Soutenance mémoire
Les alliages d’aluminium jouent un rôle important dans l’industrie, ils occupent la deuxième place dans la construction de différentes pièces après le fer. Ces alliages sont plus utilisés dans l’industrie automobile et aéronautique du fait de leur bon compromis densité et propriétés mécaniques (une faible densité d’aluminium et de trés bonnes propriétés mécaniques). Les alliages Al-Mg-Si de la série 6000 sont des alliages à durcissement structural dont la microstructure est contrôlée par des traitements thermiques et thermomécaniques qui permettent de conférer à ces alliages toute une variété de microstructures. La décomposition de la solution solide sursaturée obtenue au cours d’un chauffage continu depuis la température ambiante jusqu’a une température voisine de 540°C, ou lors d’un chauffage isotherme à une température appropriée se fait suivant la séquence de précipitation suivante :
SSS → amas individuels de Mg et de Si → Co-amas (Mg,Si) → Zones GP → β » → β′→ β
Les phases β » et β′ sont des phases métastables tandis que la phase β représente la phase d’équilibre de formule Mg2Si. La phase β » confère à l’alliage son durcissement optimal. Des additions d’éléments tels que le Si (en excès) ou le cuivre peuvent modifier la séquence de précipitation par l’apparition d’autres phases, en remplacement ou en coexistence avec la phase β′ et β. La séquence et la cinétique de précipitation peuvent être aussi notablement modifiées par une déformation plastique avec un taux suffisant appliquée à la solution solide avant sa décomposition. Les propriétés cristallographiques et morphologiques des phases β », β’, et β sont bien étudiées, à travers beaucoup d’articles publiés sur le sujet. Au contraire, la cinétique de précipitation de ces phases est peu documentée et insuffisamment étudiée. Les méthodes souvent utilisées (Méthode de Kissinger et Matusita) ne fournissent qu’une valeur unique pour l’énergie d’activation du processus de la réaction et de même, une valeur unique pour l’exposant d’Avrami n, ce qui suppose que la réaction est gouvernée par un seul mécanisme. Ces méthodes ne décrivent pas correctement les réactions où interviennent plusieurs mécanismes, comme la germination et la croissance par exemple. Cette remarque reste valable aussi pour la cinétique de recristallisation qui est considérée comme une transformation par germination et croissance. Les méthodes évoquées plus haut sont d’autant plus mal adaptées lorsque la recristallisation s’effectue en même temps que la décomposition de la solution solide saturée au cours de laquelle il ya précipitation et dissolution de différentes phases, avec comme conséquence des interactions des joints des nouveaux grains avec les précipités et les atomes de solutés. Ces interactions influencent considérablement la cinétique de recristallisation.
D’autres méthodes , dites méthodes isoconversionelles , sont de plus en plus utilisées pour la description et la compréhension de la cinétique de précipitation et de disolution des phases ainsi que celle de la recristallisation. Ces méthodes parmettent la détermination de la variation de l’énergie d’activation au cours de la transformation et peuvent donc décrire les transformations de phases qui sont gouvernées par plusieurs mécanismes. Elles permettent aussi la détermination de la variation du paramètre de croissance (n d’Avrami) au cours de la transformation. La valeur de ce paramètre est liée au taux de germination, ainsi que la morphologie des précipités de la phase, produit de la transformation .
L’aluminium et ses alliages
L’aluminium et ses alliages
L’aluminium:
En tant que métal, l’aluminium a des caractéristiques mécaniques faibles et de ce fait il est très peu utilisé, sauf lorsqu’il s’agit des caractéristiques particulières de ce métal, telles que:
•La faible masse volumique, 2,7 g/cm3 . L’aluminium est, par exemple, trois fois plus légerque l’acier. Cette propriété est particulièrement intéressante dans les transports.
•La conductivité thermique pour la production d’échangeurs thermiques (radiateursautomobiles, réfrigérateurs, climatiseurs…).
• La conductivité électrique pour la fabrication de câbles électriques.
• La facilité de sa mise en forme.
• La bonne résistance à la corrosion.
