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L’aptitude des alliages d’aluminium à la fusion laser sur lit de poudre

L’aptitude des alliages d’aluminium à la fusion laser sur lit de poudre Le traitement thermique T6 inadapté à la fusion laser ? La visite d’Édouard Philippe et de Bruno Le Maire en images Les métaux : cibles privilégiées du protectionnisme La fissuration à chaud en fusion laser

Le traitement thermique T6 inadapté à la fusion laser ?

Le congrès 3D Print & Exhibition vient de fermer ses portes à Lyon, à cette occasion les visiteurs ont pu déambuler dans les allées du plus gros congrès français dédié à la fabrication additive. L’occasion idéale de rappeler les spécificités du procédé avant que ces professionnels de l’Industrie ne succombent les yeux fermés aux sirènes de la fabrication additive. Parmi les particularités de ces procédés qui représentent à coup sûr le futur de notre industrie on retrouve la nécessité d’adapter des traitements thermiques aux pièces issues de ces nouvelles méthodes de fabrication.

Aujourd’hui, il est en effet largement admis que la majorité des procédés de mise en forme de matériaux métalliques implique l’utilisation de traitements thermiques pour répondre à la multitude de problématiques qu’ils génèrent. En effet il est parfois nécessaire de réaliser une relaxation des contraintes résiduelles après la mise en forme (détensionnement), de réduire (voir d’éliminer) l’anisotropie de la structure des grains ainsi que celle des caractéristiques mécaniques ou encore de durcir la matière par précipitation structurale. Sans parler du compromis à faire entre les valeurs de résistance mécanique (Rm), de limite élastique (Rp0.2) et d’allongement à la rupture (A%).

On retrouve ces mêmes problématiques dans le cadre de la fusion laser sur lit de poudre. De manière générale, tous les procédés de fabrication additive métallique sont concernés. Cependant ces derniers donnent naissance à des structures métallurgiques différentes de celles des procédés de mise en forme « classiques » comme l’usinage et la fonderie. Cet élément est à prendre en compte puisqu’il implique une adaptation des traitements thermiques.

Des structures métallurgiques différentes qui impliquent une adaptation des traitements thermiques

Détentionnement éprouvettes dans un four pour traitement thermique

Un sujet d’étude du programme SUPCHAD

 

L’adaptation des traitements thermiques aux spécificités de la fusion laser est l’un des sujets d’études du programme SUPCHAD.

Ce programme de R&D collaborative nous permet désormais de vous conseiller sur le traitement thermique le plus adapté à vos applications.

 

 En savoir plus

 

Les alliages d’aluminium les plus utilisés en fusion laser sur lit de poudre proviennent de la famille 40000. Cette famille contient des alliages tels que l’AlSi12, l’AlSi10Mg, l’AlSi7Mg0.6 ou encore l’Alsi9Cu3. Ceux-ci contiennent une faible quantité de magnésium qui, couplé avec le silicium en excès, permettent un durcissement structural grâce à un traitement thermique adapté. Or c’est là que réside le cœur de la problématique, l’adaptation des traitements thermiques aux spécificités de la fusion laser.

Les pièces obtenues par fusion laser présentent en effet des structures métallurgiques particulières qui leur offrent des caractéristiques mécaniques généralement plus élevées que celles des produits issus de coulée. Cela s’explique par des tailles de grains et de dendrites qui sont plus fines, par un niveau de précipitation structurale différent et par un refroidissement très rapide qui donne naissance à une solution solide d’aluminium sursaturée. De plus, la température du plateau de fabrication et la stratégie de fabrication employée ont également des effets non négligeables sur la structure métallurgique, sur les contraintes résiduelles et sur les caractéristiques mécaniques des pièces brutes de fusion.

