le grain, c'est quoi et pourquoi s'en soucier

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isilnor
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le grain, c'est quoi et pourquoi s'en soucier

#1 Message par isilnor » 22 nov. 2017, 09:49

ce matin je suis tombé sur une vidéo qui montre très bien le système de cristallisation qui produit le grain dans l'acier.
https://www.youtube.com/watch?v=O3RsDIWB7s0
c'est en anglais mais l'important c'est les images, surtout vers 3m30 et 6m15

bref ça m'a donné l'envie de faire une petite explication sur le grain, et pourquoi l'analogie courante avec du sable n'est pas tellement bonne...

donc, le grain c'est quoi?
la version courte: c'est une suite d'anisotropies dans l'arrangement cristallin de la matrice
la version simple: c'est un motif qui est construit par de petits cristaux qui ne sont pas orientés dans le meme sens et donnent l'impression qu'il y a des grains dans la matière

pour se représenter la chose on peut imaginer les atomes de fer comme des balles -c'est la que la video en lien prend tout son sens- qu'on range dans une caisse. si on fait bien attention on arrive à ranger les balles bien ordonnées régulièrement dasn toute la caisse: on a construit un cristal. c'est plus ou moins ce qui se passe quand un cristal se forme dans un liquide: deux atomes se "collent" ensemble, puis des autres s'ajoutent en suivant un schéma. ce schéma est une forme cristalline en 3D, il en existe plusieurs différentes selon le matériau dont il est question mais on va se concentrer uniquement sur le fer ici.
le fer a ceci de particulier qu'il peut cristalliser selon deux schémas différents (la plupart des éléments n'ont qu'un seul schéma possible), qu'on appelle cubique centré et cubique à faces centrées. le premier existe dans les conditions normales, soit à température ambiante, et l'arrangement des atomes est comme dans un cube ou on pose un atome à chaque sommet du cube et un atome au centre du cube
la structure cubique à faces centrées existe à plus haute température et ressemble à un cube ou on met atome à chaque sommet et un atome au centre de chaque face du cube. (note: c'est cet état qu'on appelle austénite)

Image

quand un cristal grandit il ajoute des petits cubes bien alignés les uns avec les autres, peu importe laquelle des deux sortes de cristaux se forme le principe est identique.
l'ennui c'est que dans la réalité quand on coule un lingot il ne se forme pas un unique cristal qui grandit jusqu'à occuper toute la place... au contraire des millions et des millions de petits départs de cristaux se forment un peu partout dans le liquide et se mettent à grandir tous en même temps quand l'acier refroidit. quand ils sont assez gros ils finissent par se toucher et cristalliser le liquide qui reste entre eux, mais ils ne fusionnent pas en un seul gros cristal parce que leur orientation n'est pas la même. voir le truc avec les billes à 3min30 dans la video
c'est aussi ici qu'on peut se rendre compte que l'analogie qui compare le grain avec du sable est pas tellement bonne: dans un tas de sable il y a plein de vide entre les grains alors que dans notre cas tout l'espace est rempli, ce qui implique qu'on ne peut pas bouger un grain, ni en le tournant ni en le déplaçant. en fait il n'existe que deux moyens de modifier un grain existant: soit on lui apporte de l'énergie (aka on le chauffe) soit lui fait subir une transition de phase (on le fait changer de schéma de cristallisation)


bon là je dois aller bosser un peu alors je vais continuer ça plus tard...

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isilnor
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Re: le grain, c'est quoi et pourquoi s'en soucier

#2 Message par isilnor » 22 nov. 2017, 13:04

quand on chauffe suffisamment on arrive à un point ou les grains peuvent se réarranger.
pour comprendre comment ça se passe il faut se représenter ce qu'est la chaleur à un niveau atomique, c'est à dire que ce qu'on mesure comme une température -de la chaleur donc- est une manifestation à notre échelle de l'agitation des atomes, ils vibrent en quelque sorte; et plus ils vibrent fort et plus on mesure une température élevée. et à partir d'une certaine énergie les atomes vibrent suffisamment fort pour se déplacer légèrement et se réorganiser, ce qui se manifeste de deux manières: soit le schéma de la structure change, soit les grains grossissent.

