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L'influence du processus de laminage sur la distribution du stress résiduel des métaux
Le processus de laminage est une pierre angulaire de la fabrication de métaux, utilisé pour produire des feuilles, des plaques, des barres et des formes de structure. En passant le métal à travers une ou plusieurs paires de rouleaux rotatifs, le matériau est comprimé, éclairci et allongé dans la géométrie souhaitée. Bien que les changements géométriques soient évidents, les changements structurels internes – en particulier la distribution de contraintes résiduelles – sont également critiques. Les contraintes résiduelles sont verrouillées dans un composant après l'élimination des charges externes.
Cet article examine comment le processus de roulement influence les contraintes résiduelles dans les métaux. Nous explorerons les fondamentaux de la contrainte résiduelle, les mécanismes de développement de la contrainte pendant le roulement, les facteurs clés qui façonnent la répartition de la contrainte, les implications pratiques pour la performance des composants, et les techniques modernes de mesure et de gestion de ces contraintes.
Qu'est-ce que le stress résiduel?
La contrainte résiduelle désigne les contraintes internes qui persistent dans un matériau après élimination de toutes les forces externes ou des gradients thermiques.Ces contraintes sont enfermées dans la microstructure du matériau en raison de déformation plastique non uniforme, de transformations de phase, de contraction thermique ou de gradients de composition.Elles existent sans aucune charge appliquée et doivent être en équilibre statique – la force nette et le moment net sur toute section transversale sont nuls.
Les contraintes résiduelles de traction séparent le matériau en interne, ce qui le rend plus susceptible à l'initiation de la fissure, à la propagation et à la corrosion de la contrainte. Les contraintes résiduelles de compression poussent le matériau ensemble, améliorant souvent la résistance à la fatigue et à certains modes de défaillance. La magnitude et la répartition de ces contraintes dépendent de l'historique de traitement et de la géométrie de la pièce.
Dans les composants métalliques manufacturés, les contraintes résiduelles peuvent provenir de nombreuses sources : coulée, forgeage, usinage, soudage, traitement thermique et laminage. Laminage, en particulier, introduit une déformation plastique importante, qui crée des champs de contraintes complexes.Ces contraintes peuvent être bénéfiques si elles sont compressives dans les régions de surface critiques, ou nuisibles si elles sont en traction et favorisent la défaillance.
Le processus de roulement et le développement du stress
Le rouleau déforme le métal par des forces de compression appliquées par des rouleaux rotatifs. Lorsque le métal entre dans l'écart de rouleau, il subit une combinaison de compression des rouleaux et de cisaillement due à la friction à l'interface du rouleau-métal. Cette déformation est très non uniforme à travers l'épaisseur: les couches extérieures près des rouleaux subissent un cisaillement intense, tandis que le centre subit une compression plus uniforme.
Le profil de contrainte résiduelle après le laminage est le résultat de l'histoire des gradients de déformations plastiques, des gradients thermiques (surtout dans le laminage à chaud) et de la réponse élastique-plastique du matériau. Dans le laminage à froid, où le métal est déformé sous sa température de recrystallisation, le durcissement s'accumule et crée des gradients de contrainte raides. Les couches de surface sont souvent laissées dans une contrainte résiduelle compressive due à la pression et à la friction du laminage, tandis que l'intérieur peut avoir des contraintes de traction compensatrices pour maintenir l'équilibre.
Dans le laminage à chaud, effectué au-dessus de la température de recristallisation, la recristallisation dynamique et la récupération adoucissent le métal pendant la déformation, réduisant l'ampleur des contraintes résiduelles. Cependant, les gradients thermiques pendant le refroidissement après la laminage à chaud peuvent introduire de nouvelles contraintes. La surface extérieure refroidit et se contracte plus rapidement que l'intérieur, générant des contraintes de traction sur la surface.
Roulement à chaud contre roulement à froid
La distinction entre le laminage à chaud et le laminage à froid est fondamentale pour comprendre les effets de la contrainte résiduelle. Le laminage à chaud est effectué à des températures suffisamment élevées pour permettre la recrystallisation des grains métalliques (généralement au-dessus de 0,5 à 0,6 du point de fusion). La température élevée réduit la contrainte d'écoulement, permettant de grandes réductions d'épaisseur avec des forces faibles et un durcissement minimal du travail.
