Empreinte digitale DSC des trempes

Calorimétrie Différentielle À Balayage (DSC)

La calorimétrie est une technique d’analyse faisant partie d’un groupe de techniques collectivement connues sous le nom de méthodes d’analyse thermique. Les deux techniques de calorimétrie les plus souvent appliquées sont la calorimétrie iso thermique et la calorimétrie différentielle à balayage (DSC), qui est par définition non iso thermique comme son nom l’indique (i.e. un balayage en température). La DSC peut être utilisée efficacement pour étudier les différentes réactions à l’état solide qui se produisent au cours des principales étapes de traitement d’un alliage à base d’Al, telles que la solidification, l’homogénéisation et la précipitation [49]. L’analyse quantitative de la cinétique des réactions, telles que les réactions de précipitation dans les alliages d’aluminium, peuvent aider à mieux comprendre les effets de certains paramètres métallurgiques sur les caractéristiques de précipitation et les propriétés mécaniques [50-54].

Principes généraux

DSC concerne la mesure de la chaleur dégagée par une substance lors du chauffage / refroidissement. Le mot « différentiel » souligne que les mesures impliquent la détermination du comportement relatif d’une substance elle-même et d’un matériau de référence. En DSC, l’équipement peut être étalonné de manière à pouvoir mesurer l’évolution de la chaleur de l’échantillon quantitativement [55]. La DSC s’est révélée être une technique très utile et reproductible pour l’étude des transformations de phase et a été largement appliquée pour étudier la précipitation dans des alliages Al. Outre l’intérêt scientifique fondamental de ces études, leur objectif sous-jacent est d’utiliser la calorimétrie comme un outil efficace et rapide pour étudier diverses caractéristiques des matériaux commerciaux. Par exemple, dans les alliages à base d’Al, les fractions volumiques de précipités, la température de fusion de phases spécifiques et l’énergie d’activation des réactions peuvent, dans la plupart des cas, être déterminées par la technique DSC.

Il existe deux types de DSC, le flux de chaleur DSC et la compensation de puissance DSC [56]. Les principes de fonctionnement de la compensation de puissance DSC sont illustrés à la figure 2-6, telle qu’elle est équipée en laboratoire et utilisée dans le sujet. Dans le calorimètre, le signal est directement lié à la chaleur différentielle fournie pour conserver l’échantillon et la référence à la même température.

Les échantillons d’alliages de métaux légers utilisés pour l’analyse DSC sont préparés selon un processus simple. Si le matériau à étudier se présente sous forme de poudre ou de rubans, par exemple issu d’un traitement de solidification rapide, un échantillon de la poudre ou de petits flocons peuvent être prélevé et placé directement dans un creuset. Si le matériau en masse doit être étudié, des échantillons en forme de disque de taille appropriée peuvent être facilement obtenus, soit par poinçonnage à partir d’une plaque ou d’une feuille mince, soit par découpage (tranchage) à partir de cylindres usinés. Les tailles sont choisies de manière à ce que l’échantillon puisse s’adapter à la cavité cylindrique bordée de thermocouples qui est le porte-échantillon. Lors de l’utilisation d’un appareil DSC à compensation thermique, la masse totale de l’échantillon est petite et on utilise généralement un échantillon constitué d’un seul disque d’environ 0.5 à 2 mm d’épaisseur et de 3 à 8 mm de diamètre [57].

Dans la plupart des études colorimétriques, les effets de la préparation des échantillons sur les données ne sont pas concernés, et la facilité de préparation des échantillons à l’aide de diverses méthodes est considérée comme un avantage pour la méthode. Cependant, il est bien connu que le poinçonnage, le meulage, l’usinage et le découpage introduisent tous une déformation dans les alliages à base de Al, ce qui influence la précipitation dans la plupart des alliages à base de Al pouvant être traités à la chaleur en fournissant des sites pour la nucléation hétérogène et en annihilant les vides excessifs inutilisés [4, 31]. Les traitements à des températures relativement élevées peuvent provoquer une oxydation ou d’autres réactions de surface, ainsi que des pertes d’éléments d’alliage dans l’atmosphère ou dans les produits de réaction formés lors d’une réaction de surface.

