Soutenance mémoire
Ces dernières années, nombreuses études expérimentales des alliages ternaires à base aluminium, notamment les systèmes de type Al-Cu-MT (MT = Li, Co, Cr, Re, …) [1] , [2]obtenus par diverses méthodes d‟élaboration, attirent l‟attention de beaucoup de chercheurs grâce aux propriétés physiques particulières. De ce fait, nous avons, dans le présent travail, étudié la microstructure des alliages ternaires Al-CuFe pour trois compositions nominales : Al80Cu14Fe6, Al65Cu23Fe12 et Al72Cu13Fe15 élaborés par solidification après fusion sous induction magnétique haute fréquence. Plusieurs composés intermétalliques binaires et ternaires prévus dans le diagramme d‟équilibre de phases du système ternaire Al-Cu-Fe ont été identifiées, parmi lesquels la phase quasicristalline dont la structure possède une symétrie incompatible avec les symétries de la cristallographie classique (symétrie de rotation d‟ordre 5 pour les formes icosaédriques) [3]. La particularité de cette nouvelle phase est qu‟elle présente à la fois des propriétés électriques et thermiques inverses de celles des alliages métalliques classiques et des propriétés mécaniques intéressantes. Elle est tout d’abord dotée d’une résistance électrique excessivement élevée [4] et peut également rivaliser avec les meilleurs isolants thermiques tels que la zircone par exemple [5]. Une autre propriété inattendue : la conductivité électrique augmente légèrement avec la température. D’un point de vue mécanique [6], les quasi cristaux possèdent une remarquable dureté, un faible coefficient de frottement ainsi que des qualités de non-adhérence [7]. A haute température, les quasicristaux deviennent ductiles et même superplastiques. En effet, la combinaison de toutes ces propriétés pourrait leur ouvrir des champs très larges d’applications industrielles comme barrière thermique ou revêtement de pièces mobiles afin de prolonger la durée de vie et dans le domaine des poêles à frire, ils qui peuvent également être utilisés dans les moteurs d‟hélicoptères.
Le chauffage par induction électromagnétique fait partie des techniques électrothermiques qui permettent de chauffer un matériau sans contact direct avec une source d‟énergie électrique. Il est fréquemment utilisé pour les techniques de trempe, de soudure et de fusion de métaux. Le chauffage par induction électromagnétique a pour particularité de générer la chaleur directement à l‟intérieur du matériau à chauffer. Cette particularité présente de nombreux atouts par rapport aux méthodes de chauffe plus standards, notamment la réduction de temps de chauffe (les hautes densités de puissance mises en jeu permettent d‟obtenir des vitesses de chauffe très rapides et des rendements élevés), ou encore la possibilité de chauffer de façon très locale.
L’aluminium et ses propriétés
L’aluminium est découvert pour la première fois par Oersted en 1825, il est obtenu par électrolyse de la bauxite (oxyde hydraté), c‟est un élément du IIIème groupe de la classification de Mendeleïev, dont le nombre atomique est 13 et la masse atomique 26,98 (environ 27). L’aluminium possède un réseau cubique à faces centrées à équidistance : a = 4,0412 Å, sa caractéristique la plus importante est la faible densité (2,7 g/cm3 ). L’Aluminium représente environ 7,5 % en masse dans l‟écorce terrestre.
Son utilisation s‟accroît de jour en jour grâce à ses propriétés particulières qu’il présente :
❖Légèreté ce qui facilite son utilisation dans la construction mécanique.
❖Bonne conductivité de chaleur et d’électricité : L‟aluminium non allié possède une excellente conductivité thermique ainsi que une bonne conductivité électrique (de l‟ordre de 2/3 celle du cuivre).
❖Bonne tenue à la corrosion, grâce à la formation en surface d‟une pellicule très fine, ≈0,7 μm, et très résistante de Al2O3 l’aluminium, en contact avec l‟oxygène de l‟air, forme très vite une couche d‟oxyde Al2O3 qui protège le métal contre les attaques chimiques. Cette pellicule est non soluble dans l‟eau, donc l‟aluminium est très résistant contre l‟influence atmosphérique et très utilisé surtout dans l‟industrie chimique et alimentaire.