La connaissance et la compréhension de toutes ces spécificités apportent de nouvelles données qui permettent la mise au point de gammes de traitements thermiques efficientes comme c’est d’ores et déjà le cas pour les pièces issues de coulée. En effet, tous les alliages de la famille 40000 sont mis en œuvre par coulée grâce à des procédés de fabrication qui sont largement utilisés et maîtrisés. Si bien qu’il existe plusieurs gammes de traitements thermiques qui permettent de choisir différents compromis de caractéristiques mécaniques en vue d’une utilisation particulière. Or dans le cadre des procédés de fabrication novateurs comme le sont ceux de la fabrication additive métallique, le niveau de connaissance n’avait jusqu’alors pas permis d’élaborer de telles gammes de traitements thermiques. Les choses changent et petit à petit les traitements thermiques sont adaptés aux spécificités métallurgiques des pièces obtenues par fusion laser sur lit de poudre, avec en ligne de mire l’application visée.

Les traitements thermiques ou l’art du compromis

Dans l’état brut de fusion, les caractéristiques mécaniques élevées sont dues en partie à la finesse de la structure, or le recours à un traitement thermique génère un grossissement de celle-ci, ce qui occasionne donc une baisse des caractéristiques mécaniques. De plus l’utilisation d’un traitement thermique peut avoir pour effet de durcir le matériau par précipitation structurale. L’intérêt est donc de trouver un compromis entre la finesse de la microstructure et la taille/le nombre de précipités au sein du matériau pour obtenir des propriétés mécaniques optimales.

De manière générale et comme pour les autres procédés de fabrication de pièces métalliques, il est possible d’effectuer une étude qui déterminera quel est le traitement qui offre le compromis adéquat pour l’application visée en jouant sur les valeurs de Rm, de Rp0,2, d’A%, sur l’anisotropie des caractéristiques mécaniques et sur la détente des contraintes résiduelles.

L’exemple du traitement T6

Le traitement T6 (mise en solution, trempe et revenu) est généralement pratiqué sur les alliages de la famille 40 000. L’étape de mise en solution permet, comme son nom l’indique, de mettre en solution les éléments d’alliages. Le refroidissement rapide lors de la trempe maintient la solution solide en sursaturation tandis que le revenu occasionne un durcissement structural homogène par précipitation des éléments d’alliages en sursaturation.

Ce traitement doit être utilisé avec précaution sur des pièces issues de fusion laser sur lit de poudre puisqu’il ne produit pas systématiquement une amélioration des caractéristiques mécaniques. En effet pour l’AlSi10Mg, la dureté du matériau est plus faible suite à un T6 en comparaison avec l’état brut de fusion. On constate également la présence de polyèdres de silicium suite à la mise en solution. Ces polyèdres ont une influence sur les caractéristiques mécanique de l’alliage. Chose impossible lorsque la pièce est obtenue avec les procédés de fabrication traditionnels puisque l’on ne constate pas la présence de ces polyèdres de silicium à la suite à la mise en solution.

Le cas du traitement T6 n’est pas unique et il démontre l’importance de ne pas appliquer machinalement les traitements thermiques « standards » sans compréhension de leurs influences sur la métallurgie et sans étude préalable. Par « standards » on fait référence aux traitements thermiques utilisés sur les matériaux mis en œuvre avec les procédés de fabrication traditionnels.

observation polyèdre silicium suite à un traitement thermique

Observation au microscope électronique à balayage de polyèdres de silicium

Les traitements thermiques des fabricants de machines

Les traitements thermiques proposés par les fabricants de machine concernent le détensionnement (300°C – 2H chez SLM, EOS, Renishaw, 240°C – 6H chez Concept Laser) de la matière. L’objectif est bien entendu de limiter les déformations résiduelles des pièces suite à leur découpe du plateau de fabrication. Toutefois, pour les alliages d’aluminium en plus de la réduction des contraintes résiduelles, les détensionnements proposés réduisent l’anisotropie des caractéristiques mécaniques, diminuent les valeurs de Rm, de Rp0,2 et augmentent la valeur d’A%. Cela ne fait que confirmer l’importance d’étudier au cas par cas les traitements thermiques afin de soumettre les pièces obtenues par fabrication additive à des traitements adaptés.

