Comment les structures de grains de titane et d’acier inoxydable affectent-elles le formage des pièces ?

Des avantages peuvent être obtenus en scrutant une couche plus profondément dans la structure du grain qui régit le comportement mécanique de l'acier inoxydable. Getty Images

Le choix de l'acier inoxydable et des alliages d'aluminium est souvent centré sur la résistance, la ductilité, l'allongement et la dureté. Ces propriétés indiquent comment les éléments constitutifs d'un métal se comportent en réponse à une charge appliquée. Ce sont des mesures efficaces pour gérer les limites d’une matière première ; c'est-à-dire à quel point il se pliera avant de se casser. La matière première doit pouvoir résister au processus de formage sans se briser.

Les essais destructifs de traction et de dureté peuvent constituer un moyen fiable et rentable de déterminer les propriétés mécaniques. Cependant, ces tests ne sont pas toujours aussi fiables une fois que l’épaisseur de la matière première commence à contraindre les dimensions de l’éprouvette. Les essais de traction sur un produit métallique plat restent certainement utiles, mais des avantages peuvent être obtenus en scrutant une couche plus profondément dans la structure des grains qui régit son comportement mécanique.

Le métal est constitué d’un ensemble de cristaux microscopiques appelés grains. Ils sont répartis aléatoirement dans tout le métal. Les atomes des éléments d'un alliage, tels que le fer, le chrome, le nickel, le manganèse, le silicium, le carbone, l'azote, le phosphore et le soufre dans le cas de l'acier inoxydable austénitique, sont les éléments constitutifs d'un grain individuel. Ces atomes forment une solution solide d’ions métalliques liés dans un réseau par leurs électrons partagés.

La composition chimique d’un alliage détermine l’arrangement répétitif d’atomes thermodynamiquement préféré des grains, appelé structure cristalline. Une section homogène de métal comprenant une structure cristalline répétitive forme un ou plusieurs grains appelés phase. Les propriétés mécaniques d'un alliage dépendent des structures cristallines de l'alliage. La taille et la disposition des grains de chaque phase sont également prises en compte.

Comment se forment les grains ?

Les phases de l’eau sont familières à la plupart. Lorsque l’eau liquide gèle, elle se transforme en glace solide. Cependant, lorsqu’il s’agit de métaux, il n’existe pas qu’une seule phase solide. Certaines familles d'alliages portent le nom de leurs phases. Dans l'acier inoxydable, les alliages austénitiques de la série 300 sont principalement constitués d'austénite lorsqu'ils sont recuits. Cependant, les alliages de la série 400 sont constitués soit de ferrite dans l'acier inoxydable 430, soit de martensite dans les alliages d'acier inoxydable 410 et 420.

Il en va de même pour les alliages de titane. Les noms de chaque groupe d'alliages indiquent leur phase dominante à température ambiante : alpha, bêta ou un mélange des deux. Il existe des alliages alpha, quasi-alpha, alpha-bêta, bêta et quasi-bêta.

Lorsqu'un métal liquide se solidifie, les grains solides de la phase thermodynamiquement préférée précipiteront là où la pression, la température et la composition chimique le permettent. Cela se produit généralement à une interface, comme le font les cristaux de glace à la surface d’un étang chaud par une journée froide. Lorsqu'un grain germe, la structure cristalline se développe dans une orientation jusqu'à ce qu'elle rencontre un autre grain. Étant donné que les structures cristallines sont orientées différemment, un joint de grain se forme à l’intersection des réseaux mal assortis. Imaginez déposer un tas de Rubik's Cubes de différentes tailles dans une boîte. Chaque cube a une disposition en grille carrée, mais ils s'installeront tous dans des orientations différentes et aléatoires. Une pièce métallique entièrement solidifiée est constituée d’un ensemble de grains apparemment orientés de manière aléatoire.

Chaque fois qu’un grain se forme, il existe un risque que des défauts de ligne se développent. Ces défauts sont des pièces manquantes d'une structure cristalline appelées dislocations. Ces dislocations et leur mouvement ultérieur à travers un grain et à travers les joints de grains sont à la base de la ductilité du métal.

Une section transversale de la pièce est montée, meulée, polie et gravée pour visualiser la structure du grain. Lorsqu’elle est uniforme et équiaxe, une microstructure observée au microscope optique ressemble un peu à un puzzle. En réalité, les grains sont tridimensionnels et la section transversale de chaque grain sera différente en fonction de l'orientation de la section transversale de la pièce.