La déformation plastique introduit des quantités importantes d'énergie stockée et de contraintes résiduelles. Les produits laminés à froid ont souvent un profil de contrainte caractéristique: les surfaces sont en compression, et le centre est en tension. Le motif exact dépend du rapport de réduction, du diamètre du rouleau, de la lubrification et des propriétés du matériau. Pour de nombreuses applications, telles que la tôle automobile, un état de contrainte résiduelle contrôlé est souhaitable pour améliorer la formabilité et la résistance à la fatigue.
Facteurs influant sur la distribution du stress résiduel
Plusieurs facteurs interconnectés influencent la distribution de la contrainte résiduelle induite par le laminage. La compréhension de ces paramètres permet aux fabricants d'adapter l'état de la contrainte pour des applications spécifiques.
Température de roulement
La température est le paramètre le plus influent. La température plus élevée réduit la contrainte de débit et favorise la récupération et la recristallisation dynamiques, qui détend la contrainte. Dans le laminage à chaud, le métal se déforme plastiquement avec moins d'énergie stockée, de sorte que les contraintes résiduelles finales sont généralement faibles. Toutefois, si la température n'est pas uniforme dans la section transversale – par exemple, si les rouleaux sont plus froids que la pièce – les gradients thermiques peuvent créer des contraintes localisées.
Vitesse de roulement et vitesse de déformation
La vitesse à laquelle le métal passe dans les rouleaux affecte la vitesse de déformation. Les vitesses de déformation plus élevées augmentent la contrainte de débit en raison de la sensibilité de la matière, augmentant potentiellement l'ampleur des contraintes induites par la déformation. Dans le laminage à froid, les vitesses élevées peuvent également affecter les conditions de lubrification et la production de chaleur à l'interface rouleau-métal, modifiant la distribution de la contrainte.
Taux de réduction et calendrier de réussite
La réduction d'épaisseur par passage (fusée) influence directement le gradient de déformation plastique à travers l'épaisseur. Une forte réduction d'un seul passage crée un gradient raide, entraînant souvent des contraintes de compression de surface élevées et des contraintes de traction plus grandes au centre. La traction multi-passe avec des réductions plus faibles permet une déformation plus uniforme et peut réduire l'ampleur des contraintes résiduelles. La réduction totale de tous les passages importe également; les réductions totales importantes de la traction à froid conduisent à une durcissement et à une accumulation de contraintes importantes.
Géométrie du rouleau et conditions de frottement
Les plus grands diamètres de rouleaux produisent un arc de contact plus long, ce qui favorise une déformation plus uniforme et réduit le composant de cisaillement près de la surface. Les petits rouleaux créent un angle d'entrée plus raide, augmentant les contraintes de cisaillement près de la surface. La friction entre les rouleaux et le métal influence la direction et l'ampleur des contraintes de cisaillement de surface. La lubrification réduit la friction, entraînant une déformation plus homogène et des contraintes résiduelles de surface plus faibles. Inversement, la friction élevée (sèche-roulement) induit de grandes tensions de cisaillement à la surface, entraînant souvent des contraintes résiduelles de compression élevées mais aussi des dommages potentiels de surface.
Propriétés du matériau
Les aciers à haute résistance nécessitent des forces de roulement plus élevées et développent des contraintes résiduelles plus importantes. Les alliages d'aluminium, avec leur plus grande conductivité thermique, refroidissent plus uniformément, mais leur plus faible résistance à la production entraîne des grandeurs de contrainte différentes. Les matériaux qui subissent des transformations de phase pendant le refroidissement (par exemple, les aciers au carbone) ont des contributions de contrainte supplémentaires dues aux changements volumétriques. La taille du grain et la texture initiale affectent également le comportement du flux plastique et l'état de contrainte résiduelle subséquent.