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La fissuration à chaud en fusion laser

La fissuration à chaud est l’un des problèmes majeurs lorsque l’on utilise un procédé de fabrication qui induit une solidification du matériau, c’est-à-dire un passage de l’état liquide à l’état solide. Le soudage, la fonderie ou la fabrication additive sont donc des procédés qui donnent naissance à des pièces qui peuvent présentées des fissures. Des pièces qui se retrouveraient fragilisées par des fissures plus ou moins longues qui courent au travers de la matière. Si bien que mettre la pièce en fonction pourrait s’avérer dangereux si la pièce est soumise à des contraintes thermiques et/ou mécaniques. Les causes du phénomènes de fissuration à chaud sont multiples et elles peuvent être amplifiées par les spécificités du procédé utilisé.

La fissuration à chaud en fabrication additive métallique

une fissure intergranulaire dans un alliage aluminium

fissuration à chaud fusion laser SLM

D’une manière générale, la fissuration à chaud se produit lorsque le matériau est en cours de solidification (à la fin de celle-ci pour être précis). Elle correspond en fait à l’ouverture irréversible d’espaces inter-dendritiques. En effet lorsque la solidification s’amorce, la matière se solidifie sous forme de dendrites. Entre ces dernières, la matière est encore à l’état liquide. Du fait des contraintes thermiques et des retraits causés par le passage à l’état solide, ces espaces s’ouvrent et ne sont pas comblés.

Les fissures présentes dans les pièces obtenues par fabrication additive métallique -ici par fusion laser sur lit de poudre– sont semblables à celles des autres procédés (soudage, fonderie, etc) mais le phénomène est amplifié par les spécificités du procédé. En effet si fissures il y’a (le but étant bien entendu de les éviter), elles apparaissent comme attendu dans les espaces inter-dendritiques et inter-granulaires. Là où elles sont les plus néfastes. Le tout à la fin de la solidification du cordon, quelques instants après le passage du faisceau laser lorsque les cristaux en pleine croissance sont encore séparés par le liquide inter-granulaire. À ce moment, la solidification n’est en effet pas complète et les grains sont entourés d’une fine pellicule liquide. Ces pellicules liquides n’offrent aucune résistance mécanique si bien que si elles sont trop étendues, elles subissent les contraintes de retraits de la matière et finissent par se déchirer en formant des fissures. Lesquelles se retrouvent aux joints de grain et affaiblissent la pièce produite.

Le procédé de fusion laser peut favoriser l’apparition du phénomène de fissuration à chaud dans le sens où ses spécificités sont telles qu’elles sollicitent fortement le matière. Tout d’abord le procédé impose des variations de température importantes avec une vitesse de solidification rapide de la matière de l’ordre de 105°C/s, une forte ségrégation des éléments chimiques jusqu’à permettre la formation d’eutectiques hors-équilibres ainsi que des retraits significatifs. Le procédé de fusion laser peut également modifier la composition chimique du matériau ce qui peut encore accroître la sensibilité d’un alliage à la fissuration à chaud. En effet les températures atteintes lors de la fabrication sont telles que les points d’évaporation de certains éléments chimiques sont largement dépassés. C’est le cas par exemple des taux de magnésium (Mg) et de zinc (Zn) qui -comme le montrait l’article sur l’évaporation des éléments chimiques lors de la fusion laser– sont les éléments qui s’évaporent le plus. Pour un alliage AlMg14 le taux de magnésium passait par exemple de 13.3% avant fusion à 8.7% après. Tous ces facteurs combinés peuvent donner naissance au phénomène de fissuration à chaud.

Un phénomène prévisible grâce aux courbes de sensibilité

Les courbes de sensibilité permettent de déterminer la sensibilité d’un alliage à la fissuration à chaud et ce grâce à sa composition chimique. Cependant celles-ci ont été créé pour le soudage, procédé pour lequel la vitesse de refroidissement est beaucoup moins élevée que pour la fusion laser sur lit de poudre. Néanmoins elles aident à déterminer une tendance à la fissuration.

fissuration a chaud courbes de sensibilité aluminium

courbe de sensibilité fissuration à chaud SLM

Leur utilisation avec l’exemple de l’alliage 5083 révèle qu’avant la fusion laser, l’alliage ne se trouve a priori pas dans une zone où les risques de fissures sont élevés. Cependant la température maximale atteinte lors de la fusion est de 1249°C, ce qui a pour effet de provoquer l’évaporation du magnésium présent dans le matériau. D’après les analyses, le taux de magnésium passe de 3.8% (avant fusion) à 2.7%(après fusion). Cette baisse du taux de magnésium rapproche l’alliage de la zone où les risques de fissuration sont élevés.

