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Influence of alloying elements iron and silicon on mechanical properties of aluminum-copper type B206 alloys

Kamguo Kamga Honoré. (2010). Influence of alloying elements iron and silicon on mechanical properties of aluminum-copper type B206 alloys. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

Les alliages d'aluminium gagnent un peu plus de terrain comme matériaux de premier choix et plus particulièrement dans les industries du transport où le rapport résistance mécanique/poids est de première importance. L'activité croissante dans le recyclage des automobiles usées en vue de diminuer les coûts de production conduit à la contamination du métal produit par le fer provenant des équipements de fonderie et du métal recyclé. Ce fer qui ne peut être immédiatement retiré de l'aluminium liquide par les méthodes conventionnelles de traitement en fonderie rend la production industrielle des alliages à faible teneur en fer cher et limite l'utilisation de ces derniers. L'alliage d'aluminium B206 dont la composition nominale maximise à 0.1% la teneur en fer rentre dans cette catégorie. L'objectif principal de ce travail de recherche était donc d'augmenter la teneur en fer dans cet alliage sans conséquences fatales sur les propriétés mécaniques afin qu'il puisse être produit par recyclage et devenir compétitif par rapport à son prix. Ceci à été fait en neutralisant le fer par le silicium et réalisé en étudiant l'influence des additions de fer et de silicium sur la solidification, la fissuration à chaud, et les propriétés mécaniques des alliages d'aluminium de type B206.

Les études sur la solidification ont été réalisées parce que les propriétés mécaniques finales d'un matériau dépendent grandement de sa microstructure tel que coulée, donc de son historique de solidification. Différents rapports de Fe/Si et deux vitesses de refroidissement (faible et élevé) ont été utilisés, les autres éléments mineurs d'alliage maintenus presque constant. Pour chaque rapport Fe/Si, deux teneurs en cuivre ont été utilisées afin d'évaluer son importance. Les coulées ont été réalisées dans des petits moules pouvant former des échantillons d'environ 80 grammes en poids. Les données de solidification étaient l'évolution de la température en fonction du temps fournies par deux thermocouples placés dans le métal liquide au centre et tout près du bord du moule avant le début de la solidification Les techniques de caractérisation utilisées inclus l'analyse thermique et la simulation thermodynamique pour déterminer le parcours de solidification. Pour l'identification des phases, nous avons réalisé des analyses par microsonde et microscopie électronique à balayage (MEB). La microscopie optique couplée à l'analyseur d'image a été utilisée pour la quantification. Afin d'optimiser les traitements thermiques, la calorimétrie différentielle à balayage (DSC) a été utilisée.

Les études sur la fissuration à chaud ont été réalisées parce que ce défaut est inhérent aux alliages aluminium-cuivre et préjudiciable aux propriétés mécaniques. Un moule à barres contraintes à été utilisé dans cette étude. C'est un moule en fonte dont la cavité est capable de produire quatre barres contraintes cylindriques de 12,7mm de diamètre avec des longueurs nominales de 50.8mm, 88.9mm, 127mm, et 165.1mm. Les compositions chimiques des alliages utilisés étaient assez similaires de celles utilisées lors de l'étude sur la solidification telles que la différence ne puisse significativement affectée le résultat. Les techniques de caractérisation utilisées inclus la détermination physique de la sensibilité à la fissuration à chaud des alliages par l'indexation des fissures et la détermination théorique par la méthode de l'intervalle de vulnérabilité des alliage.

Les propriétés mécaniques ont été évalués à température ambiante à travers les essais de dureté, de traction et d'impact sur les échantillons dans les conditions telles que coulée et traités thermiquement. Les mesures de dureté ont été réalisées à l'aide d'un microduromètre de type Clemex contrôlé par ordinateur, ayant une capacité de 10 à 10000 gf et pouvant produire des méthodes de test Vickers et Knoop en accord avec les standards ASTM E-384. Les propriétés en traction ont été déterminées à l'aide d'une machine servo- hydraulique de type MTS. Les propriétés en impact ont été évaluées en utilisant une machine de type Charpy. Le même métal liquide utilisé pour la caractérisation de la fissuration à chaud à été coulé dans un moule de type ASTM B-108 et un moule en acier doux pour la production des échantillons nécessaires aux tests respectivement de traction et d'impact. Les temps de mise en solution de 2, 3, 4, 5, 6, 8, et 16 heures ont été utilisés suivis du vieillissement naturel et/ou artificiel dépendamment du rapport Fe/Si dans l'alliage. Les mesures de dureté ont été réalisées sur les échantillons préparés à partir des barres fracturées lors du test de traction et qui ont aussi servies pour la caractérisation microstructurale.