quand le schéma change on parle de transition de phase (oui, comme quand on passe de solide à liquide ou de liquide à gazeux, c'est plus ou moins le même principe) les phases correspondant aux structures cubiques centrées ( qu'on dit aussi CC, fer alpha, ou ferrite) et cubiques à faces centrées (CFC, fer gamma ou austénite). ce qui est important pour nous dans ce changement de phase c'est qu'il permet de réduire la taille du grain -on verra plus tard pourquoi c'est mieux que le grain soit aussi petit que possible- et que dans certaines conditions on peut jouer avec ce changement pour obtenir des structures particulières (tremper entre autres). pour l'instant on ne va regarder que la partie qui concerne la taille du grain.
on peut réduire la taille du grain en utilisant les changements de phase parce que le fer permet des transitions de phase solide-solide entre ses deux structures, et quand la transition se produit ce ne sont pas les grains qui changent de structure mais de nouveaux grains qui se forment et grandissent au détriment des précédents, en les "rongeant".
ces nouveaux grains apparaissent prioritairement aux frontières des grains préexistants (on parle de joints de grains) et grossissent tous en même temps tout comme le font les grains qui se forment dans le liquide qui refroidit. on note que ces nouveau germes des grains se forment en nombre d'autant plus grand que l'on chauffe vite, ceci parce que la transformation se fait hors d'équilibre, hors plus on chauffe fort et plus l'équilibre est vite dépassé, plus l'équilibre est vite dépassé et plus la transition se fait loin du point d'équilibre et plus elle se fait brutalement ce qui se traduit par plus de germes au départ. passé un certain stade on voit même apparaitre de nouveau germes à l'intérieur des grains existants si le gradient de température est suffisant. c'est le mécanisme qu'on utilise pour normaliser (càd réduire la taille du grain). à noter que la transformation se fait en gros pareillement quand on chauffe et quand on refroidit, ce qui veut dire que quand on fait un cycle de normalisation on transforme deux fois la structure, une fois en chauffant et une fois en refroidissant.

les grains grossissent d'une manière différente: quand il y a assez d'énergie les atomes peuvent bouger de leurs emplacements pour réaligner la structure d'un cristal sur un autre voisin. on parle alors de coalescence, le mécanisme correspond approximativement à deux petits grains qui fusionnent en un seul gros. c'est ce qui fait grossir le grain à haute température. on pourrait croire du coup que le grain peut grossir même à température ambiante mais ce n'est pas le cas en pratique parce que déplacer un atome demande beaucoup d'énergie (plus que ce qui est disponible à température ambiante) et en plus il faut plus d'énergie pour le faire dans une structure CC (ferrite) que CFC (austénite). on peut noter que certains aciers peuvent être composés d'austénite à température ambiante, notamment certains inox, et que théoriquement des grains vont y fusionner à température ambiante mais en pratique c'est tellement rare qu'on peut observer un échantillon pendant des années sans voir une seule coalescence se produire.
dans un acier suffisamment chaud le rythme auquel les coalescences se produisent devient de plus en plus grand au fur et à mesure que la température augmente, mais cette augmentation n'est pas linéaire mais exponentielle, en d'autres termes quand la température est deux fois plus élevée la vitesse n'est pas doublée mais augmente beaucoup plus vite. en pratique pour des aciers à outils comme ceux qu'on utilise en coutellerie ce tau de croissance du grain est tellement faible quand on est proche du point de transformation ferrite-austénite qu'on peut le considérer comme négligeable. ce qui permet de rester quelques minutes ou dizaines de minutes à température d'austénitisation avant de tremper (ce type de maintient est neutre du point de vue du grain mais permet de dissoudre des éléments d'alliage dans le fer)

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Re: le grain, c'est quoi et pourquoi s'en soucier