À contrario, des alliages comme l’AlMg14 ou l’AlSi10Mg ne souffrent pas du procédé de fusion laser au point de présenter des fissures. Les courbes de sensibilité montrent que ces deux alliages sont éloignés des zones critiques de part leur composition chimique.

Dans le cas de l’AlMg14, les courbes de sensibilité à la fissuration à chaud démontrent que le taux élevé de magnésium préserve l’alliage de la fissure. Et ce même si la fusion provoque une évaporation de 4.6% de celui ci.

En revanche l’AlSi10Mg échappe à la fissuration grâce à un taux de silicium proche des 10%. Lequel ne diminue pas pendant la fabrication puisque les températures atteintes ne sont pas supérieures au point d’évaporation de cet élément chimique.

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L’évaporation des éléments chimiques des alliages d’aluminium


L’évaporation des éléments chimiques lors de la fusion laser sur lit de poudre est un phénomène logique qui influence l’aptitude d’un alliage d’aluminium à être utilisé en fusion laser. Plus précisément, l’explication de ce phénomène aide à déterminer si une pièce fabriquée dans tel ou tel alliage d’aluminium présentera des fissurations à chaud. Et donc, si la pièce pourra assurer sa fonction ou pas. Il est important pour les industriels de comprendre et de maîtriser ce phénomène d’évaporation des éléments chimiques, surtout lorsqu’ils souhaitent se lancer dans la fabrication de pièce via ce procédé phare de l’Industrie du futur.

Des données de fabrication qui expliquent le phénomène d’évaporation

Grâce à la conduction, la trajectoire du faisceau laser sur le lit poudre forme un cordon de soudure qui peut être modélisé par un bain de fusion de forme hémisphérique. En accord avec les lois qui régissent ce mode opératoire -la conduction-, il est possible de déterminer bon nombre de facteurs qui influeront sur la fabrication (température du bain de fusion, température de l’enveloppe,etc) et d’en extraire des données de fabrication cruciales pour chaque alliage d’aluminium. Des données qui peuvent être utiles à tout professionnel de l’Industrie qui s’intéresse de près ou de loin à la fabrication additive.

tableau alliage aluminium fusion laser

Vos matériaux
sont-ils aptes ?

 

Nos experts vérifient l’aptitude de tous vos matériaux métalliques y compris celle de vos alliages d’aluminium pour une utilisation en fusion laser sur lit de poudre.

– OU –

Si besoin, nous cherchons pour vous un équivalent qui disposera des mêmes propriétés mécaniques.

 Vérifier l’aptitude du matériau

En fonction de l’alliage d’aluminium, la température maximale atteinte dans le bain de fusion oscille entre 1061°C et 1411°C. À ces températures il est logique que certains éléments chimiques s’évaporent et disparaissent jusqu’à rendre la pièce fabriquée inutilisable car trop assujettie à la défaillance. Les éléments chimiques responsables sont donc ceux qui disposent des points d’évaporation les plus bas.

Des évaporations qui modifient les compositions chimiques des alliages d’aluminium

Avec un point d’évaporation situé à 1090°C pour l’un et à 907°C pour l’autre, le Magnésium (Mg) et le Zinc (Zn) sont les deux éléments chimiques qui possèdent le plus gros taux d’évaporation lors d’une fabrication par fusion laser sur lit de poudre. L’explication se retrouve bien sûr dans le tableau précédent. Les températures qui sont en effet atteintes lors de la fabrication sont bel et bien supérieures aux points d’évaporation du Magnésium et du Zinc.

