Taux d’écrouissage de l’acier inoxydable austénitique : implications pour le formage à froid

Qu'est-ce que le taux d'écrouissage et pourquoi contrôle-t-il le comportement de formage à froid dans l'acier inoxydable austénitique ?

L'équation de Hollomon décrit la véritable courbe de contrainte-déformation réelle dans la région de déformation plastique uniforme-avant le début de la striction. K est le coefficient de résistance et n est l'exposant de déformation-durcissement : plus n est élevé, plus la résistance du matériau à une déformation supplémentaire augmente pour un incrément de déformation donné. Parce que n est également égal à la déformation réelle au début de la striction (selon le critère Considère), une valeur n- élevée est un indicateur direct de la mesure dans laquelle une feuille peut être étirée ou étirée avant qu'elle ne commence à s'amincir localement et à échouer.

Pour un fabricant, ce chiffre unique explique plusieurs choses observées simultanément dans l'atelier : pourquoi les tôles en acier inoxydable nécessitent plus de tonnage que l'acier doux pour le même pliage ou étirage, pourquoi la surface d'une pièce en acier inoxydable formée est mesurablement plus dure que la tôle telle que-reçue, et pourquoi une pièce qui semblait fine à mi-étirage peut toujours s'étirer avec succès grâce à une opération en profondeur qui aurait divisé un matériau inférieur-n.

Pourquoi les nuances austénitiques fonctionnent-elles -durcissent-elles plus rapidement que l'acier ferritique, duplex et au carbone ?

L'énergie de défaut d'empilement (SFE) régit la facilité avec laquelle les dislocations peuvent se réorganiser pendant la déformation. Dans l'acier inoxydable austénitique, un faible SFE provoque la division des luxations en luxations partielles qui ne peuvent pas facilement glisser sur un nouveau plan. Au lieu de s'annihiler ou de se réorganiser dans des configurations d'énergie inférieure-, les dislocations s'accumulent et s'emmêlent, et la résistance du matériau à un écoulement ultérieur augmente fortement avec la contrainte. Les aciers ferritiques et au carbone ont un réseau cubique centré (BCC) avec un SFE plus élevé, de sorte que les dislocations se rétablissent plus facilement et le taux de durcissement est plus faible.

Les nuances austénitiques métastables - notamment 301 - ajoutent l'effet TRIP. Au fur et à mesure que le matériau se déforme, une partie de l'austénite (FCC, non magnétique) se transforme en martensite (tétragonale centrée -, magnétique et beaucoup plus dure). Cette transformation absorbe de l'énergie et introduit une seconde phase dure dans une matrice ductile, c'est pourquoi le 301 en particulier peut atteindre une résistance très élevée uniquement par travail à froid, sans aucun traitement thermique. Les qualités duplex se situent entre les deux : comme environ la moitié de leur structure est déjà constituée de ferrite, leur valeur n- globale est généralement inférieure à celle d'une nuance entièrement austénitique, même si la fraction austénitique au sein d'une microstructure duplex peut toujours durcir par les mêmes mécanismes liés au TRIP-.

Déformation comparative-Exposants de durcissement par famille d'acier

n-valeurs compilées à partir de la littérature publiée sur les essais de traction-et des données techniques d'usine dans les conditions d'essai ASTM E646. Les valeurs réelles varient en fonction de la plage de déformation, du sens de laminage, du calibre et du travail à froid antérieur ; traitez-les comme des plages de planification de l'étape de conception-, et non comme des propriétés mécaniques certifiées. Confirmez avec le rapport de test du moulin (MTR) pour une chaleur et une trempe spécifiques.

Comment l'effet TRIP modifie-t-il l'écrouissage dans les grades métastables comme le 301 ?

Md30 est définie comme la température à laquelle 30 % de déformation réelle produit 50 % de transformation en martensite. Il s'agit d'une propriété liée à la composition : une teneur plus faible en nickel et une teneur plus faible en interstitiels (carbone plus azote) augmentent le Md30, ce qui signifie que le matériau se transforme plus facilement à température ambiante. C'est exactement la logique de conception derrière le 301 par rapport au 304 - 301 qui contient spécifiquement moins de nickel, donc il durcira au travail-et gagnera en résistance plus rapidement pendant le formage à froid, au détriment de la résistance à la corrosion et de la marge de formage par rapport au 304.

