Soutenance mémoire
LES ALLIAGES D’ALUMINIUM
L’aluminium pur figure comme le troisième élément de l’écorce terrestre en quantité, après l’oxygène et le silicium [Anderson1967]. Mais celui ci en tant que métal est très jeune ; parce que son existence ne fut prouvée qu’en 1808 par D. Humphrey en électrolysant des sels fondus d’aluminium [Michel2000]. En effet, l’aluminium pur n’existe pas à l’état naturel, c’est de la bauxite qu’on extrait ce métal après une série de transformations électrochimiques. Les deux types de bauxite sont :
➤ Les bauxites rouges dont la teneur en oxyde de fer est relativement élevée.
➤ Les bauxites blanches, qui contiennent peu de fer mais beaucoup de silice.
Généralités sur les alliages d’aluminium
L’aluminium pur ne présente que peu d’intérêts, car ses caractéristiques mécaniques sont médiocres. Par contre, ses alliages sont des matériaux de choix dans de nombreux secteurs comme l’aéronautique et l’automobile [Barlas2004, May2009]. Les alliages d’aluminium se répartissent dans leurs études en deux familles : les alliages à durcissement par écrouissage (dislocations) et les alliages à durcissement structural (précipités) [Lebert2005]. L’utilisation d’aluminium en alliage avec les autres éléments est destinée en grande partie à améliorer ses caractéristiques mécaniques. C’est le cas par exemple des alliages des séries 2000, 6000 et 7000 utilisés dans des structures sollicitées mécaniquement.
Les alliages d’aluminium de la série 2000 et leurs traitements thermiques
Les alliages de la série 2000 (Al-Cu) font partie comme ceux de la série 6000 (Al-MgSi) et la série 7000 (Al-Zn-Mg) des alliages à durcissement structural ou trempant. Leur durcissement est obtenu à travers une suite de traitements thermiques : remise en solution solide, trempe puis revenu [Dubost1990, Lebert2005, May2010]. Ils forment une gamme importante d’alliages se caractérisant par :
❖ Une résistance mécanique importante à l’état trempé-revenu,
❖ Une utilisation pour les structures portantes et travaillantes : aéronautique, automobile.
❖ Une aptitude au soudage généralement mauvaise selon les procédés traditionnels, hormis le 2219 qui est un alliage soudable très largement utilisé en application spatiale.
❖ Une résistance à la corrosion relativement faible en atmosphère corrosive.
Les alliages de cette série sont délicats en fonderie mais très appréciés des usineurs lorsque les travaux de fonderie sont bien réalisés. Les pièces réalisées dans cette série d’alliage sont très souvent des pièces soumises à des contraintes mécaniques importantes et, de ce fait, font presque toujours l’objet d’un traitement thermique [May2009]. Les principaux éléments d’addition de cette série sont le cuivre et le magnésium. Nous résumons ci-dessous le rôle de ces deux éléments [Dubost1990]:
➤ Le cuivre contribue fortement à l’amélioration des caractéristiques mécaniques des alliages et améliore considérablement les aptitudes à l’usinage. Par contre, le cuivre est souvent défavorable à la tenue en corrosion de la pièce, une protection de surface (peinture, anodisation) est fréquemment nécessaire. De plus, les alliages aluminiumcuivre, dans lesquels la teneur en silicium est très faible, sont assez facilement sujets à la crique (amorce de rupture) si le refroidissement des fonderies est mal contrôlé. Le cuivre joue un rôle important dans la tenue en fluage des alliages aluminium-cuivre et facilite leurs soudages [Anderson1967, May2009].
➤ Le magnésium est le principal agent d’amélioration des caractéristiques mécaniques et de la tenue à la corrosion des alliages d’aluminium. Il permet aussi un renforcement aux traitements de surface et facilite le soudage des alliages aluminiummagnésium [Anderson1967].
Propriétés et utilisation du 2017A « Duralumin »
Le 2017A est l’alliage le plus approprié pour réaliser une large gamme de pièces dans l’industrie, en particulier dans l’aviation militaire. En effet, il est à la fois léger et résistant, ce qui le rend le plus courant. Réputé par le nom AU4G, le duralumin peut être considéré comme étant à l’origine du développement de l’aluminium dans l’aviation et également du développement de l’aviation elle-même [Develay1990 a et b]. Cependant, il y a lieu de rappeler que sa résistance à la corrosion en atmosphère corrosive est relativement faible dans le cas de séjours prolongés.
Propriétés et données numériques du2017A
Nous donnons ci-dessous quelques propriétés essentielles de cet alliage d’après plusieurs références [Anderson1967, Heath1981, Develay1990c, May2009].
➤ Masse volumique : Elle varie en fonction de la présence ou non d’éléments d’addition. Elle est de 2700 kg/m3 pour un aluminium de pureté 99,65% et de 2790 kg/m3 pour le2017A.