En revanche, l’évaporation semble épargner les autres éléments chimiques au vu du peu, ou de l’absence totale, de variations dans les taux constatés avant et après la fusion laser sur lit de poudre. Le taux de Manganèse (Mn) par exemple n’évolue jamais à la baisse car son point d’évaporation est situé à 2061°C. Soit une température jamais atteinte lors de la fabrication.

En savoir plus

L’évaporation des éléments chimiques est l’un des sujets que nous avons étudié dans une publication dédiée à l’aptitude à la fabrication additive des alliages d’aluminium, consultez  et téléchargez la publication.



les taux des éléments chimiques varient à cause de l'évaporation

Privilégier les alliages d’aluminium avec des taux de Mg et Zn élevés

L’évaporation des éléments chimiques lors de la fusion laser sur lit de poudre provoque des modifications de compositions chimiques. Or, il s’agit là d’un des principaux facteurs responsables du phénomène de fissuration à chaud. L’un des principaux donc, mais pas le seul. La comparaison de sections métallographiques réalisées sur différents alliages d’aluminium démontre que malgré l’évaporation, certains alliages présentent des fissurations et d’autres non. L’explication réside dans le fait que l’influence du procédé sur la matière est telle que réduire la question de l’aptitude d’un alliage à sa simple propension à l’évaporation serait en réalité une négligence. Une négligence qui risque de s’avérer préjudiciable une fois passé à la phase d’industrialisation du procédé de fusion laser sur lit de poudre. Une chose est sûre. Il est important de prévoir les conséquences du phénomène d’évaporation des éléments chimiques lors de la fabrication pour s’en prémunir. Les alliages d’aluminium qui présentent des taux de Magnésium (Mg) et de Zinc (Zn) élevés doivent être privilégiés.

Pour se protéger de tous ces risques, les alliages d’aluminium doivent être étudiés au cas par cas. Tous ne sont pas aptes à être utilisés en fusion laser sur lit de poudre, c’est le cas par exemple de l’alliage 7020. Les sections métallographiques réalisées sur le matériau viennent le prouver puisque l’on y constate un nombre important de fissures. La combinaison entre le procédé de fusion laser et cet alliage a donc de grandes chances de donner naissance à des pièces qui défailliront une fois mises en fonction. En revanche, les résultats de l’alliage AlSi10Mg sont tout autres. Certes l’évaporation des éléments chimiques a bien lieu (on constate un taux de Mg qui passe de 0.75 avant fusion à 0.32 après fusion) mais aucune fissure n’est visible sur les sections métallographiques.

évaporation alliage 7020 fusion laser

évaporation éléments chimiques Alsi10Mg

fissuration à chaud alliage aluminium 7020

AlSi10Mg fissuration à chaud

En conclusion, le phénomène d’évaporation des éléments chimiques est un facteur important pour déterminer l’aptitude d’un alliage d’aluminium mais ce n’est pas le seul. Plusieurs autres phénomènes entrent en jeu et tous doivent être connus par les ingénieurs et les techniciens qui souhaitent maîtriser le procédé en vue de l’industrialisation. Tout industriel qui souhaite se lancer dans la production de pièces via la fusion laser sur lit de poudre doit donc s’attendre à voir la composition chimique de sa pièce évoluer au cours de la fabrication. Avant de lancer la fabrication, il est donc important de connaître l’influence de ce procédé novateur sur la matière car tous les alliages d’aluminium ne sont pas aptes à être utilisés en fabrication additive. C’est d’autant plus vrai lorsque la pièce est destinée à des secteurs sensibles comme l’aéronautique, l’aérospatial ou encore la défense.
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L’écrouissage critique des alliages d’aluminium

Durcissement des alliages d’aluminium

Les durcissements par écrouissage ou structural permettent une augmentation des caractéristiques mécaniques des alliages : résistance à la traction (Rm), limite d’élasticité (Rp0,2%) et dureté. Il s’accompagne d’une diminution de l’allongement (A%) entraînant une perte de ductilité de l’alliage. Le choix entre durcissement par écrouissage et durcissement structural s’effectue en fonction de la famille d’alliages d’aluminium à traiter.