L’implication pratique pour une ligne de formage est double. Premièrement, la résistance et la dureté ne sont pas des propriétés matérielles fixes pour une nuance métastable comme elles le sont pour un alliage traité thermiquement - -. Elles dépendent de l'ampleur de la déformation, de la vitesse et de la température à laquelle la pièce est réellement soumise, ce qui signifie que la répétabilité du processus (force de maintien du flan, vitesse d'étirage, température de la matrice) fait partie des spécifications, pas seulement du certificat de l'usine. Deuxièmement, étant donné que le risque de fissuration retardée dans les pièces embouties-est en corrélation avec la combinaison de la teneur en Md30 et (C+N), les nuances et les températures avec un Md30 plus élevé nécessitent des taux d'étirage plus conservateurs, davantage d'étapes de formage et une inspection plus approfondie des pièces qui subiront des contraintes résiduelles soutenues en service.

Quels processus de formage à froid-sont les plus affectés par un taux d'écrouissage élevé ?

Emboutissage et estampage

Étant donné que la contrainte d'écoulement augmente fortement avec la déformation, la charge du poinçon et la force de maintien du flan augmentent toutes deux à mesure que l'étirage se poursuit, et le risque de division augmente vers le rayon du poinçon et le coin de la matrice où la déformation se concentre en premier. Les étirages en plusieurs étapes sont l'atténuation standard : réduire le taux d'étirage pris par étape et insérer un processus de recuit (solution) entre les étapes pour restaurer la ductilité avant la réduction suivante, plutôt que de tenter la réduction complète en un seul passage comme cela pourrait être le cas dans l'acier doux.

Cintrage et profilage

Le pliage de l'acier inoxydable austénitique nécessite un rayon de courbure minimum plus grand que celui de l'acier au carbone de même calibre-pour éviter les fissures superficielles sur la fibre externe, et il produit plus de retour élastique car la récupération du module élastique après le déchargement interagit avec un matériau qui a déjà considérablement durci dans la zone de courbure. La compensation du retour élastique - une flexion excessive ou une augmentation de la force de flexion appliquée - est une pratique courante et doit être validée par essai ou simulation plutôt que supposée à partir des données d'outillage en acier au carbone -.

Usinage après formage

Un effet connexe, souvent sous-estimé, apparaît en aval dans l'usinage secondaire : chaque coupe laisse une fine couche-écrouie à la surface, de sorte qu'une coupe légère ou interrompue ultérieure peut passer sur le matériau durci au lieu de le traverser, accélérant ainsi l'usure de l'outil. Les données d'usinabilité pour 304 par rapport à un acier au carbone moyen - typique (1045) illustrent le même écart de valeur n - discuté ci-dessus et constituent un indicateur utile de la façon dont le matériau se comportera dans toute opération de déformation - répétée, y compris le formage.

301 vs. 304 vs. 316 : quelle nuance devriez-vous choisir pour une application de formage à froid- ?

Compilé à partir des données des spécifications ASTM A240/A666 et des fiches techniques d'usine publiées pour les états recuits et laminés à froid-. Vérifiez les propriétés mécaniques exactes et la désignation de l'état par rapport au rapport d'essai spécifique de l'usine avant de finaliser la conception de l'outillage.

Comment compenser un taux d’écrouissage élevé dans la conception des outils et des processus ?

Augmenter le jeu de la matrice et du poinçon par rapport aux outils en acier au carbone-pour s'adapter à des contraintes d'écoulement plus élevées et réduire le grippage ; confirmer l'autorisation spécifique par essai pour la qualité, l'état et la jauge utilisés.

Utilisez des rayons de courbure et de poinçonnage plus grands que l'équivalent en acier au carbone-pour éviter la fissuration des fibres externes-, car la ductilité du matériau est progressivement consommée par le travail à froid.

Réduisez le taux d'étirage pris par étape dans l'emboutissage profond et insérez un recuit de processus (solution) - généralement dans la plage de 1 010-1 100 degrés avec refroidissement rapide pour les nuances austénitiques standard - entre les étapes pour restaurer la ductilité avant la réduction suivante.

Spécifiez des aciers à outils-résistants à l'usure (tels que D2 ou M2) ou des matrices revêtues, car la même valeur n- élevée qui renforce la pièce accélère également l'usure des outils abrasifs.

Utilisez des lubrifiants de formage sans chlorure- ; les chlorures résiduels piégés dans une pièce en acier inoxydable formée sous une contrainte résiduelle de traction constituent un risque reconnu de fissuration sous contrainte-corrosion-.

Validez le retour élastique avec des pièces d'essai ou une simulation de formage plutôt que des décalages d'outils en acier au carbone-, et intégrez une force de courbure excessive ou accrue si nécessaire.

Pour les nuances métastables fonctionnant à proximité de leur température Md30, contrôlez la vitesse d'étirage et la température de la pièce, car la fraction martensite - et donc la résistance finale, la ductilité et le risque de fissuration - dépendent du processus- et ne sont pas fixés par le seul certificat de l'usine.

Quelles méthodes et normes de test quantifient le taux d’écrouissage pour l’approvisionnement et le contrôle qualité ?

