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Influence of metallurgical parameters on the mechanical properties and quality indices of Al-Si-Cu-Mg and Al-Si-Mg casting alloys

Ammar, Hany. (2010). Influence of metallurgical parameters on the mechanical properties and quality indices of Al-Si-Cu-Mg and Al-Si-Mg casting alloys. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

La présente étude a été réalisée en vue d'enquêter sur l'influence d'un certain nombre de paramètres métallurgiques sur les propriétés de traction et les indices de qualité de deux alliages de fonderie à haute résistance Al-9%Si, à savoir les alliages 354 et 359, contenant respectivement 1,8% Cu-0.5 % Mg et 0,5% Mg. Ces alliages ne sont que très peu utilisés par les fondeurs malgré le fait qu'ils sont prometteurs dans plusieurs domaines d'applications d'ingénierie en raison de leur résistance supérieure. Afin de valider leur utilisation dans des applications industrielles, une solide base de données a été créée grâce à la présente étude. De plus, une corrélation entre les propriétés de traction, les indices de qualité et les paramètres métallurgiques les plus communs affectant et contrôlant les propriétés de ces alliages a été réalisée. Les variables étudiées sont notamment le niveau de fer, la teneur en cuivre, le niveau de magnésium, la teneur en strontium, le taux de solidification, les températures et les temps des traitements thermiques (mise en solution et le vieillissement). Les chartes d'indice de qualité ont été utilisées comme outil d'évaluation pour sélectionner les conditions optimales à appliquer dans afin de développer une résistance élevée et une qualité optimale des alliages de fonderie 354 et 359.

Une analyse des résultats montre que l'addition de fer a des effets délétères sur la force et la qualité des alliages 354 et 359. Ces effets sont liés à la taille et à la morphologie des phases contenant du fer, en particulier les phases jS-AlsFeSi et T-AlgMgsFeSié. L'addition de cuivre aux alliages de type 359 joue un rôle important dans l'amélioration de la résistance, cette amélioration se produit cependant au détriment de la ductilité et ainsi une faible influence sur l'indice de qualité est noté. L'ajout jusqu'à 0,6% de magnésium à l'alliage 359 améliore considérablement la résistance sans affecter l'indice de qualité. L'augmentation du niveau de Mg au-delà 0,6% se traduit par une légère augmentation de la résistance de l'alliage avec une réduction notable de la ductilité et de l'indice de qualité due à la formation d'une fraction volumique importante de la phase Pi-Al8Mg3FeSi6.

Un taux de solidification rapide améliore les propriétés de traction et les indices de qualité des deux alliages 354 et 359. L'amélioration de ces propriétés des indices de qualité sont liés à l'amélioration des caractéristiques des microstructures qui accompagne le taux de solidification rapide, à savoir: le raffinement de la structure dendritique (c'est à dire une fine DAS), la modification des particules de silicium eutectique, la réduction du niveau de porosité et de la taille des pores, la réduction de la taille et de la fraction volumique des phases intermétalliques formées.

Une augmentation de la température de mise en solution améliore la résistance et la qualité des pièces moulées par rapport à la condition telle que coulée. Conformément à ces constatations, les températures maximales sécuritaires de mise en solution de 520°C et de 537°C sont respectivement recommandées pour le traitement thermique de pièces moulées pour les alliages 354 et 359 afin de produire une résistance et un indice de qualité optimaux. Une mise en solution à ces températures produit un certain nombre des11 changements bénéfiques dans la microstructure ce qui se traduit par une amélioration importante de la résistance et de l'indice de qualité. Une mise en solution à des températures supérieures à 525°C entraîne la fonte naissante des phases AlaCu dans les alliages 354 et la formation d'un niveau élevé de porosité lors du retrait des pièces coulées après trempe. En conséquence de la fonte naissante, les particules de silicium dans la microstructure montrent une morphologie polygonale dans les régions où la fonte de la phase Al2Cu s'est produite.

