se développent pour remplacer ceux déformés par des contraintes internes. ^[5]Si le recuit est autorisé à se poursuivre une fois la recristallisation terminée, la croissance des grains (la troisième étape) se produit. Lors de la croissance des grains, la microstructure commence à grossir et peut faire perdre au métal une partie substantielle de sa résistance d’origine. Ceci peut cependant être récupéré avec un durcissement . ^{[ citation nécessaire ]}

Atmosphères contrôlées

La température élevée du recuit peut entraîner une oxydation de la surface du métal, entraînant une formation de tartre. Si le tartre doit être évité, le recuit est effectué dans une atmosphère spéciale , comme avec un gaz endothermique (un mélange de monoxyde de carbone , d’hydrogène gazeux et d’Azote gazeux ). Le recuit se fait également en formant du gaz , un mélange d’hydrogène et d’azote.

Les propriétés magnétiques du mu-métal (noyaux d’Espey) sont introduites en recuit l’alliage dans une atmosphère d’hydrogène.

Installation et équipement

En règle générale, de grands fours sont utilisés pour le processus de recuit. L’intérieur du four est suffisamment grand pour placer la pièce dans une position lui permettant de recevoir une exposition maximale à l’air chaud circulant. Pour le recuit de processus à grand volume, des fours à convoyeur à gaz sont souvent utilisés. Pour les grandes pièces ou les pièces en grande quantité, des fours à fond de voiture sont utilisés afin que les travailleurs puissent facilement déplacer les pièces à l’intérieur et à l’extérieur. Une fois le processus de recuit terminé avec succès, les pièces sont parfois laissées dans le four afin qu’elles refroidissent de manière contrôlable. Alors que certaines pièces sont laissées dans le four pour refroidir de manière contrôlée, d’autres matériaux et alliages sont retirés du four. Une fois retirées du four, les pièces sont souvent refroidies rapidement dans un processus connu sous le nom de durcissement par trempe. Les méthodes typiques de durcissement par trempe des matériaux impliquent des milieux tels que l’air, l’eau, l’huile, ou sel. Le sel est utilisé comme moyen de trempe, généralement sous forme de saumure (eau salée). La saumure fournit des taux de refroidissement plus rapides que l’eau. En effet, lorsqu’un objet est trempé dans de l’eau, des bulles de vapeur se forment à la surface de l’objet, réduisant la surface avec laquelle l’eau est en contact. Le sel dans la saumure réduit la formation de bulles de vapeur à la surface de l’objet, ce qui signifie qu’il y a une plus grande surface de l’objet en contact avec l’eau, ce qui permet des vitesses de refroidissement plus rapides.^{[ citation nécessaire ]} Le durcissement par trempe est généralement applicable à certains alliages ferreux, mais pas aux alliages de cuivre. ^{[ citation nécessaire ]}

Recuit de diffusion de semi-conducteurs

Dans l’ industrie des semi -conducteurs , les tranches de silicium sont recuites pour réparer le désordre au niveau atomique à partir d’étapes telles que l’ implantation ionique . Dans l’étape du processus, les atomes dopants , généralement le bore , le phosphore ou l’arsenic , se déplacent vers des positions de substitution dans le réseau cristallin, ce qui permet à ces atomes dopants de fonctionner correctement comme dopants dans le matériau semi-conducteur.

Cycles spécialisés

Normalisation

La normalisation est un processus de recuit appliqué aux alliages ferreux pour donner au matériau une structure à grain fin uniforme et pour éviter un ramollissement excessif de l’acier. Il s’agit de chauffer l’acier à 20–50 °C au-dessus de son point critique supérieur, de le faire tremper pendant une courte période à cette température, puis de le laisser refroidir à l’air. Le chauffage de l’acier juste au-dessus de son point critique supérieur crée des grains austénitiques (beaucoup plus petits que les grains ferritiques précédents) qui, lors du refroidissement, forment de nouveaux grains ferritiques avec une granulométrie encore plus raffinée. Le processus produit un matériau plus résistant et plus ductile et élimine les grains colonnaires et la ségrégation dendritique qui se produit parfois pendant la coulée. La normalisation améliore l’ usinabilitéd’un composant et offre une stabilité dimensionnelle s’il est soumis à d’autres processus de Traitement thermique.

Recuit de processus

Le recuit de processus, également appelé recuit intermédiaire , recuit sous- critique ou recuit en cours de processus , est un cycle de Traitement thermique qui restaure une partie de la ductilité d’un produit travaillé à froid afin qu’il puisse être travaillé à froid davantage sans se casser.

La plage de température pour le recuit de processus va de 260 ° C (500 ° F) à 760 ° C (1400 ° F), selon l’alliage en question. Ce procédé est principalement adapté aux aciers à faible teneur en carbone. Le matériau est chauffé jusqu’à une température juste en dessous de la température critique inférieure de l’acier. L’acier travaillé à froid a normalement tendance à posséder une dureté accrue et une ductilité réduite, ce qui le rend difficile à travailler. Le recuit de procédé tend à améliorer ces caractéristiques. Ceci est principalement effectué sur de l’acier laminé à froid comme l’acier tréfilé, les tuyaux en fonte ductile coulés par centrifugation, etc.

