Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

La connaissance approfondie du comportement mécanique de ces nouveaux matériaux de pointe que sont les composites à matrice d'aluminium renforcé de particules (CMAp) permettra de faciliter leur insertion sur les marchés. De ce fait, l'étude de l'effet des défauts ou inclusions sur les propriétés en traction des CMAp est nécessaire afin d'établir les contrôles de qualité à leur égard. Cette étude a été réalisée sur un CMAp commercial, soit le Duralcan F3S.20S.

Un certain nombre de phénomènes et problèmes liés à la production du composite Al-Si/SiCp ont été considéré en introduction, soit: la propreté de la matrice métallique; la structure de l'interface SiC/Al; la rhéologie; la réactivité des constituants du mélange; la sédimentation lors de l'arrêt du brassage; l'effet du mouvement de surface; oxydes entraînés sous forme de fragments de peaux d'oxydes; gaz entraîné à l'intérieur du mélange; les conditions de solidification (ségrégation des particules). L'échantillonnage provient de composites élaborés puis refondus à une échelle suffisamment grande, afin d'obtenir des conditions connues et bien contrôlées et ainsi s'assurer que les facteurs ci-haut mentionnés ne varient pas de façon significative d'une éprouvette à l'autre. Ainsi, le composite provient de l'usine Dubuc, une division d'Alcan Aluminium limitée, qui produit le composite Duralcan à une échelle industrielle depuis plusieurs années par la méthode de malaxage. Plus de deux cents éprouvettes normalisées ont été moulées dans les laboratoires du centre de recherche et de développement d'Arvida (CRDA) d'Alcan international.

Les essais de traction et les examens réalisés sur les éprouvettes de composite Duralcan F3S.20S, ont permis de constater que l'amorce de la rupture se situe toujours sur des défauts macroscopiques. Ces défauts consistent le plus souvent, en des replis de peaux d'oxydes de couleur gris clair ayant une taille moyenne de 1 à 3 mm.

Lorsque les défauts obtenus après refonte et moulage sont petits (<2 mm), la probabilité qu'ils laissent des empreintes visibles sur le film exposé aux R-X est faible; cette probabilité augmente avec la taille des défauts. On a constaté que les examens radiographiques sont une méthode valable pour déceler la présence de grands défauts (>3 mm), et par le fait même, pour prédire les propriétés associées à la présence de tels défauts.

La présentation des propriétés mécaniques en tension a été effectuée à l'aide d'un indice de qualité dérivé de celui utilisé pour les alliages de fonderie Al/Si. L'indice de qualité utilisé, indice Q*, s'est révélé un outil très sensible à la présence de défauts et de ce fait, il a permis d'établir une comparaison précise avec la théorie de la rupture.

Les essais et calculs réalisés dans le cadre de la présente étude, montrent une bonne correspondance entre les résultats expérimentaux et les valeurs obtenues à l'aide de la théorie de la rupture, faisant intervenir la présence de défauts. Ces valeurs théoriques sont calculées en utilisant le facteur critique d'intensité de contrainte et en considérant le défaut comme une fissure elliptique interne ayant une longueur définie. Les résultats expérimentaux obtenus, lors des essais sur les éprouvettes Duralcan, se situent en fait, entre le modèle de la mécanique élastique linéaire et celui de la mécanique élasto-plastique (profil équivalent d'Irwin). On observe cependant, lorsque les défauts sont petits (<1,3 mm), que les données expérimentales sont plus faibles que celles calculées à l'aide de la mécanique de la rupture. Ce comportement est fort probablement attribuable à la prédominance des facteurs intrinsèques, associés au mode de fabrication du composite, comme par exemple, les zones de densité élevée en particules de renfort ou en pores résultant de la ségrégation. L'analyse de la distribution des propriétés mécaniques en fonction de la taille des défauts permet de bien cerner l'importance de la propreté du composite. Ainsi en gardant constant les paramètres intrinsèques qui résultent notamment de la solidification, on peut suggérer d'effectuer une filtration du composite au moment du moulage. Pour atteindre des propriétés mécaniques optimales, cette filtration devrait éliminer les peaux et replis de peaux d'oxydes supérieurs à l mm.

Finalement, les résultats de la présente étude montrent que les caractéristiques mécaniques du composite Duralcan F3S.20S sont prévisibles et varient peu, d'un échantillon à l'autre, lorsque toutes les précautions sont prises afin d'éviter la présence de défauts extrinsèques.