Leur développement d'un acier coulé austénitique allié au cuivre, formable à froid et doté de propriétés TRIP/TWIP, marque une avancée majeure dans la science des matériaux et ouvre de nouvelles perspectives pour des applications critiques en matière de sécurité. Le nouvel alliage offre une combinaison sans précédent de résistance et de ductilité : il est hautement résistant et peut néanmoins se déformer plastiquement.
Le secret de l'effet TRIP/TWIP
Le cœur de cette innovation réside dans ce que l'on appelle l'effet TRIP/TWIP, qui confère à l'acier coulé ses propriétés exceptionnelles. TRIP signifie « plasticité induite par transformation » et TWIP signifie « plasticité induite par jumeaux ». Ces mécanismes entraînent un changement de la microstructure du matériau sous contrainte, ce qui conduit à une augmentation significative de la résistance et de la ductilité.
Effet TRIP : Sous contrainte mécanique, une partie de l'austénite, une phase de structure douce et ductile, se transforme en martensite, c'est-à-dire en une phase dure et solide. Cette transformation entraîne une solidification locale du matériau et augmente sa résistance aux fissures.
Effet TWIP : Ici, des jumeaux de déformation se forment dans l'austénite, contribuant également à la solidification et à l'augmentation de la ténacité du matériau.
Les deux effets augmentent la résistance à la traction du matériau et sa capacité à absorber l'énergie mécanique :
« Grâce à la combinaison de ces deux effets, la résistance du matériau est considérablement augmentée et la défaillance de la pièce sous charge dynamique est retardée. De plus, la capacité de formage et la capacité d'absorption d'énergie en cas d'impact s'améliorent considérablement », explique Nadine Lehnert, qui a pris la direction du projet au Fraunhofer IWU dans le cadre du projet de recherche financé par la DFG intitulé « Formage à froid de l'acier coulé ».
Et cela fonctionne comme suit : La forme initiale de l'alliage d'acier coulé étudié est transformée par le formage à froid massif en un produit avec une structure de grain fin et une microstructure austénitique reconvertie. Le processus de fabrication commence par une structure austénitique à gros grains. La pièce est d'abord réduite en diamètre dans un moule de presse à écoulement. Cette contrainte mécanique entraîne, grâce à l'effet TRIP/TWIP, une microstructure partiellement martensitique. Le traitement thermique ultérieur dans le four réduit la taille des grains (finesse) dans la pièce, grâce à la reconversion de la martensite en austénite.
Sous une forte contrainte, il peut y avoir une amorce de fissure dans la pièce, en particulier dans la structure austénitique, mais cela ne conduit pas à une défaillance, car il est stoppé par une transformation martensitique de la microstructure. Grâce à la nouvelle solidification (martensite), la capacité de charge du matériau est même augmentée.
Domaines d'application avec un potentiel de sécurité élevé
Les propriétés uniques du nouvel acier coulé le prédisposent à être utilisé dans des applications critiques en matière de sécurité, où des exigences maximales en matière de résistance, de ténacité et de fiabilité sont requises.
- Construction automobile : Vis, composants de châssis, absorbeurs de chocs et structures de carrosserie bénéficient de la haute capacité d'absorption d'énergie et de la sécurité en cas de crash du matériau.
- Aéronautique et spatial : Les composants structurels et les éléments de fixation peuvent être conçus plus légers et plus résistants grâce au nouvel acier coulé.
- Technologie médicale : Les implants et les instruments chirurgicaux peuvent être optimisés grâce à la haute biocompatibilité et à la résistance du matériau.
Construction et infrastructures : Les ancrages de montagne et les éléments de fixation pour les ponts et tunnels peuvent être rendus plus sûrs grâce à la haute résistance aux fissures du matériau. En effet, l'alliage tire parti de ses avantages là où la durabilité du matériau est essentielle, même sous des charges extrêmes.
Formage à froid économe en énergie comme technologie clé
Un autre avantage décisif du nouvel acier coulé est son aptitude au formage à froid massif. Ce procédé permet de fabriquer des pièces à température ambiante, rendant ainsi superflus les processus énergivores comme le laminage à chaud. « La chaîne de processus du formage à froid est nettement plus courte et plus efficace. Nous commençons avec une pièce préformée qui est ensuite directement reformée. Cela élimine de nombreuses étapes énergivores comme le chauffage, le laminage et le décapage, qui sont nécessaires lors du formage à chaud », explique Lehnert.
Durabilité et rentabilité au premier plan
En plus des avantages techniques, le développement du nouvel acier coulé contribue également à la durabilité et à la rentabilité.
Économie de ressources, aspects de santé : Le remplacement partiel du nickel par du cuivre réduit l'utilisation de ressources coûteuses et rares ainsi que les dangers pour la santé lors de la transformation.
Économie d'énergie : Le formage à froid consomme beaucoup moins d'énergie que le formage à chaud, ce qui entraîne une réduction des émissions de CO2.
Rentabilité : La chaîne de processus simplifiée, la réduction de l'utilisation de matériaux et la diminution de la consommation de gaz (formage à froid massif) abaissent les coûts de production.
Un regard vers l'avenir
Les résultats de recherche de l'équipe constituent la base d'une utilisation ciblée de l'effet TRIP/TWIP pour des applications critiques en matière de sécurité. Les futures recherches au Fraunhofer IWU se concentreront sur l'optimisation du processus de formage et l'ajustement ciblé des propriétés des matériaux. « Notre objectif est d'exploiter pleinement le potentiel de l'effet TRIP/TWIP et de permettre la fabrication économique de pièces hautes performances pour une variété d'applications », déclare Lehnert.
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