Le durcissement dit « structural » est obtenu grâce à la formation par précipitation d’une multitude de composés chimiques à l’issue d’une gamme de traitements thermiques. Lors de l’application d’une contrainte mécanique, la présence de ces précipités gêne la déformation plastique entraînant ainsi l’augmentation des caractéristiques mécaniques.

Ce mode concerne 3 familles (ou séries) d’alliage : Aluminium-Cuivre (série 2000), Aluminium-Magnésium-Silicium (série 6000) et Aluminium-Magnésium-Zinc (série 7000).

Le Durcissement par écrouissage

L’écrouissage est l’évolution des propriétés et de la microstructure d’un matériau cristallin lorsque sa structure interne subit une déformation plastique. Il en résulte un durcissement par la multiplication de défauts dans la maille cristalline (dislocations). Les procédés de déformation à froid comme le laminage, l’étirage, le tréfilage, ou des mises en œuvre par pliage ou chaudronnage produisent ce type de durcissement.

L’écrouissage de l’aluminium apporte une déformation de la matrice, qui stocke une petite partie de l’énergie (entre 2% et 10%), sous forme de défauts de maille. La densité et la distribution de ces défauts forment une sous-structure cellulaire et entrainent des hétérogénéités plus importantes dans la distribution des mailles défectueuses, appelées « bandes de déformation » et formant des emplacements privilégiés pour initier une recristallisation.

Traitement thermique après écrouissage : Le recuit

Lors de la mise en forme par déformation plastique d’une pièce en alliage d’aluminium, l’écrouissage généré entraîne une perte de ductilité de l’alliage. Afin de poursuivre la mise en forme sans décohésion du métal, il convient de restaurer un certain niveau de plasticité, opération obtenue grâce au recuit. On distingue deux types de recuits :

  • le recuit de restauration : il présente une macrographie dans laquelle le motif et l’orientation des grains sont en grande partie conservés par rapport à l’état écroui. L’adoucissement des propriétés est assez peu marqué, le grossissement des grains est très faible voire inexistant. Les recuits de restauration correspondent à un perfectionnement du réseau du métal écroui.
  • le recuit de recristallisation : Ce recuit à très haute température se caractérise par l’apparition progressive de nouveaux cristaux orientés différemment de ceux du motif d’écrouissage. C’est au cours de ce recuit de recristallisation que peuvent apparaître de gros grains. L’adoucissement est très marqué. Sur les alliages écrouis, l’adoucissement par recristallisation augmente avec le taux d’écrouissage avant recuit. La température de recuit nécessaire pour un adoucissement identique est d’autant plus basse que le taux d’écrouissage est élevé. Un taux d’écrouissage minimal du produit est nécessaire pour éviter un grossissement anormal du grain lors des recuits de recristallisation.

Les paramètres d'écrouissage pour les alliages d'aluminium

Retrouvez l’intégralité de ce tableau en téléchargeant la version PDF :

 



L’écrouissage critique

Pour chaque alliage, il existe une zone d’écrouissage pour laquelle le recuit risque d’entraîner un grossissement exagéré du grain défavorable pour la mise en forme et générant une altération de l’aspect de la pièce. La surface du métal après déformation peut prendre alors l’aspect inesthétique de « peau d’orange ». On définit donc la limite d’écrouissage critique inférieur (début de la zone d’écrouissage critique) et la limite d’écrouissage critique supérieur (fin de la zone d’écrouissage critique).

Lors d’un recuit, la grosseur moyenne du grain de recristallisation pour un alliage donné varie en sens inverse de l’écrouissage qui a précédé le recuit. On qualifie d’écrouissage « critique » le taux d’écrouissage pour lequel la recristallisation est rendue possible (aux conditions de recuit données). Le grain obtenu pour un écrouissage à ce taux précis est alors nommé « grain critique ».