Pour les échantillons calorimétriques, l’épaisseur de l’échantillon détermine dans une large mesure, l’importance relative des réactions de surface. La rugosité de la surface peut également jouer un rôle. Si l’un de ces effets a une influence significative sur les réactions survenant au cours d’une expérience de calorimétrie, la technique de préparation de l’échantillon entraînera des variations dans les données mesurées [49].

Correction de la référence en calorimétrie

Lors de l’analyse d’expériences de chauffage linéaire, la référence de la DSC doit être soigneusement considérée, car la référence est généralement fonction de la température et du temps [58]. L’importance de l’analyse de la référence peut être illustrée en traçant les courbes DSC mesurées en utilisant des substances inertes comme échantillon et référence ou en n’utilisant aucun échantillon et en répétant ces expériences sur une période prolongée (par exemple, plusieurs mois). Ce type de travail a été effectué par Zahra et al. [58] pour un système d’analyse thermique Perkin-Elmer série 1020, et des variations substantielles de la référence sur une période d’un an, ont été identifiées. Les réactions à l’état solide dans les alliages à base de Al provoquent généralement des effets thermiques relativement faibles; et ainsi les procédures de correction de la référence sont donc essentielles, et cette référence doit être vérifiée régulièrement pour ses réactions. Les réactions solide-liquide et liquide-solide, par contre, produiront généralement des flux de chaleur beaucoup plus importants et la correction de la référence est moins importante. Bien que la procédure de correction de la référence permette, dans de nombreux cas, de corriger les variations de la référence, cette procédure n’est parfois pas suffisante pour corriger tous les effets parasites lorsque de très faibles effets thermiques sont étudiés.

Pour les réactions à l’état solide dans les alliages à base de Al, les effets thermiques dus aux réactions seront du même ordre de magnitude ou inférieurs aux effets thermiques dus à la différence de capacité thermique entre l’échantillon et la référence [49]. Ainsi, si les courbes DSC contenant principalement des réactions à l’état solide doivent être étudiées, une correction de l’effet thermique dû à la différence de capacité thermique devra être effectuée. En principe, les effets thermiques dus à la différence de capacité thermique de l’échantillon et de la référence peuvent être calculés sur la base des poids et d’une moyenne pondérée des capacités thermiques des éléments faisant partie de l’alliage. En pratique, toutefois, cette procédure fastidieuse est souvent évitée et les effets de la capacité thermique sont corrigés en conjonction avec la variabilité de la référence. Cela est possible parce que la capacité thermique de Al à l’état solide est, dans une bonne approximation, une fonction linéaire de la température. Par conséquent, si la référence de l’appareil DSC est une fonction linéaire de la température, l’effet combiné de la variabilité de la référence et de la capacité thermique est également une fonction linéaire et la correction des deux contributions au signal DSC peut être corrigée en soustrayant une fonction linéaire. Si deux températures bien espacées sur la courbe DSC ne provoquant aucune réaction peuvent être identifiées, la fonction de correction linéaire est facilement obtenue. À moins qu’une réaction ne se produise immédiatement au début du cycle de DSC, l’un de ces points est souvent facilement défini comme le point où le DSC atteint pour la première fois une vitesse de chauffage stable, par exemple quelques dizaines de degrés au-delà du début du chauffage. Un deuxième point devra être pris au moment où la réaction est terminée.

Si les lignes de base sont des fonctions polynomiales du second ordre, une procédure similaire peut être suivie, mais alors, il va falloir identifier trois sections où aucune réaction ne se produit. Hemminger et al. [59] ont présenté une étude de la construction de référence et de son influence sur les résultats DSC, laquelle donne la déduction détaillée et une preuve rigoureuse mathématiquement, concluant les différentes erreurs relatives pour différentes constructions de référence dans des modélisations de méthodes distinctes.