Recuit complet

Gammes complètes de températures de recuit

Un recuit complet se traduit généralement par le deuxième état le plus ductile qu’un métal peut prendre pour un alliage métallique. Son but est de créer une microstructure uniforme et stable qui ressemble le plus à la microstructure d’équilibre du diagramme de phase du métal, permettant ainsi au métal d’atteindre des niveaux relativement faibles de dureté, de Limite d’élasticité et de résistance ultime avec une plasticité et une ténacité élevées. Pour effectuer un recuit complet sur un acier par exemple, l’acier est chauffé légèrement au-dessus de la température austénitique et maintenu pendant un temps suffisant pour permettre au matériau de former complètement une structure de grains d’ austénite ou d’austénite-cémentite. On laisse ensuite le matériau refroidir très lentement pour que l’ équilibremicrostructure est obtenue. Dans la plupart des cas, cela signifie que le matériau est autorisé à refroidir au four (le four est éteint et l’acier est laissé refroidir à l’intérieur), mais dans certains cas, il est refroidi à l’air. La vitesse de refroidissement de l’acier doit être suffisamment lente pour ne pas laisser l’ austénite se transformer en bainite ou martensite , mais plutôt la transformer complètement en perlite et ferrite ou cémentite . Cela signifie que les aciers très trempables(c’est-à-dire qu’ils ont tendance à former de la martensite à des vitesses de refroidissement modérément faibles) doivent être refroidis au four. Les détails du processus dépendent du type de métal et de l’alliage précis impliqué. Dans tous les cas, le résultat est un matériau plus ductile mais avec une Limite d’élasticité et une Résistance à la traction inférieures . Ce procédé est aussi appelé recuit LP pour la perlite lamellaire dans la sidérurgie par opposition à un recuit procédé , qui ne précise pas de microstructure et n’a pour but que d’adoucir le matériau. Souvent, le matériau à usiner est recuit, puis soumis à un Traitement thermique supplémentaire pour obtenir les propriétés finales souhaitées.

Recuit à cycle court

Le recuit à cycle court est utilisé pour transformer la ferrite normale en ferrite malléable. Il consiste à chauffer, refroidir puis réchauffer de 4 à 8 heures.

Chauffage résistif

Le Chauffage résistif peut être utilisé pour recuire efficacement le Fil de cuivre ; le système de chauffage utilise un court-circuit électrique contrôlé . Il peut être avantageux car il ne nécessite pas de four à température régulée comme les autres méthodes de recuit.

Le processus consiste en deux poulies conductrices ( poulies étagées ), que le fil traverse après avoir été étiré. Les deux poulies ont un Potentiel électrique entre elles, ce qui fait que le fil forme un court-circuit. L’ effet Joule fait monter la température du fil à environ 400 °C. Cette température est affectée par la vitesse de rotation des poulies, la Température ambiante et la tension appliquée. Où t est la température du fil, K est une constante, V est la tension appliquée, r est le nombre de rotations des poulies par minute, et t _a est latempérature ambiante ,

t = 1 r K V 2 + t un {displaystyle t={frac {1}{r}}KV^{2}+t_{a}} .

La constante K dépend du diamètre des poulies et de la résistivité du cuivre.

Purement en termes de température du Fil de cuivre, une augmentation de la vitesse du fil à travers le système de poulies a le même effet qu’une diminution de la résistance.

Voir également

• Recuit (verre)
• Recuit par court-circuit
• Paramètre Hollomon-Jaffe
• Recuit à faible teneur en hydrogène
• Recuit simulé
• Trempe (métallurgie)

Références

1. ^ “Copie archivée” . Archivé de l’original le 2010-07-24 . Récupéré le 19/04/2010 .{{cite web}}: Maint CS1 : copie archivée comme titre ( lien )
2. ^ Wu, Hao (août 2020). “Un aperçu de l’adaptation de la délocalisation des déformations pour la synergie résistance-ductilité” . Progrès en science des matériaux . 113 : 100675. doi : 10.1016/j.pmatsci.2020.100675 .
3. ^ Van Vlack, LH (1985). Éléments de science et d’ingénierie des matériaux . Addison-Wesley. p. 134.
4. ^ Alvarenga, HD; Van de Putte, T.; Van Steenberge, N.; Sietsma, J.; Terryn, H. (avril 2009). “Influence de la morphologie et de la microstructure du carbure sur la cinétique de la décarburation superficielle des aciers C-Mn” . Metall Mater Trans A . 46 : 123–133. doi : 10.1007/s11661-014-2600-y . S2CID 136871961 .
5. ^ ^{un b} Verhoeven, Fondamentaux de JD de Métallurgie Physique , Wiley, New York, 1975, p. 326

Lectures complémentaires

• Thèse de Licence, Fabrication de Câbles et Essais d’Usage Général et Énergie . Jorge Luis Pedraz (1994), UNI, Dossiers, Pérou.
• “Recuit dynamique du Fil de cuivre en utilisant un court-circuit contrôlé.” Jorge Luis Pedraz (1999), Pérou : Lima, CONIMERA 1999, INTERCON 99,

Liens externes

• Recuit – efunda – fondamentaux de l’ingénierie
• Recuit – Alliages d’aluminium et de métaux aéronautiques