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Effet des additifs sur la microstructure et les propriétés mécaniques des alliages d'aluminium-silicium

Mohamed Adel. (2008). Effet des additifs sur la microstructure et les propriétés mécaniques des alliages d'aluminium-silicium. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

Les alliages aluminium-silicium, particulièrement à la composition eutectique, sont souvent employés dans l'industrie de l'automobile en raison de leur de faible densité relative à des matériaux traditionnels. Les propriétés mécaniques de tels alliages sont déterminées principalement par les constituants microstructuraux de leur structure après la coulée, les morphologies et les quantités de leurs phases intermétalliques. Dans l'état non modifié, les alliages Al-Si montrent un silicium eutectique ayant une forme aciculaire ou lamellaire, de ce fait, ces alliages ont tendance à montrer de faibles résistance et ductilité. Ainsi, les alliages avec une structure principalement eutectique doivent subir la modification afin d'assurer des propriétés mécaniques adéquates. La qualité de du produit coulé peut être améliorée par affînement des grains, ceci permet de réduire la taille des grains primaires de la phase a-aluminium qui solidifie autrement dans une structure de grain grossière. La production des alliages Al-Si avec une stracture et des propriétés mécaniques améliorées implique l'application de deux processus principaux : (i) addition de tels éléments d'alliage comme Mg, Cu, Mn, et autres éléments semblables, pendant l'état liquide; et (ii) traitement thermique. Les éléments de microalliage ou éléments de trace utilisés dans les alliages commerciaux d'aluminium sont de 0.5 à 1.0 % en poids de Pb, Bi, Sn et In, qui ont peu ou pas de solubilité en aluminium, c.-à-d. ils ont des coefficients de distribution extrêmement bas.

L'influence du fer (0.5-1 % en poids), du manganèse (0.5-1 % en poids), du cuivre (2.25- 3.25 % en poids), et du magnésium (0.3-0.5 % en poids), aussi bien que celle des éléments Pb, Bi, Sn, et In, sur la microstructure et les propriétés mécaniques de l'alliage préeutectique Al-10.8%Si modifié et raffiné a été étudiée dans deux conditions, à savoir, tel que coulé et application d'un traitement thermique. Les alliages en fusion ont été versés dans (a) un moule métallique graphite-enduit rectangulaire de forme L préchauffé à 450 °C pour des mesures métallographiques et de dureté ; et (b) un moule permanent de type ASTM B-108 et (c) un moule d'essai au choc d'acier doux pour produire les échantillons du test nécessaire. L'évaluation microstructurale a été effectuée en utilisant la microscopie optique en même temps que l'analyse d'image pour la quantification. L'identification de phase a été effectuée en utilisant la microsonde électronique (EPMA), couplé aux équipements d'EDX et de WDS. Les barreaux d'essai ont été divisés en sept jeux : un ensemble a été gardé dans la condition de tel que coulé, alors que les six autres ensembles étaient traités thermiquement, une mise en solution à 495°C pour 8 h, puis une trempe dans l'eau chaude à 65°C, suivi d'un vieillissement artificiel à 155 °C, 180 °C, 200 °C, 220 °C, et 240°C, respectivement, pendant 5 heures (c.-à-d. les traitements T6 et T7). Les propriétés mécaniques ont été évaluées à la température ambiante par la dureté, les propriétés de traction et d'impact pour les deux conditions, tel que coulé et application du traitement thermique. Les mesures de dureté ont été effectuées en utilisant un appareil de contrôle brinell de dureté. Des propriétés de traction ont été déterminées à l'aide d'une machine d'essai mécanique de Servohydraulic MTS. Les propriétés d'impact ont été évaluées à l'aide d'une machine de test d'impact Charpy.