Une augmentation du temps de mise en solution améliore encore les propriétés de traction et les valeurs de l'indice de qualité des alliages 354 et 359. Douze heures a été jugé comme temps optimal pour le traitement thermique des pièces coulées. Le temps de mise en solution nécessaire pour obtenir des propriétés de traction et des indices de qualité spécifiques pour les alliages 354 et 359 non modifiés peut être raccourci en modifiant ces alliages avec le strontium. Toutefois, l'effet bénéfique de l'addition du Sr sur la réponse des alliages 354 et 359 diminue à mesure que le temps de mise en solution augmente.

Un vieillissement à 155°C permet de produire une plus grande résistance et un indice de qualité optimal pour les deux alliages 354 et 359 par rapport à un vieillissement à des températures plus élevées. Le pic de résistance observée pour les alliages 354 et 359 peut être atteint après un temps de vieillissement plus court, à condition que la température de vieillissement soit accrue. Les temps de vieillissement nécessaire pour atteindre la résistance maximale pour l'alliage 354 sont de 72 heures, 40 heures, 8 heures, 1 heure et 15 minutes à des températures de vieillissement de 155°C, 170°C, 195°C, 220°C et 245°C respectivement, tandis que les temps de vieillissement nécessaires pour atteindre la résistance maximale dans l'alliage 359 sont de 32 heures, 24 heures, 1 heure, 30 minutes et 10 minutes respectivement, aux mêmes températures de vieillissement.

Un traitement de vieillissement à haute température est accompagné d'une réduction des propriétés de traction et de la valeur de l'indice de qualité. D'autre part, ce traitement introduit aussi la possibilité de réaliser des gains économiques importants en diminuant le temps et le coût du traitement. Un vieillissement à basse température (Î55°C) produit des précipités fins et denses ayant un espacement plus petit entre les particules, tandis qu'à une température plus élevée (245 °C par exemple), les précipités sont moins denses, leur taille est plus grossière et ceux-ci sont dispersés plus largement dans la matrice. II a été observé que les alliages 354 ont affichés des niveaux de résistance plus élevés, comparé aux alliages 359 et ce, pour tous les traitements de vieillissement. Cependant, cette haute résistance a été obtenue au détriment de la ductilité, entraînant de légères variations dans les valeurs de l'indice de qualité des pièces coulées à partir de l'alliage 354.

Les chartes des indices de qualité développées dans le cadre de cette recherche facilitent l'interprétation et l'évaluation des propriétés de traction des alliages 354 et 359 en vertu d'une variation des éléments d'alliage ajoutés, de la solidification et des conditions de traitement thermique étudiées. L'utilisation de ces chartes pour l'interprétation desm propriétés en traction fournit un moyen précis et logique pour déduire l'influence de ces paramètres métallurgiques sur ces alliages. Basée sur les chartes de qualité développées, il est possible de faire une sélection précise des conditions les plus appropriées requises pour obtenir le meilleur compromis possible entre la résistance d'un alliage, son indice de qualité et le coût de production.

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:246
ISBN:9781412316521
Identifiant unique:10.1522/030138582
Sujets:Sciences naturelles et génie > Génie > Génie des matériaux et génie métallurgique
Sciences naturelles et génie > Génie > Génie mécanique
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):Samuel, Fawzy Hosny
Samuel, Agnès Marie
Mots-clés:Aluminium--Alliages--Propriétés mécaniques, Aluminum alloys--Mechanical properties, Alliages aluminium-magnésium-silicium--Propriétés mécaniques, 359, 354, RESISTANCE, TRACTION, VIELLISSEMENT, TRAITEMENT, THERMIQUE, COMPOSITION, SOLIDIFICATION, FONDERIE, Aluminum-magnesium-silicon alloys--Mechanical properties
Déposé par:Bibliothèque Paul-Émile-Boulet
URL:http://bibliotheque.uqac.ca
Déposé le:01 janv. 2010 07:34
Dernière modification:07 mai 2013 18:05
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