❖Possibilité facile de déformation et de soudage.
❖Réflexion : Lorsqu‟il est poli, c’est un métal blanc et brillant et possède un grand pouvoir de réflexion, on l‟utilise comme réflecteur pour chauffage et éclairage ou surface réfléchissante des miroirs de télescopes. La capacité de réflexion peut atteindre jusqu’à 90 % [8].
Alliages d’aluminium
Influence des éléments d’alliages sur les propriétés de l’aluminium
L’aluminium pur, non allié possède des propriétés mécaniques relativement faibles, afin d‟améliorer ces propriétés, on est conduit à ajouter des éléments d‟addition lors de sa fusion. Ces éléments entrent en solution solide ou forment des précipités qui entraînent des compositions des alliages. L’avantage des alliages d‟aluminium est qu‟ils permettent d‟avoir une bonne résistance mécanique, tout en conservant une faible masse volumique, de plus ils sont résistants à la corrosion. Ils sont de nos jours d’un usage plus répandu principalement dans l‟industrie aéronautique et automobile.
La différence entre alliages est due à l’élément d’addition principal, quelle que soit sa teneur, mais l‟addition d’autres éléments secondaires va aussi influer sur les caractéristiques de l’alliage. Tous les éléments jouent, par leur nature et leur teneur, sur plusieurs propriétés de l’alliage comme :
❖les caractéristiques mécaniques (charge de rupture Rm, limite élastique Rp02, l’allongement à la rupture A%, la dureté).
❖la masse volumique.
❖la conductivité électrique et la conductivité thermique.
❖la résistance à la corrosion.
❖l’aptitude au soudage.
❖l’usinabilité.
❖l’aptitude à la déformation et à l’anodisation.
L’influence du Fer et du Cuivre sur les propriétés mécaniques de l’aluminium
Le fer augmente la limite d‟élasticité et la résistance mécanique de l‟aluminium ainsi qu‟il améliore l‟allongement, cela est expliqué par la précipitation des particules fines de la phase Al13Fe4 dans l‟alliage binaire Al-Fe, qui seront transformées en grain plus fins lors du traitement thermique. Les grains fins donnent essentiellement une plasticité meilleure que celle des gros grains. Le fer stabilise donc la grosseur des grains et améliore les propriétés mécaniques. Le cuivre aussi améliore la résistance mécanique par l‟augmentation de l‟élasticité et l‟amélioration de l‟allongement .
Traitements thermiques des alliages d’aluminium
Les structures hors d‟équilibre et leurs défauts qui dégradent la plasticité et augmentent la ségrégation des alliages d‟aluminium sont éliminés en appliquant le traitement thermique à ces alliages.
Recuit d’homogénéisation
L’alliage est porté à une température aussi élevée que possible, cette température doit rester inférieure à la température eutectique et à la température de fusion des phases intermétalliques éventuellement présentes (pour l’Al environ 500°C), ce traitement est appliqué aux alliages pour éliminer la ségrégation qui conduit à la formation d‟une solution solide inhomogène et permettre la dissolution des éléments qui provoquent le durcissement . Au cours de l‟homogénéisation, la composition des cristallites de la solution solide est uniformisée, alors que les phases intermétalliques se déposent sous forme de fines inclusions secondaires uniformément réparties .
Comme le traitement thermique dépend très fortement de la température et de la durée de recuit, on doit suivre le cycle thermique concernant les alliages d‟Aluminium qui comprend :
❖Un chauffage jusqu‟à une température élevée de 450 à 520°C.
❖Un maintient qui varie de 1 à 40 heures.
❖Un refroidissement lent dans le four ou à l‟air .
Solidification des métaux
La solidification est définie comme étant l‟opération au cours de laquelle un liquide passe à l‟état solide, cela peut se faire par refroidissement. Elle procède en général par précipitation : Il y a formation de germes de phase solide au sein du liquide ; c‟est la germination puis la croissance qui correspond au développement de ces germes jusqu‟à l‟épuisement de la phase mère .