Bien qu’une détermination plus ou moins précise de la référence soit généralement possible, il convient de noter que les procédures laissent toujours une erreur résiduelle qui peut être négligeable ou significative par rapport aux effets qui sont mesurés. Des incertitudes concernant la position de la référence peuvent exister en particulier pour les matériaux dans lesquels des réactions se produisent sur l’ensemble de la courbe de DSC mesurée ou les matériaux dans lesquels les effets thermiques dus aux réactions sont faibles par rapport à la variabilité de la référence.

Études qualitatives

Pour l’analyse des réactions à l’état solide dans les alliages à base de Al pouvant être traités thermiquement, le meilleur équilibre de propriétés est obtenu si le traitement en solution est effectué de manière à ce qu’un maximum d’éléments d’alliage soit dissous sans qu’aucune fusion ne se produise. Par conséquent, le traitement en solution est effectué juste en dessous de la température de début de la fusion initiale. Dans les études sur l’homogénéisation et le traitement en solution d’alliages à base de Al pouvant être traités à la chaleur, la DSC est généralement la technique de choix. Dans ces études, la DSC est efficace car elle fournit une estimation rapide de la plage de température pour la dissolution des phases solubles, ainsi que la température initiale de fusion initiale.

La DSC est également largement utilisée pour étudier les réactions de précipitation dans des alliages à base de Al pouvant être traités à la chaleur. Des travaux antérieurs ont porté sur la sensibilité à la trempe des alliages durcis par précipitation [60-62], l’effet du (pré)vieillissement de la température ambiante et de la formation d’amas et de zones [63, 64], la zone affectée thermiquement dans les soudures [65], et influence du choc thermique sur précipitation [66]. Dans les études de précipitation utilisant l’analyse thermique, il convient de garder à l’esprit que les précipitations peuvent se produire avant, pendant et après l’expérience d’analyse thermique, d’où la mesure ne suit qu’une partie du processus étudié.

L’utilisation de la DSC pour la détermination de l’historique thermique d’un alliage traité thermiquement est également une application que l’on peut trouver dans le contrôle de la qualité des traitements de vieillissement, par exemple dans la vérification des traitements thermiques industriels, et dans ce cas l’application est parfois appelée prise d’empreintes digitales de DSC [67, 68]. Une autre application consiste à évaluer les traitements thermiques de telles pièces inaccessibles pour enregistrer l’historique de température subi.

Analyse quantitative

Lors de l’analyse DSC, une analyse quantitative est plus souvent effectuée pour caractériser la cinétique de la réaction. L’un des moyens les plus populaires de gérer la complexité des réactions activées thermiquement est d’émettre l’hypothèse que le taux de transformation au cours d’une réaction est le produit de deux fonctions, l’une dépendant de la température T et l’autre de la transformation de la fraction α.

Réponses DSC

La technique DSC a été largement utilisée pour tester les réactions à l’état solide dans les alliages à base de Al Lloyd et al. [67] ont étudié les réactions de précipitation et les réponses DSC de l’alliage AA6111 en se concentrant principalement sur l’analyse DSC pour différents états de traitement thermique, par exemple les états d’extinction, les états de vieillissement naturel / artificiel et le traitement de cuisson au four. Les liens ont été établis entre la précipitation et la réponse de durcissement par vieillissement. L’étude est utile dans ce sujet pour comprendre que la DSC est efficace pour fournir un moyen de surveiller les réactions de précipitation et de relever les empreintes digitales du stade de précipitation dans l’alliage, ainsi que sa réaction de durcissement au vieillissement subséquent au traitement thermique qui vont suivre.

Yassar et al. [51] ont étudié les effets de la déformation à froid sur la cinétique des précipités de β”-Mg2Si dans les alliages AA6022 par l’analyse DSC et ensuite après avoir étudié l’évolution des réactions de précipitation, ils ont découvert que les précipités de β” étaient remplacés par β’ et Q’ dans les échantillons pré déformés, et que à des températures plus élevées, seuls les précipités Q’ sont présents dans la microstructure des échantillons pré déformés.
Chang et al. [80] ont trouvé trois réactions en groupes se déroulant en deux stades lors d’une enquête par DSC à basse température, dans lesquelles les deux premières sont liées entre elles avec un effet défavorable du pré-vieillissement à la température ambiante et la troisième montre une modification de l’énergie d’activation au cours du vieillissement à la température ambiante montrant un fort décalage de la position du pic du signal thermique.