En matière de l'addition des éléments d'alliage, les résultats prouvent que l'effet de modification du Sr diminue à mesure que la quantité de cuivre et de magnésium supplémentaires est augmentée, en raison des interactions entre ces éléments, ce qui cause une ségrégation grave des phases d'A^Cu dans les secteurs loin du silicium eutectique modifié et change la séquence de précipitation de la phase «-Ali5(Fe,Mn)3SÍ2 d'une réaction post-dendritique à pré-dendritique où l'intermétallique est observé pour se produire dans les dendrites d'à-AL Dépendant de la teneur en Fe et en Mn dans l'alliage, une grande variation dans la phase a est observée sous forme de particules formées polyhédrales connues sous le nom de « sludge ». La phase d'A^Cu est vue pour se dissoudre presque totalement pendant le traitement thermique de mise en solution, alors que les phases AlsCuaMggSió et les phases intermétalliques du fer 0f-Ali5(Fe,Mn)3SÍ2 s'avèrent pour persister pour tous les alliages étudiés, particulièrement ceux qui contiennent les niveaux élevés du Mg et du Fe. La phase intermétallique de fer de B-Als(Fe,Mn)3Si se dissout partiellement dans les alliages modifiés par le Sr, et sa dissolution devient plus prononcée après traitement thermique de mise en solution.

Pour les alliages soumis à un traitement thermique, un vieillissement maximal est réalisé à 180 °C, bien que l'index de la plus haute qualité corresponde à la température du vieillissement 155 °C, et ce est pour tous les alliages étudiés. En conséquence, 155 °C peut être considéré comme traitement de vieillissement optimal. À 0.5% Mn, la phase P-Fe forme quand le contenu de Fe est au-dessus de 0.75%, entraînant une diminution massive au niveau des propriétés mécaniques. Le même résultat est obtenu quand les niveaux du Fe et du Mn sont augmentés au delà de 0.75%, en raison de la formation du résidu « sludge ». D'autre part, les propriétés mécaniques des alliages contenant du cuivre sont affectées légèrement aux niveaux élevés du magnésium en raison de la formation de la phase AlsCu2Mg8SÍ6 qui diminue la quantité de magnésium libre disponible pour former la phase d'AkCuMg. Le contour courbé de la corrélation entre 1TJTS (limite ultime) et l'allongement observé pour tous les alliages soumis au vieillissement reflète la transition d'une forte corrélation dans les conditions sous-vieillissement et vieillissement maximal liée à la faible corrélation associée avec la condition de survieillissement. L'énergie d'impact de Charpy de l'alliage Al-10.8%Si est influencée par sa microstructure qui dépend fortement de la composition d'alliage. La morphologie du silicium fibreux en alliages modifiés par le Sr augmente la dureté en raison de son effet fondamental sur le déclenchement des fissures et la résistance de propagation de fissure. Dans les alliages contenant ?1% de fer et 1% ou 0.5% Mn, l'addition du fer mène à une plus grande précipitation du résidu et des plaquettes p-Fe, respectivement; ces particules intermétalliques agissent en tant qu'emplacements de déclenchement de fissures et réduisent les propriétés d'impact considérablement. Dans les alliages contenant des niveaux élevés en cuivre, le niveau de Cu accru abaisse les propriétés d'impact de manière significative, puisque le comportement de rupture est maintenant également influencé par la phase d'A^Cu en plus des particules de silicium. Indépendamment de la composition d'alliage, le tracé combiné de l'énergie d'impact et le pourcentage d'élongation montre des relations linéaires pour tous les alliages, que ce soit dans la condition tel que coulé ou traité thermiquement.

Des modèles de régression multiples ont été développés afin de prévoir l'influence des variations compositionnelles sur les propriétés mécaniques (L.U, L.É, %A, et Ex) de l'alliage Al-10.8%Si soumis à un traitement T6. Ces équations, sous forme de formules d'interpolation, fournissent des informations sur l'effet conjugué aussi bien que sur les effets conjugués de changer individuellement les additions d'élément d'alliage faites à l'alliage. Les équations montrent que l'augmentation de la teneur de Cu, de Mn et de Mg résulte de l'augmentation de la dureté et de la résistance à la traction. Le cuivre apporte la contribution la plus élevée de chacun des trois éléments à la résistance pour la gamme de composition étudiée, alors que le fer a des effets délétères sur les propriétés mécaniques de l'alliage. Chacun des quatre éléments réduit l'élongation et la dureté, avec du Cu ayant l'effet le plus intense. L'analyse détaillée indique que l'interaction des coefficients ne semble pas contribuer de manière significative aux propriétés mécaniques des alliages. L'exactitude des équations a été vérifiée contre les résultats expérimentaux dans les gammes de la variation des variables étudiées. Ces équations peuvent être employées pour prévoir les propriétés d'alliage dans ces marges de variation.

