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Étude de la fatigue et analyse du moulage d’un bras de suspension fabriqué en alliage d'aluminium semi-solide

Bouaicha Amine. (2016). Étude de la fatigue et analyse du moulage d’un bras de suspension fabriqué en alliage d'aluminium semi-solide. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

L'évolution des recherches sur les matériaux métalliques notamment dans le domaine de fabrication des pièces mécaniques automobiles ne cesse d'avancer, cela est en grande partie dans l’objectif d'améliorer et surtout d'alléger ces composants, ce qui par conséquent mène à des avantages multiples, entre autres, à réduire la consommation du carburant et à augmenter la puissance. Ceci a mis en sorte que les alliages d'aluminium soient les premiers à être exploités et qualifiés au rôle de substituant des aciers. La diversité des propriétés physiques et mécaniques de ces alliages a imposé à l’industrie de développer une panoplie de procédés de fabrication y compris le procédé du moulage par voie semi-solide. Contrairement au moulage conventionnel, les pièces moulées de cette façon permettent d’améliorer la qualité métallurgique des pièces de fonderie. Le principal avantage de ce type de moulage est de réduire la contraction à la solidification. Les pièces produites contiennent normalement moins de retassures que les pièces moulées à l’état liquide. De plus, la microstructure de ces pièces moulées en semi-solide est globulaire ce qui les distingue des pièces moulées en coquille qui disposent d'une microstructure purement dendritique. Le procédé SEED (Swirled Enthalpy Equilibration Device) du moulage semi-solide a l’avantage de fournir des pièces mécaniques en aluminium qui travaillent continuellement en dynamique. D’ailleurs, cette étude a pour but de valider davantage ces informations par l'étude de la résistance sous l'effet des efforts de fatigue des bras de suspension conçus en alliage d’aluminium A357 semi-solide selon le procédé SEED. La réalisation de ce projet est accompagnée de trois grands axes d'études ; numérique, analytique et expérimental. La caractérisation mécanique des premiers bras de suspension réalisée au départ a révélé que les propriétés désirées n'ont pas été atteintes. Les analyses ont montré que la cause principale demeure dans le point faible du moulage semi-solide, c'est-à-dire non seulement dans sa difficulté de couler à travers les épaisseurs minces, mais aussi le problème de la formation des replies dans le cas d’une géométrie complexe. C'est pourquoi, une procédure de modification sur la géométrie du bras de suspension a été établie. Le but consiste à établir une meilleure conception d'une manière à remédier aux mauvais effets des nervures lors du moulage semi-solide tout en conservant à la fois la même résistance mécanique ou plus élevée et un poids égal ou inférieur. La modification de la pièce était effectuée à l'aide de logiciel de conception SolidWorks, l'évaluation des contraintes avec Abaqus, et la simulation de l'écoulement avec ProCast. À la fin, trois conceptions ont été proposées, nous avons conclu, qu'un bras de suspension sans nervures avec une toile centrale conçue sous forme de Z est de loin la conception optimale. Ceci est vu que son poids est proche de celui de la pièce originale et que la contrainte maximale pour une même force appliquée lui est semblable selon les deux directions simulées, en plus l’écoulement lors du moulage est plus uniforme avec une turbulence minime. Le côté analytique évoque une étude présentative des modèles mathématiques développés pour le calcul des durées de vies en fatigue, cette partie est consacrée à l'analyse de ces méthodes de calcul qui lient généralement le nombre de cycles N aux contraintes et aux déformations. L'objectif est de choisir la relation la plus appropriée à notre cas et de l’appliquer sur le modèle du bras de suspension disponible. Les formulations étudiées sont soit des approches en déformation, en contrainte ou énergétiques. Il a fallu donc trouver une qui soit applicable d'une manière directe sans modification, le cas idéal, ou sinon indirecte avec les modifications nécessaires tout en respectant l'alliage d'aluminium utilisé, le procédé du moulage adopté et les conditions des essais expérimentaux prévus. Au final, nous avons opté pour la formulation proposée par Manson Coffin-Basquin, ce modèle a été choisi pour les raisons suivantes: il répondait le mieux à notre situation en terme de convenance d’une part, de simplicité d’application et de disponibilité de données d'une autre part. Il relie le nombre de cycles Nf à la déformation totale Ɛt. La technique de calcul proposée à six paramètres d'écrouissage intrinsèques à l'alliage voulu, le A357 dans notre cas, les paramètres sont (b, c, έf, σʹf, Hʹ et nʹ.). L'identification de ces derniers est obligatoire. Pour commencer, les exposants et le coefficient de résistance à la fatigue ont été tirés d'une manière expérimentale. Par la suite, une technique mathématique par extrapolation a été utilisée pour le reste des coefficients. Les nouveaux paramètres calculés ont montré une conformité de la courbe de fatigue analytique par rapport à la courbe expérimentale réalisée sur les échantillons du même alliage d’aluminium. Finalement, les caractéristiques microstructurales de l’alliage du bras de suspension sous un traitement thermique T6 sont étudiées à l'aide des microscopes optique et électronique à balayage. Les résultats révèlent effectivement que le rhéomoulage est une technique fructueuse dans la production d'une microstructure optimale offrant par conséquent une excellente combinaison de qualité et de tenue en fatigue. La technique de moulage semi-solide conduit à la sphéroïdisation, le silicium eutectique aciculaire et la phase intermétallique Fe-π ainsi qu'à produire presque pas de défauts microstructurale (c'est-à-dire moins de porosités et d'oxydes).