➤Propriétés thermiques : La température de fusion est de 660,4°C pour un aluminium pur. Elle varie entre 560°C et 640°C pour le2017A.
➤Propriétés électriques : L’aluminium pur conduit très bien l’électricité puisqu’il se place immédiatement après le cuivre dans les métaux communs avec une résistivité électrique de 2.92 10⁻⁸ Ω.m. Les éléments d’addition ont une influence importante sur sa conductivité électrique. Pour le2017A, la résistivité électrique est multipliée quasiment par deux (5.1 10⁻⁸ Ω.m) ce qui diminue considérablement sa conductivité électrique.
➤ Module d’élasticité : Le module d’élasticité est de 66,6 GPa pour l’aluminium pur et augmente en présence d’impuretés et des éléments d’addition. Dans le cas de l’AU4G, ce module est compris entre 69 et 72 GPa et son module de cisaillement est compris entre 23 et 26 GPa.
➤Ténacité : La ténacité ou résistance statique résiduelle à la propagation d’une fissure est une notion très importante pour les alliages travaillant en chargement cyclique car elle conditionne la fiabilité et la sécurité de toute la structure. Cette propriété est caractérisée par le critère KIc lequel se situe entre 21 et 23 Mpa √m pour le 2017A.
➤Résistance à la fatigue : On détermine la limite d’endurance comme étant le rapport entre la limite à la fatigue à 10⁸ en contraintes alternées (traction-compression) et la charge de rupture en traction monotone. Ce rapport varie entre 0,25 et 0,35 dans le cas des alliages de la série 2000. Ce rapport sert à caractériser l’endurance en fatigue.
Quelques exemples d’utilisation du2017A
➤Aéronautique : La raison essentielle de son utilisation dans le domaine aéronautique est la réduction du poids des appareils afin de minimiser la consommation ou augmenter la charge utile et le rayon d’action. L’aluminium est aujourd’hui le premier métal non ferreux utilisé en tonnage dans plusieurs secteurs économiques tels que l’aéronautique où la plupart des alliages utilisés sont issus de la série 2000. Dans cette famille d’alliages, la nuance 2024 reste la plus utilisée. Ce sont ses qualités de résistance à l’endommagement (qui se traduit par une longue durée de vie avant l’initiation des premières phases d’endommagement) qui font que les constructeurs l’utilisent sur toutes les structures d’avions. La technologie aéronautique a permis, par ses besoins de plus en plus pointus, de développer de nouveaux alliages et de nouvelles techniques de caractérisation des alliages d’aluminium. Cependant il présente des caractéristiques mécaniques pouvant être améliorées.
➤Transports ferroviaires : Le gain de poids est d’autant plus intéressant que dans ces matériels où la fréquence des arrêts est relativement élevée afin de réduire la consommation lors du démarrage et l’usure lors du freinage (métros récents, remorques d’autorail, etc.).
➤Automobile : Les applications sont plutôt ciblées dans ce domaine. Telles que la réalisation des culasses, jantes, échangeurs thermiques, pistons et carters, étriers de freins, carrosserie, etc.
Nous pouvons indiquer aussi d’autres domaines d’utilisations des alliages d’aluminium à l’image de l’architecture et le bâtiment, l’industrie électrique et électronique et le domaine du conditionnement alimentaire. En conclusion, nous pouvons confirmer que l’aluminium et les alliages d’aluminium couvrent un domaine étendu d’utilisation puisqu’on trouve à chaque extrémité de ce domaine, d’une part, l’aluminium raffiné à l’état recuit avec une résistance à la rupture de l’ordre de 50 MPa et, d’autre part, les alliages à haute résistance du type Al-Zn-Mg-Cu (série 7000) fortement chargés en éléments d’addition et donne, à l’état trempé revenu, une résistance pouvant atteindre 750 MPa.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : ETAT DE L’ART SUR L’ETUDE DU COMPORTEMENT ET LA DUREE DE VIE EN FATIGUE DES ALLIAGES D’ALUMINIUM
I.1 LES ALLIAGES D’ALUMINIUM
I.1.1 Généralités sur les alliages d’aluminium
I.1.2 Les alliages d’aluminium de la série 2000 et leurs traitements thermiques
I.1.3 Propriétés et utilisation du 2017A « Duralumin »
I.1.3.1 Propriétés et données numériques du 2017A
I.1.3.2 Quelques exemples d’utilisation du 2017A