ASTM E646 définit comment la valeur n-est calculée à partir de la véritable courbe de contrainte-déformation réelle dans une plage de déformation plastique-spécifiée, ce qui est essentiel car n n'est pas une constante fixe unique pour un matériau -, il peut varier quelque peu en fonction de l'intervalle de déformation utilisé, de la température d'essai et du sens de roulement de la feuille. Lorsque le comportement à l'écrouissage est un élément de conception critique, et pas seulement une attente générale, spécifiez la plage d'essai E646 sur le bon de commande ainsi que le matériau de base et la norme de trempe, et demandez les données d'essai réelles sur le rapport d'essai en usine (MTR) plutôt que de vous fier uniquement aux plages typiques publiées.

Foire aux questions

Q : Un taux d'écrouissage plus élevé signifie-t-il que l'acier inoxydable austénitique est plus difficile à former à froid que l'acier au carbone ?

R : Pas nécessairement. La même valeur n- élevée qui augmente les charges de formage retarde également l'apparition d'une striction localisée, c'est pourquoi l'acier inoxydable austénitique peut souvent être étiré ou étiré plus loin que l'acier au carbone avant de se diviser. Le compromis-est un tonnage de presse requis plus élevé, un retour élastique plus important et une usure plus rapide de l'outil, et non une formabilité inférieure.

Q : Pourquoi l’acier inoxydable 301 devient-il magnétique après le formage alors qu’il est initialement non magnétique ?

R : Le travail à froid en dessous de la température Md30 de l'alliage convertit une partie de l'austénite FCC non magnétique en martensite tétragonale-centrée-à corps magnétique. Cette transformation-plasticité induite (effet TRIP) est intentionnelle dans le 301 et est la principale raison pour laquelle il peut atteindre une résistance très élevée par écrouissage uniquement.

Q : Quelle norme de test mesure l'exposant de déformation-de durcissement (valeur n-) ?

R : ASTM E646 est la méthode d'essai standard pour déterminer l'exposant de durcissement par déformation et le coefficient de résistance à partir d'un essai de traction. Elle doit être spécifiée parallèlement à la norme du matériau de base (ASTM A240 pour les plaques et feuilles, ou ASTM A666 pour les bandes laminées à froid-) lorsque la valeur n- est une entrée de formage critique.

Q : Le recuit peut-il restaurer la ductilité de l’acier inoxydable après formage à froid ?

R : Oui. Un processus de recuit (en solution), généralement dans la plage de 1 010 à 1 100 degrés suivi d'un refroidissement rapide pour les qualités austénitiques standard, dissout les carbures et restaure la structure austénitique FCC, réinitialisant ainsi la ductilité avant l'étape de formage suivante.

Q : L'acier inoxydable duplex est-il plus ou moins écroui-que les nuances austénitiques comme le 304 ?

R : Généralement moins, en termes de volume. Étant donné qu'environ la moitié d'une microstructure duplex est constituée de ferrite, dont le travail-durcit plus lentement que l'austénite, la valeur n- globale d'une nuance duplex est généralement inférieure à celle d'une nuance entièrement austénitique, même si la fraction d'austénite dans la structure duplex peut toujours contribuer au durcissement lié au TRIP-.

Q : Quelle nuance austénitique est le choix par défaut lorsque le comportement à l'écrouissage n'est pas le facteur décisif ?

R : 304 est la valeur par défaut-à usage général pour les emboutis et les pièces dessinées. Recherchez 301 spécifiquement lorsque la conception a l'intention d'exploiter le renforcement du travail à froid-, et spécifiez 316 lorsque l'exposition aux chlorures ou aux produits chimiques en service l'emporte sur les considérations de formage.

Résumé

Le taux d'écrouissage n'est pas un effet secondaire à prendre en compte lors de la conception du formage à froid de l'acier inoxydable austénitique -, il s'agit d'une propriété de base du matériau qui doit déterminer dès le départ la sélection de la nuance, la sélection de l'état et la conception de l'outillage. Un exposant d'écrouissage de 0,40 à 0,55, entraîné par une faible énergie de défaut d'empilement et, dans les nuances métastables, l'effet TRIP, donne aux nuances austénitiques à la fois un avantage (résistance à la striction localisée) et un ensemble d'exigences de processus (tonnage plus élevé, jeux plus grands, recuit entre passes, contrôle du retour élastique) qui diffèrent sensiblement de la pratique de l'acier au carbone.

Faire correspondre la nuance, la trempe et le processus à l'opération de formage spécifique - plutôt que de choisir par défaut une seule nuance ou une recette de processus d'acier au carbone - - est la différence entre une pièce qui se forme proprement et une pièce qui se fend, se plisse ou tombe en panne en aval du service.