Matériaux et Traitements Thermiques

Alliage HPVDC AlSi10Mg0.3Mn

L’alliage AlSi10Mg0.3Mn a été fourni sous forme de plaques de 220×65×3 mm produites par le moulage sous vide à haute pression (HPVDC) de Rio Tinto Aluminium. La composition chimique de l’alliage AlSi10Mg0.3Mn étudié est indiquée dans le tableau 3-1.
Tous les traitements thermiques ont été traités dans un four électrique à air pulsé. D’une part, pour les traitements en solution, qui étaient séparés en deux types différents, l’un était à 460 ℃ pendant 1 heure, marquée comme solution partielle, et l’autre était effectué à 500 ℃ pendant 1 heure, défini comme solution complète. Tous les deux ont été suivis d’une trempe rapide à l’air à la température ambiante à l’aide d’un grand ventilateur, avec une vitesse de refroidissement moyenne d’environ 10 ℃/s. Pendant ce temps, les traitements de vieillissement ont été traités à 185 ℃ pendant 4 heures sur les fabriqués (trempe F) et sur solution partielle/complète, définis comme T5 et T6-p/T6-f, respectivement. En outre, le traitement de survieillissement a été appliqué à 220 ℃ pendant 4 heures après le traitement en solution partielle et complète, défini comme T7-p/T7-f. Les conditions ont été résumées à la figure 3-1.

Alliage de coulée PM Al-Si-Mg-Cu 319

L’alliage Al-Si-Mg-Cu 319 coulé de moulage permanent (PM) a été fourni sous forme d’un échantillon cylindrique ϕ21×200 mm de l’Université Laval. La composition chimique de l’alliage 319 est indiquée dans le tableau 3-2.
Le traitement en solution a été effectué à 505 ℃ pendant 4 heures avec une vitesse de chauffage de 8.5 ℃/min, suivi d’une trempe à l’eau à la température ambiante. Pour les traitements de vieillissement, ils ont été procédés à 180 ℃ pendant 5 heures avec une vitesse de chauffage de 100 ℃/h, à la fois à l’état coulé et de solution à l’état traité, nommé T5 et T6. De plus, un traitement de survieillissement (trempe T7) a été réalisé à 200 ℃ pendant 5 heures avec une vitesse de chauffage de 100 ℃/h. Toutes les conditions sont illustrées dans la figure 3-2.

Performance DSC

Une analyse DSC non isotherme a été réalisée avec l’équipement de calorimètre différentielle à balayage informatisé de Perkin-Elmer DSC8000. Tous les échantillons ont été fabriqués à partir de la plaque pour l’analyse DSC. Le poids de chaque échantillon était d’environ 20 à 30 mg. Une atmosphère protectrice de gaz d’argon pur a été utilisée, avec un débit de gaz d’environ 60 mL/min.

La température

d’essai a été réglée de 50 ℃ à 550 ℃ et la vitesse de chauffage de 10 ℃/min a été réalisée dans toutes les conditions de trois alliages expérimentaux. Afin d’étudier la cinétique de précipitation, deux vitesses de chauffage supplémentaires de 20 ℃/min et de 30 ℃/min ont été appliquées sur l’alliage AlSi10Mg0.3Mn. Pour chaque condition, au moins 3 échantillons ont été testés pour obtenir des résultats fiables. Pour chaque essai normal, l’échantillon DSC a été placé dans le creuset d’échantillon tandis qu’un morceau d’aluminium de haute pureté ayant à peu près le même poids était placé dans le creuset de référence. Afin de calibrer la référence de la machine, deux pièces d’aluminium ayant à peu près le même poids, ont été placées dans des creusets d’échantillon et de référence, respectivement, et ont été testées dans les mêmes conditions que le test de balayage d’échantillon.