Taux de refroidissement après le roulement
Le refroidissement rapide, comme le refroidissement par four ou par air, permet d'égaliser et de réduire les contraintes thermiques. Pour les produits laminés à chaud, le taux de refroidissement est souvent contrôlé pour obtenir des propriétés mécaniques et des états de contrainte spécifiques. Dans certains cas, le refroidissement accéléré est délibéré pour induire des contraintes de compression bénéfiques sur la surface, comme le pissage par injection. Le choix du milieu de refroidissement (air, eau, huile ou atmosphère contrôlée) et le taux doivent être adaptés au matériau et au profil de contrainte souhaité.
Incidences du stress résiduel sur les composants métalliques
Les contraintes résiduelles ne sont pas de simples sous-produits, elles influent directement sur les performances de service des composants métalliques laminés. Leurs effets peuvent être à la fois bénéfiques et préjudiciables, selon le signe, l'ampleur et l'emplacement des contraintes par rapport aux charges appliquées.
La fatigue
Dans les conditions de charge cyclique, les contraintes résiduelles de compression à la surface peuvent améliorer significativement la durée de vie de la fatigue, car la compression contre les charges appliquées en traction, réduisant l'amplitude de la contrainte et retardant le déclenchement de la fissure. De nombreux processus de laminage créent naturellement des contraintes compressives de surface dans les tôles laminées à froid, ce qui explique pourquoi les pièces formées à froid présentent souvent un excellent comportement de fatigue.
Craquage de corrosion du stress (CSC)
Les contraintes résiduelles de traction se combinent avec des environnements corrosifs pour favoriser la corrosion par contrainte. Ceci est particulièrement dangereux dans les alliages comme les aciers inoxydables austénitiques et l'aluminium à haute résistance. Les processus de roulement qui laissent des contraintes de traction sur la surface (comme un refroidissement inadéquat après un laminage à chaud) augmentent la sensibilité au CSC.
Stabilité et distorsion dimensionnelles
Lorsque le matériau est retiré d'un côté, l'équilibre de la contrainte interne est perturbé et la partie de la chaîne ou des torsions. Par exemple, les bandes laminées à froid peuvent montrer des ressorts ou des bobines en raison de contraintes résiduelles. Dans les plaques laminées à chaud, un refroidissement inégal entraîne souvent des problèmes de planéité. Les fabricants utilisent des opérations de recuit, d'étirement ou de nivellement pour corriger la distorsion. Le coût de retravail ou de la ferraille de distorsion peut être important, de sorte que le contrôle de la contrainte résiduelle pendant le laminage est important sur le plan économique.
Ténacité et force de la fracture
Les contraintes résiduelles compressives peuvent également augmenter la résistance apparente à la rupture en fermant les fissures et en réduisant le facteur d'intensité de la contrainte à l'extrémité de la fissure. Cependant, des contraintes compressives très élevées peuvent entraîner un flambement local dans des sections minces. Les contraintes résiduelles de traction réduisent la résistance effective au rendement et peuvent entraîner un rendement prématuré sous des charges externes.
Méthodes de mesure et d'atténuation du stress résiduel
La mesure précise des contraintes résiduelles est essentielle pour vérifier le contrôle des processus et prédire les performances des pièces. Plusieurs techniques sont disponibles, chacune avec ses forces et ses limites.
Techniques de mesure
La diffraction par rayons X (XRD)[ est une méthode non destructive largement utilisée qui mesure la déformation du réseau en détectant les déplacements des pics de diffraction. Elle fournit des données de contrainte de surface (quelques microns de profondeur) et peut cartographier les contraintes sur une zone. La XRD est adaptée à la plupart des métaux cristallins, mais nécessite une surface relativement plate et un étalonnage minutieux.
La méthode de forage de l'huile est une technique semi-destructive où un petit trou est percé, et le relief de la déformation environnante est mesuré par des jauges de déformation. Les contraintes sont calculées à partir des souches mesurées à l'aide de modèles d'éléments analytiques ou finis.
L'essai ultrasonique utilise l'effet acoustoélastique – le changement de vitesse des ondes ultrasoniques dû à la contrainte – pour déduire les contraintes résiduelles. Il est rapide, portable et peut être intégré en ligne pour la surveillance de la production.