Cette zone d’écrouissage critique est unique pour chaque matériau et dépend de nombreux facteurs: conditions de recuit, hérédité du matériau (nombre d’écrouissage/recuit subis) … Les limites d’écrouissage critique sont d’autant plus faibles que la température de recuit est élevée, à l’inverse, la grosseur du grain critique est d’autant plus importante que la température de recuit est élevée. En résumé, plus les limites sont faibles, plus la grosseur du grain critique est importante.

Facteurs influents

Certains éléments d’alliages, comme le manganèse, le zirconium ou le chrome, retardent la recristallisation, augmentent l’écrouissage critique et peuvent diminuer la grosseur du grain de recristallisation.

La vitesse de chauffage à la température de recuit a un effet important sur la grosseur du grain des alliages d’aluminium. Plus la vitesse est faible, plus le grain de recristallisation est gros.

Limitation de la grosseur des grains

Pour éviter le grossissement des grains dû à un écrouissage critique, deux moyens sont couramment utilisés :

  • Limiter l’écrouissage avant recuit à des valeurs telles que l’écrouissage critique ne soit pas atteint
  • Faire en sorte que l’écrouissage critique soit dépassé en tous points du produit pour que la texture finale soit recristallisée à grains assez fins

Ces deux moyens permettent d’éviter la zone d’écrouissage critique.

 écrouissage contrainte et allongement

Études illustrant le phénomène d’écrouissage critique

Alliages testés

L’étude a porté sur des alliages couramment utilisés industriellement :

  • 2 alliages à durcissement structural : 2017A état T4 (famille aluminium-cuivre) et 6061 état T6 (famille aluminium-magnésium-silicium)
  • 1 alliage à durcissement par écrouissage : 5083 état recuit (O) (famille aluminium-magnésium)

État T4 : alliage ayant subi une gamme de traitements thermiques composée d’une mise en solution (maintien à 500°C pendant 1 heure), suivi d’une trempe à l’eau froide (T≤ 40°C) puis d’une maturation (durée de 4 jours à température ambiante)

État T6 : alliage ayant subi une gamme de traitements thermiques composée d’une mise en solution (maintien à 535°C pendant 1 heure), suivi d’une trempe à l’eau froide (T≤ 40°C) puis d’un revenu (maintien à 185°C pendant 6 heures)

Nature des essais

Les essais ont été effectués sur des éprouvettes prismatiques de traction (à section rectangulaire) prélevées et usinées à partir d’échantillons de tôle de chaque alliage.

Différents taux d’écrouissage ont été obtenus par déformation plastique par traction des éprouvettes (caractérisée par l’allongement A%). Différents recuits ont été par la suite effectués sur les éprouvettes en faisant varier les paramètres temps de maintien et température de four. 

Des examens micrographiques ont ensuite été réalisés pour observer la microstructure de chaque alliage :

  • Enrobage, polissage des échantillons
  • Mise en évidence de la structure de chaque alliage après attaque métallographique
  • Observation des échantillons au microscope optique sous lumière polarisée

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Résultats des essais

La faible plasticité de l’alliage 2017A à l’état T4 n’a pas permis d’atteindre un taux d’écrouissage suffisant pour observer le grain de recristallisation critique. Afin de bénéficier du maximum de plasticité de chaque alliage, les alliages 2017A et 6061 ont été préalablement recuits avant la campagne d’essais d’écrouissage et de recuit.

  • Avec les paramètres d’essais pratiqués, aucune recristallisation n’a pu être obtenue pour l’alliage 2017A, ceci est dû en partie à la présence d’inhibiteurs de grossissement de grains et de recristallisation (fer, chrome, manganèse) dans cet alliage.
  • Pour les alliages 5083 et 6061, le taux d’écrouissage critique a été respectivement atteint pour 11% et 13%. Il y a eu recristallisation et formation de grains critiques de grande taille.

Alliage 5083 : résultats des clichés micrographiques

analyse métallurgique après écrouissage

allongement gros grain écrouissage

Alliage 6061 : résultats des clichés micrographiques

analyse métallurgique sur alliage 6061

analyse métallurgique alliage 6061 écrouissage

 

Auteur de l’article : Hervé Gransac
Tèl. : 02 38 69 79 54

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