I.2 COMPORTEMENT CYCLIQUE DES ALLIAGES D’ALUMINIUM
I.2.1 Observations expérimentales
I.2.1.1 Comportement cyclique à déformation imposée
I.2.1.1.1 Ecrouissage cinématique
I.2.1.1.2 Ecrouissage isotrope
I.2.1.1.3 Effets du trajet de chargement sur le comportement
I.2.1.2 Comportement à contrainte imposée
I.2.1.2.1 Rappels de quelques travaux sur la théorie d’adaptation
I.2.1.2.2 Rappels de quelques travaux sur l’effet rochet
I.2.1.3 Corrélation avec la microstructure
I.2.2 Modélisation phénoménologique
I.2.2.1 Concepts généraux sur les lois de comportement
I.2.2.1.1 Décomposition de la déformation
I.2.2.1.2 Critères et lois d’écoulement en plasticité
I.2.2.1.3 Formulation des lois de comportement
I.2.2.1.4 Modèles multimécanismes
I.3 ETUDES SUR LA DUREE DE VIE DES ALLIAGES D’ALUMINIUM
I.3.1 Termes et symboles utilisés pour décrire le cycle de chargement
I.3.2 Courbe de Wöhler (courbe S – N)
I.3.3 Mécanismes d’endommagement en fatigue
I.3.4 Les critères de fatigue multiaxiale
I.3.5 Mesures d’endommagement
I.3.5.1 Variation du module d’élasticité
I.3.5.2 Variation de la dureté
I.3.5.3 Variation de la résistance électrique
I.3.5.4 La loi de Lemaitre-Chaboche modifiée
I.4 CONTEXTE ET POSITION DE L’ETUDE
CHAPITRE II : MISE EN ŒUVRE DES PROCEDURES EXPERIMENTALES
II.1 MATERIAU ET EPROUVETTES UTILISEES
II.1.1 Matériau de l’étude
II.1.2 Fabrication des éprouvettes
II.1.3 Traitement thermique des éprouvettes
II.2 DISPOSITIFS D’ESSAIS
II.2.1 Plateforme traction-torsion
II.2.2 Dispositifs de chargement
II.2.3 Dispositif de mesure
II.2.4 Contrôle de température
II.3 ANALYSES MICROSTRCUTURALES
II.3.1 Méthodes et moyens d’analyse microstructurales
II.3.2 Préparation des échantillons et moyens d’analyse
II.4 ESSAIS REALISES EN VUE D’UNE BASE DE DONNEES SUR LE COMPORTEMENT MONOTONE ET CYCLIQUE
II.4.1 Comportement monotone
II.4.2 Comportement cyclique
II.5 ESSAIS DE DUREE DE VIE
CHAPITRE III : RESULTATS DES ESSAIS ET DISCUSSIONS
III.1 RESULTATS DES ESSAIS DE COMPORTEMENT MONOTONE ET CYCLIQUE
III.1.1 Résultats des essais réalisés en chargement monotone
III.1.1.1 Résultats des essais réalisés en traction
III.1.1.2 Résultats des essais réalisés en torsion
III.1.2 Résultats des essais réalisés en chargement cyclique
III.1.2.1 Evolution des boucles contrainte – déformation
III.1.2.2 Etats limites observés en chargement cyclique
III.1.2.3 Evolution de l’écrouissage
III.2 RESULTATS DES ESSAIS DE FATIGUE
III.2.1 Comportement en fatigue et durée de vie
III.2.2 Evolution de l’endommagement de fatigue
III.3.2.1 Evolution de la rigidité du matériau en cours des cycles
III.3.2.2 Evolution de l’endommagement du matériau
III.3.2.3 Evolution de la déformation plastique cumulée
III.3 CORRELATION AVEC LES MICROSTRUCTURES
III.3.1 Chronologie d’endommagement et propagation des fissures
III.3.1.1 Phase d’amorçage
III.3.1.2 Phase de propagation
III.3.1.2.1 Stade I : cristallographique
III.3.1.2.2 Stade II : Propagation à stries
III.3.1.2.3 Stade III : Propagation à cupules
III.3.1.3 Phase d’endommagement intense et rupture brutale
III.3.2 La direction d’endommagement et le mode de rupture en torsion alternée
III.3.3 La direction d’endommagement et mode de rupture en traction compression
CHAPITRE IV : SIMULATIONS NUMERIQUES
IV.1 MODELE DE COMPORTEMENT ET CODE DE CALCUL
IV.1.1 Les modèles multimécanismes
IV.1.2 Equations constitutives du modèle multimécanismes
IV.1.2.1 Le modèle multimécanismes sans anisotropie (Von Mises)
IV.1.2.2 Le modèle multimécanismes avec anisotropie
IV.1.3 Code de calcul et étapes de la simulation
IV.2 SIMULATION AVEC LES PARAMETRES DE SAI-TALEBCAILLETAUD, 2012
IV.2.1 Procédure d’identification des paramètres
IV.2.2 Résultats des simulations et comparaison avec l’expérience
IV.2.2.1 Simulation numérique des essais réalisés en chargement de traction-compression
IV.2.2.2 Simulation numérique des essais réalisés en chargement de torsion alternée
IV.2.2.3 Evolution de la déformation plastique en traction-compression
IV.2.2.4 Evolution de la déformation plastique en torsion alternée
IV.2.3 Prise en compte de l’anisotropie du matériau
IV.2.4 Remarques et conclusions concernant les résultats de simulation
CONCLUSION GENERALE
