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

Résumé

La légèreté des véhicules est considérée comme une des stratégies les plus efficaces pour améliorer l’économie du combustible et réduire le dommage anthropique sur l’environnement, le changement climatique, et les émissions coûteuses. Les alliages de coulée Al-Si, en tant que matériau métallique léger stratégique, ont été largement utilités dans les moteurs diesel en raison de leur ratio de la résistance sur le poids élevé, de bonne coulabilité et recyclabilité. Cependant, aux températures de haut fonctionnement au-delà de 300°C, les précipités grossissants dans l’alliage de coulée Al-Si de vieillissement-durcissement traditionnel, tels que 319 et 356, conduit à une sévère perte des propriétés mécaniques à température élevée. Un moyen possible pour régler ce problème est de concevoir des dispersoïdes thermiquement stables qui sont capables de maintenir leurs efficacités à température élevée. Afin d’améliorer les propriétés mécaniques à haute température, les éléments de l’alliage de transition ont été ajoutés dans l’alliage de base pour former les dispersoïdes. Récemment, il est rapporté que Mo peut potentiellement former une grande quantité des dispersoïdes dans les alliages Al-Si mais il n’existe pas d’étude systématique qui focalise sur la propriété de fatigue des alliages Al-Si avec l’addition de Mo. Ainsi, les efforts ont été mis sur les études des caractéristiques de l’addition de Mo ainsi que ses influences sur les propriétés mécaniques, surtout sur la résistance de fatigue. Dans la première partie du travail, l’effet de l’addition de Mo sur l’évolution des dispersoïdes sous divers traitements thermiques de l’alliage de coulée Al-Si 356 a été étudié. On peut voir que les dispersoïdes α-Al (Fe, Mn, Mo) Si se sont formés facilement dans la matrice de l’alliage 356 avec l’addition de Mo (nommé par le nom de 356Mo) par rapport à l’alliage de base sans Mo. Les résultats montrent qu’il est plus rapide pour les dispersoïdes de se précipiter quand la température de solution est supérieure tandis que le nombre baisse après une longue durée de solution en raison de la maturation d’Ostwald, qui est confirmé par l’évolution de la microdureté. La deuxième partie de cette étude étudie les propriétés de traction et de fatigue à faible fréquence. L’alliage contenant Mo a fait preuve d’une amélioration dans le test de traction à température ambiante et à 300°C en raison de la grande quantité des dispersoïdes nanométriques formés pendant le traitement de solution. La limite d’élasticité, la résistance maximale à la traction sont augmentées de 10 MPa et 15 MPa respectivement tandis que le taux d’allongement reste au même niveau. Au cours du test de fatigue à faible fréquence à 300 °C, les alliages 356Mo présentent une déviation plus large du comportement Masing que l’alliage de base en raison de l’interaction dislocation-dispersoïde plus forte causée par les dispersoïdes. Le comportement d’adoucissement cyclique peut être observé dans les deux alliages mais 356Mo dispose d’une faible vitesse d’adoucissement qui est confirmé par l’observation de la surface de fracture. Pourtant, une réduction de la durée de fatigue est présentée par 356Mo en raison de la croissance rapide de fissure à l’étape finale de la rupture de fatigue.

Light weighting in ground vehicles is considered as one of the most effective strategies to improve fuel economy and reduce anthropogenic environment-damaging, climate-changing and costly emissions. Al-Si cast alloys, as a strategic lightweight metallic material, have been increasingly used in diesel engines due to their high strength-to-weight ratio, good castability and recyclability. However, at high operation temperatures beyond 300°C, the precipitate coarsening in traditional aging-hardened Al-Si cast alloy, such as 319 and 356, leads to severe loss of elevated-temperature mechanical properties. One possible way to overcome this problem is to design thermally stable dispersoids that are able to retain their effectiveness at high temperatures. In order to further improve mechanical properties at elevated temperature, transition alloying elements have been added to base alloy to form dispersoids. Recently, it is reported that Mo can potentially form a large amount dispersoids in Al-Si alloys but no systematic investigation has been focused on the fatigue property of Al-Si alloys with Mo addition. Thus, effort have been put to study the characteristic of Mo addition as well as its influences on mechanical properties, especially on fatigue resistance. In the first part of work, the effect of Mo addition on the evolution of dispersoids under various heat treatments of Al-Si 356 casting alloy were studied. It can be seen that α-Al (Fe, Mn, Mo) Si dispersoids easily formed in the matrix of the 356 alloy with Mo addition (named as 356Mo) than base alloy free of Mo. Results shows that it is faster for dispersoids to precipitate when solution temperature is higher while the amount drop down after long-time solution due to Ostwald ripening, which confirmed by the evolution of microhardness. The second part of the study investigates the tensile and low-cycle fatigue properties. The Mo-containing alloy exhibited improvement in tensile test at room temperature and at 300°C due to the large amount of nano-scaled dispersoids formed during solution treatment. The yield strength, ultimate tensile strength are increased by 10 MPa and 15 MPa respectively while elongation remain in same level. During the low cycle fatigue test at 300 °C, 356Mo alloys exhibit larger deviation from Masing behavior than the base alloy due to the stronger dislocation-dispersoid interaction caused by dispersoids. Cyclic softening behavior can be observed in both alloy but 356Mo has lower softening rate which is confirmed by fracture surface observation. However, a reduction of fatigue life is presented by 356Mo due to the fast crack growth in the final stage of fatigue failure.