Le processus de normalisation de chaque courbe DSC est toutefois acquis suivant plusieurs autres étapes encore. Pour obtenir les données de thermo-gramme corrigées en fonction de la référence, les courbes d’échantillonnage sont tout d’abord utilisées pour soustraire les courbes de référence calibrées, comme illustré dans la figure 3-4(a). Après cela, les courbes soustraites sont effectuées et corrigées avec la référence calculée avec une fonction polynomiale ou a Gaussien conformément à [53], comme illustré à la figure 3-4(b). Cette étape s’appelle la correction de l’effet thermique. Finalement, les courbes normalisées sont acquises en divisant la masse des échantillons testés, qui sont montrés à la figure 3-4(c) et (d). Ainsi, les résultats requis ont été obtenus, qui respectent le processus standard de normalisation.

Table des matières

RÉSUMÉ 
ABSTRACT 
TABLE DES MATIÈRES 
LISTE DES FIGURES 
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES SYMBOLES 
REMERCIEMENTS
CHAPITRE 1 INTRODUCTION
1.1 Contexte
1.2 Objectifs
Références
CHAPITRE 2 REVUE DE LA LITTÉRATURE
2.1 Eléments D’alliage
2.1.1 Silicium
2.1.2 Magnésium
2.1.3 Cuivre
2.2 Comportements De Précipitation
2.2.1 Phase β
2.2.2 Phase θ
2.3 Traitements Thermiques
2.3.1 Traitement en solution et le processus de trempe
2.3.2 Traitements de vieillissement
2.4 Calorimétrie Différentielle À Balayage (DSC)
2.4.1 Principes généraux
2.4.2 Correction de la référence en calorimétrie
2.4.3 Études qualitatives
2.4.4 Analyse quantitative
2.4.5 Réponses DSC
2.5 Sommaire
Références
CHAPITRE 3 PROCÉDURES EXPÉRIMENTALES
3.1 Matériaux et Traitements Thermiques
3.1.1 Alliage HPVDC AlSi10Mg0.3Mn
3.1.2 Alliage de coulée PM Al-Si-Mg-Cu 319
3.1.3 Alliage extrudé Al-Si-Mg 6082
3.2 Performance DSC
3.3 Observations de la Microstructure et Évaluations des Propriétés
3.3.1 Préparation de la métallographie
3.3.2 Analyse de la microstructure
3.3.3 Tests de micro dureté
3.3.4 Tests de conductivité électrique
Références
CHAPITRE 4 EMPREINTE DIGITALE DSC DES TREMPES 
4.1 Alliage HPVDC AlSi10Mg0.3Mn
4.1.1 Thermogrammes DSC
4.1.2 Microstructure et évaluations des propriétés
4.2 Alliage De Coulée PM Al-Si-Mg-Cu 319
4.2.1 Thermogrammes DSC
4.2.2 Évaluations des propriétés et microstructures
4.3 Alliage Extrudé Al-Si-Mg 6082
4.3.1 Thermogrammes DSC
4.3.2 Évaluation des propriétés et microstructures
4.4 Sommaire
Références
CHAPITRE 5 CINÉTIQUE DE PRÉCIPITATION DE L’ALLIAGE D’AlSi10Mg0.3Mn 
5.1 Détermination des Paramètres Cinétiques de Précipitation
5.2 Precipitates Energie D’activation de Divers Précipités
5.2.1 β” dans F & trempes de Solution
5.2.2 β’ dans les trempes T5 et T6
5.2.3 β dans les trempes T7
5.3 Sommaire
Références
CHAPITRE 6 CONCLUSIONS
CHAPITRE 7 RECOMMANDATIONS
ANNEXE I. FONCTIONSDE RÉACTION COMMUNES
ANNEXE II. DÉTERMINATION DE L’ÉNERGIE D’ACTIVATION

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