En ce qui concerne l'addition des éléments de trace, les résultats prouvent que l'addition individuelle du Pb n'a aucun effet significatif sur la microstructure et les propriétés mécaniques de l'alliage Al-10.8%Si dans les deux conditions, tel que coulé et traité thermiquement. L'addition du Bi contrecarre l'effet de modification du Sr, menant à un grossissement notable des particules eutectiques de silicium, tandis que des précipités en étain comme [3-Sn sont observés dans le réseau d'A^Cu quand Fétain est ajouté individuellement à l'alliage. Une addition combinée de Pb et le Bi à l'alliage Al-10.8%Si entraîne une précipitation en tant que des cristaux primaires de Bi enveloppés par la phase PbaBi et fournit de meilleures propriétés mécaniques dans l'alliage tel que coulé et vieilli artificiellement que l'addition combinée du Bi et du Sn.

Une étude séparée a été effectuée sur les alliages B319.2 et A356.2 modifiés et affinés afin d'étudier l'effet de l'ajout de Sn en faibles quantités (moins de 0.15 % en poids) sur la microstracture, et par conséquent sur la performance d'alliage sous différentes conditions de traitement thermique (T5 et T6), aussi bien que dans la condition de tel que coulé. Les barres d'essai ont été divisées en trois jeux : un ensemble a été maintenu dans la condition tel que coulé, le deuxième ensemble était soumis à un traitement thermique de mise en solution à 495 °C/8 h pour les alliages B319.2 et à 540 °C/8 h pour les alliages A356.2, puis les alliages ont été trempés dans l'eau chaude à 65 °C, suivi d'un vieillissement artificiel à 180 °C pendant 5 heures (c.-à-d. traitement thermique T6). Le troisième ensemble était soumis à un traitement thermique de type T5 à 175 °C pendant 10 heures. Les résultats expérimentaux prouvent que, dans l'alliage B319.2 l'alliage, les précipités de Sn sont de forme de particules de Sn (p-Sn) dans le réseau d'AbCu, et ils sont comme des particules minuscules (300 ~ 500 nm) de type Mg2Sn sur les particules eutectiques de silicium.

Cependant, dans l'alliage A356.2, Sn précipite principalement comme Mg2Sn sous la forme d'écriture chinoise. La ductilité et la dureté des alliages B319.2 et A356 tel que coulés sont sensibles aux variations du contenu de Sn, alors que la limite d'élasticité demeure pratiquement inchangée. La ductilité et la dureté plus élevées des alliages contenants du Sn dans la condition tel que coulé peuvent être attribuées principalement à l'état de contrainte-tension dans la matrice associée à la finesse des phases de Sn. Il peut être également observé que la dureté et la résistance des alliages B319.2 et A356.2 tel que coulé et soumis à un traitement thermique sont réduites légèrement par Sn, un fait qu'on pense qui est dû au ramollissement des phases en étain.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:2008
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en ingénierie
Nombre de pages:314
ISBN:9781412314923
Identifiant unique:10.1522/030032822
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):Samuel, Fawzy Hosny
Samuel, Agnès Marie
Mots-clés:Aluminium--Alliages--Propriétés mécaniques, Aluminium--Alliages--Microstructure, Aluminum alloys--Mechanical properties, Aluminum alloys--Microstructure, THESE, ALUMINIUM, ALLIAGE, SILICIUM, AL-SI, PROPRIETE, MECANIQUE, MICROSTRUCTURE, ADDITIF
Déposé le:01 janv. 2008 12:34
Dernière modification:07 mai 2013 22:07
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