L’aluminium industriel contient généralement autour de 0.5% d’impuretés (principalement Fe+Si), mais il peut être obtenu presque pur par raffinage électrolytique (Al >99.99%). Ces impuretés ont différents effets sur les propriétés électriques et mécaniques. Les propriétés mécaniques de l’aluminium peuvent être améliorées en ajoutant des éléments d’additionpour former des alliages base aluminium dont les caractéristiques mécaniques sont beaucoup plus élevées, ce qui élargit leur champ d’application.
Alliages à base d’aluminium
Des alliages d’aluminium sont obtenus en ajoutant des éléments qui modifient plus ou moins profondément leur microstructure. Les principaux éléments qui sont en général ajoutés sont : Mg, Si, Mn, Fe, Cr et le Cu. Ces éléments d’addition peuvent:
➤ être en solution solide de substitution : ils prennent la place des atomesd’aluminium dans le réseau. Leur taille est plus petite ou plus grande que l’atomed’aluminium ce qui perturbe le réseau qui devient plus difficile à déformer.
➤ former des précipités: ceux–ci peuvent êtrecohérents, semi-cohérents, ou incohérents avec la matrice d’aluminium. Un durcissement optimal par précipitation peut être obtenu par des traitements thermiques appropriés.
La présence de ces éléments d’addition sous les deux formes décrites précédemment, confère à l’alliage un durcissement qui dépend de la concentration, de la nature et la répartition des phases durcissantes.
Ces alliages sont aussi classés en deux familles, suivant leur mode de durcissement:
• Alliages trempant à durcissement structural :la résistance élevée de ces alliages est dûe à la précipitation de secondes phases,en général hors d’équilibre, lors de traitements thermiques appropriés. Ces alliages appartiennent aux séries 2000, 6000, 7000 et 8000. Différentes microstructures peuvents être obtenus en fonction des paramètres du traitement de vieillissement .u
• Alliages non trempant :ces alliages ne durcissent pas par traitements thermiques, mais peuvent avoir une haute résistance par écrouissage, c’est-à-dire, par déformation plastique à froid. Ce sont les alliages des séries 1000, 3000, 4000 et 5000. Ils sont la plupart du temps utilisés dans la fabrication des produits plats comme feuille mince et lame.
Propriétés et applications des alliages Al-Mg-Si-(Cu) de la série 6000
Les alliages Al-Mg-Si sont des alliages à durcissement structural dont la microstructure est contrôlée par des traitements thermiques et thermomécaniques qui permettent de conférer à ces alliages toute une variété de microstructures. Ils sont caractérisés par des propriétés trés intéressantes : une résistance moyenne, une bonne ductilité, une excellente formabilité, une bonne soudabilité et une bonne tenue à la corrosion. En pratique, ils sont utilisés à l’état laminé ou extrudé. L’extrusion des alliages AlMgSi, permet la production de formes complexes avec de bonnes tolérances. Les alliages extrudés sont utilisés dans plusieurs domaines en particulier dans l’industrie du bâtiment mais aussi dans les domaines du transport et de l’ingéniering.
Les alliages de la série 6000 offrent donc un potentiel considérable pour des applications dans divers domaines :
✦Dans le domaine des transports:en industrie automobile pour la réduction du poids des véhicules et donc de la consommation de carburant. C’est le cas, par exemple des nuances 6009, 6010, 6111 et 6016 ainsi que la nuance 6061. Ces alliages interviennent, par exemple, dans la fabrication des châssis, roues, carrosseries, radiateurs etc. La résistance de ces alliages est améliorée après le cycle de cuisson de la peinture (paintbake hardening) durant lequel il y a une précipitation partielle d’une phase durcissante. Ce traitement spécifique sera évoqué plus loin avec plus de détail.
✦Dans le bâtiment et l’architecture:On retrouve l’aluminium et ses alliages sous forme de produits laminés, extrudés etc… pour les applications suivantes : panneaux de façades et murs-rideaux, couvertures, balcons et leur garde-corps.
✦Dans les structures et équipements industriels:
– Génie chimique : réservoirs, appareils de fabrication.
– Cryogénie : cuve fixe ou sur méthaniers pour gaz naturel liquide, réservoirs pour gaz liquéfiés.
– Domaine agricole : structures de serres, raccords, tuyaux d’irrigation.