Les résultats des études sur la solidification montrent que le fer est principalement précipité soit sous la forme de phase P(CuFe) ou a(MnFe) ou des deux dépendamment aussi bien de la teneur en fer et en silicium de l'alliage que du taux de refroidissement. Dans les alliages ayant une teneur massique en fer d'environ 0.3%, la précipitation de la phase P(CuFe) peut être largement supprimée si le rapport Fe/Si est de 1 et le taux de refroidissement modérément élevé. La faible mobilité de la large facette des plaquettes de la phase P(CuFe) est probablement la cause de sa faible quantité, plus particulièrement quand les atomes de fer ont la possibilité d'être capturés par une autre phase, dans ce cas la phase a(MnFe).

Les résultats des études sur la fissuration à chaud montrent que la susceptibilité dans ce cas est grandement influencée par le rapport Fe/Si et la concentration nominale de chacun de ces éléments. Cette influence est exercée par la détermination de la quantité de métal liquide présente à la température eutectique et le temps passé en régime vulnérable. La meilleure résistance est obtenue avec un rapport proche de 1 et des faibles concentrations de fer et de silicium. La résistance baisse lorsque ce rapport s'éloigne de 1. Plus le rapport est élevé, plus mauvais est la résistance à la fissuration à chaud, spécialement avec un rapport de deux et plus.

Les résultats des tests mécaniques montrent que les propriétés sont grandement influencées par le rapport Fe/Si et la concentration nominale de chacun de ces éléments, les meilleures propriétés étant obtenues avec un rapport Fe/Si proche de 1 et des faibles concentrations de fer et de silicium, en accord avec les résultats obtenus lors des études sur la solidification et la fissuration à chaud. Deux paramètres principaux ont été identifiés comme déterminants les propriétés des alliages traités thermiquement; la solubilité de la phase AI2CU et l'accroissement de l'espace inter-dendritiques. Les résultats des expériences présentes montrent qu'en doublant ou en triplant la limite actuelle de 0.1% de fer tout en gardant un rapport Fe/Si de 1, il n y aura aucune difficulté à atteindre au vieillissement naturel (T4) la ductilité minimale de 7% requise par l'industrie automobile tout en augmentant les résistances élastique et mécanique du matériau. Par rapport aux valeursVI maximales de déformation calculées, la perte en ductilité pourrait même être réduite à environ 2.5% avec une amélioration dans la pratique de coulée. Au vieillissement artificiel (T7), il sera très difficile voir impossible d'atteindre la ductilité minimale de 7% requise par l'industrie automobile avec 0.2%Fe et 0.2%Si, alors que avec 0.3%Fe et 0.3%Si c'est probablement impossible. L'énergie d'impact montre une bonne corrélation avec la ductilité en traction, les résultats montrent que la baisse en énergie absorbée par les alliages contenant environ (0.2%Fe, 0.2%Si) et (0.3%Fe, 0.3%Si) en comparaison à l'alliage B206 est reliée à l'énergie de propagation des fissures.

Dans les conditions expérimentales actuelles, ces alliages présentent une ductilité inférieure a celle de l'alliage de base B206, mais largement supérieure a celles de certains alliages tels que le A3 56 et le A319 présentement utilisés dans l'industrie automobile. A cet effet, ils méritent une certaine attention.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:2010
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en ingénierie
Nombre de pages:231
ISBN:9781412316576
Identifiant unique:10.1522/030145369
Sujets:Sciences naturelles et génie > Génie > Génie des matériaux et génie métallurgique
Département, module, service et unité de recherche:Départements et modules > Département des sciences appliquées > Programmes d'études de cycles supérieurs en ingénierie
Directeur(s), Co-directeur(s) et responsable(s):Bournane, Mohamed
Larouche, Daniel
Rahem, Ahmed
Mots-clés:Aluminium--Alliages--Propriétés mécaniques, Alliages aluminium-cuivre, Aluminum alloys--Mechanical properties, Aluminum-copper alloys, B206, ADDITIF, SOLIDIFICATION, FISSURATION, CHAUD, MICROSTRUCTURE
Déposé le:01 janv. 2010 12:34
Dernière modification:20 sept. 2011 15:35
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