La diffraction des neutrons offre une pénétration profonde et peut mesurer la distribution des contraintes dans les sections épaisses. Il s'agit d'un outil de recherche puissant, mais qui nécessite une source de neutrons (p. ex., réacteur ou source de spallation) et n'est pas pratique pour une utilisation industrielle courante.
Stratégies d'atténuation
Lorsque des contraintes résiduelles sont indésirables, plusieurs techniques d'atténuation sont disponibles.
Stresse Relief Annealing consiste à chauffer le produit laminé à une température inférieure au point de recristallisation (habituellement 600 à 700°C pour les aciers) et à le maintenir pendant un temps suffisant pour permettre une relaxation microplastique de la contrainte.
Le refroidissement contrôlé[ après le laminage peut être adapté pour minimiser les contraintes thermiques. Par exemple, le refroidissement lent dans un four ou l'utilisation de couvertures isolantes permet d'égaliser les gradients de température.
Les méthodes de soulagement mécanique du stress comprennent l'étirement (niveautage de la tension) ou le nivellement du rouleau.Ces procédés appliquent une déformation plastique contrôlée pour redistribuer et réduire les contraintes résiduelles.
Les traitements de surface[ tels que le piquage par balle ou le piquage par choc laser introduisent des contraintes résiduelles de compression sur la surface, contrent les contraintes de traction existantes ou améliorent la compression de surface.
Progrès récents dans le contrôle du roulement et du stress résiduel
La recherche moderne continue de perfectionner la compréhension de l'évolution de la contrainte résiduelle pendant le laminage et de développer des méthodes de contrôle plus précises.
Traitement thermomécanique contrôlé (TMCP)
TMCP intègre laminage à chaud avec refroidissement accéléré pour produire des plaques d'acier à haute résistance avec microstructures contrôlées et états de contrainte résiduels favorables. En planifiant soigneusement les températures de laminage, les réductions et les taux de refroidissement, les fabricants peuvent atteindre à la fois la résistance et la ténacité tout en minimisant la distorsion. TMCP est maintenant standard pour les plaques de construction navale et les aciers à tuyau de canalisation.
Simulation d'éléments finis
Les modèles avancés d'éléments finis qui couplent plasticité, transfert de chaleur et évolution microstructurale peuvent prédire les distributions de contraintes résiduelles avec une grande précision. Ces simulations permettent aux ingénieurs de tester virtuellement différents calendriers de laminage et stratégies de refroidissement avant de s'engager dans la production.
Surveillance du stress en ligne
Des capteurs ultrasoniques sans contact et une profilométrie laser sont intégrés dans les lignes de roulement pour mesurer la contrainte résiduelle en temps réel. Les systèmes de contrôle de rétroaction peuvent ajuster les forces de refroidissement ou de roulis pour maintenir les niveaux de contrainte cibles.
Nouveau designs de roulement
Le laminage asymétrique, où les deux rouleaux ont des diamètres ou des vitesses différents, peut produire une déformation du cisaillement par l'épaisseur, ce qui entraîne une répartition plus uniforme des contraintes ou même un renversement du modèle de compression de surface typique.
Conclusion
Le processus de roulement influence profondément la distribution des contraintes résiduelles dans les composants métalliques.En contrôlant la température, la réduction, la vitesse, le frottement et le refroidissement, les fabricants peuvent façonner le paysage de contraintes internes pour améliorer les performances du produit ou éviter une défaillance prématurée.Les contraintes résiduelles ne sont pas un accident de transformation – elles sont une conséquence de l'historique de déformation et peuvent être conçues pour être bénéfiques.
Pour plus de renseignements sur les techniques de mesure de la contrainte résiduelle, consultez ASTM E837 Méthode d'essai standard pour la détermination des contraintes résiduelles par la méthode de la souche de forage. Voir aussi ScienceVue d'ensemble de la laminage à chaud et les conseils pratiques de Le manufacturier sur la contrainte résiduelle en acier laminé.