#3 Message par isilnor » 22 nov. 2017, 13:56

un point intéressant à observer: les éléments d'alliage ralentissent tous la croissance du grain, mais leur influence est très variable (par exemple quasiment nulle pour le carbone mais très marquée pour le vanadium). cet effet est directement lié à la place occupée par les atomes de l'élément en question, qu'on appelle son rayon atomique et qui est grossièrement une mesure de la taille des atomes, à ne pas confondre avec le numéro atomique qui en mesure la masse; les éléments légers ont tendance à être petits et les lourds gros, mais en réalité la taille à rapport avec le nombre d'électrons et leurs positions autour de l'atome et pas directement avec le "poids", mais je m'égare...
pour comprendre comment un élément donné peut influencer la vitesse de grossissement du grain il faut comprendre comment il s'insère dans l'alliage. on a vu que le fer -comme les autres éléments- cristallise selon un schéma bien précis, et il existe seulement trois possibilités pour incorporer un nouvel élément dans la structure:
-former des grains indépendants du nouvel élément
-remplacer un atome de fer dans la structure par un du nouvel élément
-insérer un atome du nouvel élément entre les atomes de fer

dans le premier cas on parle d'inclusions
dasn le deuxième cas on parle de solution par substitution
dans le troisième on parle de solution par insertion

la solution par insertion n'affecte que très peu le grain, et ne concerne que quelques éléments car elle n'est possible que pour des éléments suffisamment petits pour se loger entre les atomes de fer. le seul élément d'alliage courant qui puisse le faire est le carbone (au passage c'est cette solution d'insertion qui permet la vitesse de migration très rapide du carbone) c'est le mécanisme le moins efficace

la solution par substitution ralentit la croissance du grain parce les éléments qui remplacent le fer dans la structure n'ont pas exactement le même rayon atomique que le fer, ce qui déforme légèrement le maillage à l'intérieur même des grains et les rend plus difficiles à réorienter. c'est le mécanisme le plus efficace.

les inclusions ralentissent la croissance du grain parce leur présence agit comme une sorte de point fixe, de fait chaque inclusion remplace un cristal d'acier, ce qui oblige les réorientations à les contourner (c'est assez faux de le dire comme ça mais on va pas y passer des heures alors on va au plus simple)

une augmentation de la quantité d'inclusions ou du nombre d'atomes en solution augmente la résistance au grossissement du grain (logique) mais on notera que dans le cas des inclusions c'est vraiment le nombre d'inclusions qui importe et pas tellement leur taille. autrement dit augmenter la quantité d'un élément qu'on retrouve sous forme d'inclusions ne peut présenter d'intérêt que si cette augmentation correspond à un plus grand nombre d'inclusions et pas si elle se traduit par des inclusions plus grosses. ceci étant certaines inclusions peuvent être dissoutes puis précipitées à nouveau pour améliorer leur répartition et leur taille.

à partir de cela on comprend bien pourquoi les aciers alliés résistent plutot bien à la croissance du grain, et les aciers "pur carbone" très mal: le carbone est assez petit pour se mettre en solution d'insertion, et si la température n'est pas assez élevée pour le dissoudre entièrement le reste sera à l'état d'inclusions sous forme de carbures de fer alors que dans un acier allié au nickel par exemple le nickel va se mettre en solution de substitution ce qui est beaucoup plus efficace contre la croissance du grain.

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Re: le grain, c'est quoi et pourquoi s'en soucier

#4 Message par isilnor » 22 nov. 2017, 14:49

et finalement: pourquoi on essaie d'avoir le grain le plus petit possible quand on fait des lames de couteaux (ou des autres outils)?

tout simplement parce que plus le grain est gros et plus l'acier casse facilement. la taille du grain affecte d'autre paramètres comme la trempabilité mais vraiment dans notre cas le seul qui compte c'est la résistance à la casse. et quand on parle de casse on ne parle seulement de laisser tomber la lame par terre mais aussi la casse par torsion, par pression ou par fatigue, ce qui passe aussi par des micro-cassures au tranchant pendant l'affutage qui rendent un bon tranchant difficile voir impossible à obtenir, et pendant l'utilisation ce qui donne un tranchant peu durable.

tout ça s'explique par la manière dont une fissure se propage dans l'acier. on pourrait dire qu'une fissure va toujours essayer de faire un maximum de dégats. donc un maximum de chemin avec l'énergie dont elle dispose. ce qui veut dire qu'une fissure va toujours suivre les joints de grains, parce c'est beaucoup plus facile d'écarter deux grains que de casser un grain, ceci parce les atomes à l'intérieur d'un grain sont liés avec beaucoup de leurs voisins mais dans les joints le changement d'orientation entre les deux grains fait que les liaisons entre atomes sont moins nombreuses et en plus elles sont plus faibles (la structure bien ordonnée dans un cristal permet d'avoir les atomes aussi proches que possible les uns des autres mais au joints la structure se décale ce qui écarte un peu les atomes, or une liaison est plus forte si elle est courte. enfin c'est un peu plus complexe que ça mais une assez bonne approximation)
et la on a deux phénomènes qui font qu'un grain fin améliore la résistance: des grains plus fins augmentent le trajet à parcourir pour avancer et augmentent le nombre de changements de direction pour le faire.