The evolution of research on metallic materials, particularly used in the manufacture field of automotive mechanical parts, continues to advance; this is often largely the objective of improving and alleviating these components, which by role lead to multiple benefits, of these, to reduce fuel consumption and increase power. This sense has set the aluminum alloys as first choice to be used and qualified by its role for replacing steel. The diversity of physical and mechanical properties of Aluminum alloys leads, in industry, to develop a variety of manufacturing processes including the casting process by semi-solid route. Unlike conventional casting technique, the semi-solid process improves the metallurgical quality of castings. The main advantage of this type of molding is to reduce the contraction during solidification; the parts produced normally contain fewer voids defects when solidified from the liquid state. In addition, the microstructure of the semisolid casting parts is globular which specifies the parts of shell casting which have a purely dendritic microstructure. The process SEED (Swirled Equilibrium Enthalpy Device) of semi-solid casting has the advantage of providing mechanical aluminum parts working continuously in dynamic. Moreover, this study aims to further study the fatigue characteristics and design analysis of the lower suspension arms produced by semi-solid A357 aluminum alloy using the SEED process. The realization of this project is accompanied by three main areas of study: numerical, analytical and experimental. The mechanical characterization of the first suspension arm formed initially found that the desired properties have not been achieved. Analyses showed that the main reason lies in the weak points of the semi-solid casting process, i.e., as in its difficulty to flow through the thin thicknesses in the case of a complex geometry. That is the cause to establish a design modification procedure on the geometry of the suspension arm. The main objective is to establish a better design in a way to avoid this problem occurred in the ribs when casting it in the semi-solid state while keeping the same or higher mechanical resistance with equal or lower weight. The design modification of parts was carried out by using SolidWorks design software, evaluation of constraints with Abaqus, and simulation of flow with ProCast. Regarding to the three proposed designs, it has been concluded that the modified suspension arm, without ribs and with a central canvas designed as Z, is by far the perfect design obtained; The weight of modified real part is close to that of the original part in addition to the high uniform and minim turbulence of molten metal flow during casting process. The analytical study representing mathematical models was developed for the calculation of fatigue life of lower arm suspension system; this part is devoted to the analysis of these calculation methods which bind generally the number of cycles N to the constraints and distortions. The objective is to select the mathematical relationship which is more appropriate to the case study and to apply it on the suspension arm model. Regarding to the formulations studied, either of the approaches in deformation, in constraint and/or energy, it has been necessary therefore to find which formulation is applicable, with or without required changes, while respecting the aluminum alloy, the process of casting and the conditions of the experimental trials planned. Relating to this study, it has been selected the formulation proposed by Manson Coffin-Basquin; this model has been selected precisely in terms of convenience, simplicity of its application and availability. It relates the number of cycles Nf with the total deformation Ɛt . The calculation technique has proposed six parameters of intrinsic work hardening of alloys investigated, A357 alloys; the parameters are (b, c, έf, σʹf, Hʹ and nʹ). The identification of these parameters is mandatory, to determine the fatigue resistance coefficient using the fatigue experimental method; a mathematical technique by extrapolation was used for determining the rest of the coefficients. The new calculated parameters have shown a compliance of the fatigue curve by analytical study to the experimental curve carried out on the samples of the same aluminum alloy. Microstructure characteristics of semisolid A357 castings under T6 heat treatment conditions are examined using scanning electron microscope. The results show that the rheocasting technique has proven successful in producing optimum microstructure providing an excellent combination of quality index and fatigue performance. The semisolid casting technique leads to spheroidizing of acicular eutectic Si and π-Fe intermetallic phases as well as producing near to free defects microstructure (i.e. porosity and oxides)

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:Juin 2016
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en ingénierie
Nombre de pages:145
ISBN:Non spécifié
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):Bouazara, Mohamed
Mots-clés:aluminium, bras de suspension, fatigue, moulage, procédé SEED, semi-solide, méthodes analytiques
Déposé le:12 avr. 2017 14:27
Dernière modification:13 avr. 2017 00:08
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