Au cours du processus de calcination, le mécanisme microscopique par lequel la « surchauffe » entraîne une diminution de la densité réelle est principalement lié à l'oxydation ou à la fusion des joints de grains, à la croissance anormale des grains et aux dommages structurels, comme analysé en détail ci-dessous :
- Oxydation ou fusion des joints de grains : perte de résistance de la liaison intergranulaire
Formation de phases eutectiques à bas point de fusion : lorsque la température de calcination dépasse le point de fusion des eutectiques à bas point de fusion présents dans le matériau, la structure eutectique aux joints de grains fond préférentiellement, formant une phase liquide. Par exemple, dans les alliages d’aluminium, des sphères refondues ou des zones refondues triangulaires peuvent se former, tandis que dans les aciers au carbone, une oxydation des joints de grains ou une fusion localisée peuvent se produire.
Pénétration des gaz oxydants : À haute température, les gaz oxydants (comme l’oxygène) diffusent jusqu’aux joints de grains et réagissent avec les éléments du matériau, formant des oxydes. Ces oxydes affaiblissent davantage la liaison intergranulaire, ce qui entraîne la séparation des grains.
Dommages structuraux : suite à la fusion ou à l’oxydation des joints de grains, la résistance de la liaison intergranulaire diminue considérablement, entraînant la formation de microfissures ou de pores au sein du matériau. Ceci réduit la masse volumique effective, et par conséquent la densité réelle. - Croissance anormale des grains : augmentation des défauts internes
Grossissement des grains dû à la surchauffe : La surcuisson s’accompagne souvent d’une surchauffe, où des températures de chauffage excessivement élevées ou des temps de maintien prolongés entraînent une croissance rapide des grains d’austénite. Par exemple, les aciers au carbone peuvent développer des structures de Widmanstätten après une surcuisson, tandis que les aciers à outils peuvent former de la ledeburite en forme d’arête de poisson.
Augmentation des défauts internes : les gros grains peuvent contenir davantage de défauts tels que des dislocations et des lacunes, ce qui réduit la densité du matériau. De plus, des pores gazeux ou des microfissures peuvent se former lors de la croissance des grains, réduisant encore la masse volumique.
Réduction de la masse effective : Une croissance anormale des grains entraîne une structure interne lâche dans le matériau, ce qui diminue la masse effective par unité de volume et entraîne ainsi une diminution de la densité réelle. - Dommages microstructuraux : Détérioration des propriétés des matériaux
Sphères et zones triangulaires de refusion : Dans les alliages d’aluminium et d’autres matériaux, une surcuisson peut entraîner la formation de sphères ou de zones triangulaires de refusion aux joints de grains. La présence de ces zones perturbe la continuité du matériau et augmente sa porosité.
Élargissement des joints de grains et microfissures : après une cuisson excessive, les joints de grains peuvent s’élargir sous l’effet de l’oxydation ou de la fusion, ce qui s’accompagne de la formation de microfissures. Ces microfissures peuvent traverser le matériau, entraînant une diminution de sa densité réelle.
Irréversibilité des propriétés : Les dommages microstructuraux causés par la surchauffe sont généralement irréversibles, et même un traitement thermique ultérieur peut ne pas rétablir entièrement la densité d'origine du matériau.
Exemples et vérification
Surchauffe des alliages d'aluminium : lorsque la température de chauffage des alliages d'aluminium dépasse leur température eutectique de bas point de fusion, les joints de grains s'épaississent, voire fondent, formant des sphères ou des zones triangulaires refondues. La présence de ces zones réduit considérablement la densité réelle du matériau et entraîne une forte diminution de ses propriétés mécaniques.
Surcuisson des aciers au carbone : Après surcuisson, des inclusions telles que de l’oxyde de fer ou du sulfure de manganèse peuvent se former aux joints de grains, ce qui affaiblit la cohésion intergranulaire et provoque la séparation des grains. De plus, la surcuisson peut induire la formation de structures de Widmanstätten, réduisant davantage la densité du matériau.
Date de publication : 27 avril 2026