l'augmentation de la distance à parcourir pour la fissure est à comprendre comme suit: pour avancer de 1mm dans l'acier quelle est la distance réelle à échelle microscopique que la fissure va devoir effectivement parcourir. ici on va prendre une analogie: un arpenteur veut mesurer la longueur de la côte bretonne (si vous avez déjà entendu ça dans un cours de maths sur les fractales c'est normal, c'est de la même chose qu'on parle) et il prend pour le faire une grande règle de 5mètres et fait le tour d'une crique en posant 100 fois sa règle. son collègue effectue la même mesure avec une règle de 1mètre et il la pose 1000fois... le trajet est plus long avec la petite règle parce que plus la règle est grande et plus elle lisse les détails. c'est exactement la même chose qui se passe avec les grains dans l'acier

pour les changements de direction c'est un peu plus intuitif: on se rend bien compte que plus il y a de grains et plus on va se retrouver souvent à une intersection, donc on va devoir tourner plus souvent. et tourner ça demande de l'énergie; il faut "pousser de côté" pour changer de direction, un peu comme une voiture qui tourne perd de la vitesse en le faisant

voilà voilà n'hésitez pas à dire si certains trucs ne sont pas clairs ou demandent plus de précisions

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Re: le grain, c'est quoi et pourquoi s'en soucier

#5 Message par maoh » 22 nov. 2017, 15:24

génial. j'ai a peu prêt compris ce qu'est le "grain".
mille merci c'est beaucoup plus clair dans ma petite tête.
"La justice c'est comme la saints vierge, si elle se montre pas de temps en temps, on fini par douter" audiard

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Re: le grain, c'est quoi et pourquoi s'en soucier

#6 Message par R_madrun » 22 nov. 2017, 15:24

Un travail remarquable Isilnor, merci beaucoup :sm6: :sm6: :sm6:
L'acier c'est bien, le faire c'est mieux...
Ici on dit: "En casa de herrero, cuchillos de palo..." (Dans la maison du forgeron, les couteaux sont en bois...)

FB: Les Couteaux de l'Ogre

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Re: le grain, c'est quoi et pourquoi s'en soucier

#7 Message par isilnor » 22 nov. 2017, 15:52

avec plaisir :sm2:

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Re: le grain, c'est quoi et pourquoi s'en soucier

#8 Message par Aegir Thorson » 22 nov. 2017, 16:19

clair et limpide .... un résumé bien utile pour le débutant mais aussi pour les autres (moi par exemple) .....
Pour la modestie, je ne crains personne ......

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Re: le grain, c'est quoi et pourquoi s'en soucier

#9 Message par GM » 22 nov. 2017, 18:33

8O

Merci isilnor.
Faut que je trouve le temps d'avaler ça...

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Re: le grain, c'est quoi et pourquoi s'en soucier

#10 Message par JPB » 22 nov. 2017, 19:57

Bravo isilnor pour tes recherches et ton exposé très technique sur la structure cristalline de la matière ! Cela nous apporte certains éclairages et nous aide à mieux comprendre les phénomènes de cristallisation de l'acier employé pour nos lames.
Mais dis-nous ce n'est pas le métier de "tailleur de pierres" qui t'a permis d'avoir des connaissances aussi poussées en métallurgie ! :?: (je soupçonne là des études en la matière et une reconversion!). A l'occasion je jetterais bien un œil dans mes classeurs de stage de métallurgie d' il y a des temps lointains mais le courage me manque à me replonger dans les textes devenus trop techniques et ennuyeux pour moi maintenant et je préfère m'adonner aux travaux pratiques tout en ayant conservé quelques bonnes bases cela va de soit !
Un grand merci encore pour ton implication et tes informations que nous apprécions tous. :P
C'est en se plantant qu'on devient cultivé ...

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