La transition de l’état liquide à l’état solide pour un métal pur est particulière car elle se produit toujours à la même température et celle-ci est unique pour une pression atmosphérique donnée. Cette affirmation se décrit à partir de la règle des phases ou règle de Gibbs qui stipule que :
P + f = C + 1
Où P est le nombre de phases en équilibre thermodynamique, f est le degré de liberté et C est le nombre de composantes.
Température de solidification
Si un équilibre énergétique est établi entre la phase solide et la phase liquide et que la pression est fixée, le degré de liberté sera égal à zéro pour un système formé d’un seul constituant. Donc, la température de solidification d’un métal pur à pression constante est invariable. Cette température est une caractéristique importante pour un métal pur et on la nomme température de solidification, À la température de solidification, le liquide est plus désordonné que le solide et possède ainsi une entropie plus élevée que celle du solide ordonné.
À la température d’équilibre liquide-solide, on a :
ΔGt = ΔHt – TΔSt = 0 .
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Table des matières
Introduction
Chapitre I: Etude Bibliographique
I-1-Aluminium et ses propriétés
I-2-Alliages d‟aluminium
I- 2-1 Influence des éléments d’alliages sur les propriétés de l’aluminium
I-2-2 L’influence du fer et du cuivre sur les propriétés mécaniques de l’aluminium
I-2-3 Classification des alliages d’aluminium
I-3 – Traitements thermiques des alliages d‟aluminium
I- 3-1 Recuit d’homogénéisation
I-4- Solidification des métaux
I- 4-1 Température de solidification
I- 4-2 Chaleur latente
I-4-3 La surfusion
I-5- Germination
I- 5-1 Énergie libre
I-5-2 Germination homogène
I-5-3 Germination hétérogène
I-6- Croissance des germes
I-7-Morphologie des grains
I-7-1 Grains équiaxes
I-7-2 Grains basaltiques
I-8- Les quasicristaux
I-8-1 Phases approximantes
I-8-2 Catégories des quasicristaux
I-8-3 Propriétés des quasicristaux
I-9- Etude bibliographique de système Al-Cu-Fe
I-9-1 La phase quasicristalline icosaédrique i-Al-Cu-Fe
I-9-2 Le nombre d’or
I-10- Applications des quasicristaux
Références de premier chapitre
Chapitre II: Elaboration et Caractérisation
II-1-Méthode d‟élaboration
II-1-1 Chauffage par induction Haute Fréquence
II-1-2 Système typique de chauffage par induction HF
II-1-3 Comment fonctionne le chauffage par induction HF ?
II-1-4 Pour les métaux ferreux-magnétiques
II-1-5 Principe physique de chauffage par induction HF
II-2- Elaboration d’alliages
II-3- Techniques de caractérisation
II-3-1 Microscopie optique
II-3-2 Microscopie électronique à balayage (MEB)
II-3-3Diffractométrie des rayons X (DRX)
II-3- 4 Analyse Calorimétrique Différentielle (DSC)
II-3-5 Microdureté
Références de deuxième chapitre
Chapitre III: Résultats et Interprétation
III-1-Introduction
III-2-Observation métallographique par microscopie optique
III- 2-1Alliage Al80Cu14Fe6
III-2-2 Alliage Al65Cu23Fe12
III-2-3 Alliage Al72Cu13Fe15
III-3-Observation par microscopie électronique à balayage (MEB)
III- 3-1 Alliage Al80Cu14Fe6
III-3-2 Alliage Al65Cu23Fe12
III- 3-3 Alliage Al72Cu13Fe15
III-4-Analyses par diffraction des rayons X
III- 4-1 Alliage Al80Cu14Fe6
III-4-2 Alliage Al65Cu23Fe12
III-4-3AlliageAl72Cu13Fe15
III-4-4 Paramètre de maille a6D de la phase icosaédrique
III-5- Analyse Calorimétrique Différentielle
III- 5-1 Alliage Al80Cu14Fe6
III-5-2 Alliage Al65Cu23Fe12
III-5-3 Alliage Al72Cu13Fe15
III-6-Implication du rapport électrons sur atomes
III-7- Microdureté de Vickers
III-8- Détermination du système de glissement du composé Al13Fe4
Références de troisième chapitre
Conclusion générale