– Travaux publics : panneaux de signalisation des autoroutes, candélabres, barrières d’autoroute.
|
Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : Revue bibliographique
Partie -A : L’aluminium et ses alliages
IA.1 L’aluminium
IA.2 Alliages à base d’aluminium
IA.3 Propriétés et applications des alliages Al-Mg-Si-(Cu) de la série 6000
IA.4 Traitements thermiques des alliages Al-Mg-Si
IA.5 La Séquence de précipitation des phases dans les alliages de la série 6000
IA.5.1 Influence de la composition chimique sur la séquence de précipitation
IA.5.1.1 Influence de l’excès en Si
IA.5.1.2 Influence du Cu
IA.5.1.3 Influence d’une pré-déformation sur la séquence de précipitation
IA.6 Cinétique de précipitation et de dissolution des phases
IA.6.1 Méthodes de détermination de l’énergie d’activation
IA.6.1.1 La méthode de Kissinger
IA.6.1.2 Méthodes iso-conversionnelles
IA.6.2 Calcul du paramètre d’Avrami n (exposant de croissance)
IA.7 Traitements spécifiques
IA.7.1 Traitement de vieillissement artificiel au pic de durcissement
IA.7.1.1 Influence d’un pré-vieillissement naturel
IA.7.1.2 Influence d’un pré-vieillissement à une température autour de 100°C
IA.7.2 Traitement de cuisson de la peinture pour les tôles de voiture (Paint-bake)
IA.7.3 Mécanismes mis en jeu dans le durcissement structural
Partie-B : Evolution de la microstructure des métaux et alliages au cours du recuit de recristallisation après déformation plastique
IB.1 L’état déformé
IB.2 La restauration des propriétés d’un alliage déformé
IB.2.1 La restauration
IB.2.2 La recristallisation primaire
IB.2.2.1 La germination des grains
IB.2.2.2 La croissance des grains
IB.2.3 Grossissement des grains
IB.3 Influence des éléments en solution solide et des précipités sur la restauration et la recristallisation au cours de recuit
IB.3.1 Influence des éléments en solution solide
IB.3.2 Influence des précipités d’une seconde phase
IB.4 Cinétique de la recristallisation
IB.4.1 Traitement en conditions isothermes
IB.4.2 Traitement en conditions non-isothermes
Références de chapitre IA+IB
Chapitre II : Matériau étudié et Techniques expérimentales utilisées
II.1 Matériau étudié
II.2 Traitements thermiques et thermo-mécaniques appliqués
II.2.1 Laminage à froid (déformation plastique sévère)
II.2.2 Traitements thermiques
II.3 Les techniques expérimentales utilisées
II.3.1 La microscopie optique
II.3.2 La microdureté Vickers (Hv)
II.3.3 Analyse calorimétrique différentielle (DSC)
II.3.4 Diffraction des rayons X (DRX)
Chapitre III : Résultats expérimentaux et discussions
Partie-A : Influence de la déformation plastique sur la cinétique de précipitation
IIIA.1 Etude de la séquence de précipitation
IIIA.1.1 Etat non déformé
IIIA.1.2 Etat déformé
IIIA.2 Etude de la cinétique de transformation des différentes phases
IIIA.2.1 Energies d’activation de précipitation des différentes phases par la méthode de Kissinger
IIIA.2.1.1 Etat non déformé
IIIA.2.1.2 Etat déformé
IIIA.2.2 Etude de la cinétique de précipitation par la méthode isoconvertionnelle de Kissinger-Akahira-Sunose (KAS)
IIIA.2.2.1 Energie d’activation de précipitation des phases métastables
IIIA.2.2.2 Détermination de l’exposant d’avrami n
IIIA.2.2.3 Détermination des énergies d’activation séparées de germination QG et de croissance QC des phases
Partie-B : Etude de la Cinétique de recristallisation en conditions non isothermes aprés déformation par laminage à froid pour une réduction de 90%
IIIB.1 Evolution de la microstructure au cours du recuit de recristallisation
IIIB.2 Evolution de la microdureté au cours du recuit non-isotherme de recristallisation
IIIB.3 Etude de la cinétique de recristallisation
IIIB.3.1 L’énergie d’activation associée à la réaction de recristallisation
IIIB.3.1.1 Méthode Kissinger
IIIB.3.1.2 Méthode KAS
IIIB.3.2 Détermination de l’exposant d’Avrami n pour la recristallisation
Références de chapitre IIIA+IIIB
Conclusion générale
