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Elaboration des alliages Al-Fe et Al-Fe-Co :

Alliages étudiés :

A partir des mélanges de poudres de fer de pureté 99,99%, d’aluminium de pureté de 99,99% et du Co de pureté 99.99% nous avons élaborés dans unfour à induction haute fréquence de type Lintherm HG6000 ayant une puissance de l’ordre de 6KWdes séries d’alliages d’aluminium-fer dont la masse et les pourcentages en atomeet en poids du fersont montrésdans le TableauII.1. Ainsi que des séries d’alliagesFe-Al-Co,dont la masse etles pourcentages en masse et en atome du cobalt sont égalementportés sur le tableauII.2.

Les étapes d’élaborations :

pesées et compactages des échantillons :

Nous avons pesé des échantillons de masse 5g avec un mélange homogène des poudres d’aluminium pur, de fer pur et de cobalt pur selon les compositions chimiques choisiesau-dessus avec une grande précision (10-3) à l’aide d’une balance électronique très sensible (KERN EW/EG-N). Après un compactage à froid des mélanges avec une pression de 8 tonnesgrâce à une machine de compression, nous obtenonsdes pastilles de diamètre 16mm et d’hauteur 4mm, qui ont une bonne résistance mécanique ce qui permet de les manipuler sans risque de s’effriter dans les différentes étapes d’élaboration par fusion à induction (HF).Les étapes de compactage sont montrées dans la figureII.1

Fusion sous induction haute fréquence :

Après compactage La pastille obtenue est placée dans un creuset cylindrique d’aluminede dimensions 16 mm de diamètre et 3cm de taille. Puis ce dernier est mis dans un tubeen quartz de diamètre 22 mm qui est placé dans l’inducteur du générateur comme le montrée dans lafigure II.2.a, ce type liée avec un pompe de type Edwards qui assure un vide primaire de l’ordre 10-3 torr pour ne pas oxyder l’échantillon. Le générateur HF alimente la bobine avec une fréquence de 300 KHz et une puissance de 6 KWencourant électrique. Le passage du courant dans l’inducteur induit un champ magnétique, ce dernier généré des courants induits appelée courants de Foucault dans le cœur de l’alliage. Ces courants chauffent l’échantillon sous l’influence de l’effet joule. Puis on monte rapidement en chauffage jusqu’à la fusion complète de l’alliage ; puis on coupe le courant, ce qui provoque un refroidissement plus ou moins brusque. On obtient ainsi, un alliage massif de forme quasi cylindrique de diamètre 1cm et de hauteur 1 à 2cm.

Principe de la fusion électromagnétique sous induction

Introduction

Le chauffage par induction est une technique précise, rapide, répétable, efficace et sans contact pour le chauffage des métaux ou tout autre matériau électriquement conducteur. Un système de chauffage par induction consiste en une alimentation à induction pour convertir l’alimentation en ligne en courant alternatif et en le livrant à une tête de travail, et une bobine de travail pour générer un champ électromagnétique dans la bobine. La pièce de travail est positionnée dans la bobine de sorte que ce champ induit un courant dans la pièce, ce qui produit à son tour une chaleur.
La bobine refroidie à l’eau est positionnée autour ou bordant la pièce. Il ne contacte pas la pièce de travail et la chaleur n’est produite que par le courant induit transmis par la pièce. Le matériau utilisé pour fabriquer la pièce peut être un métal tel que le cuivre, l’aluminium, l’acier ou le laiton. Il peut également s’agir d’un semi-conducteur tel que le graphite, le carbone ou le carbure de silicium. Pour chauffer des matériaux non conducteurs tels que des plastiques ou du verre, l’induction peut être utilisée pour chauffer un suscepteur électriquement conducteur, par exemple le graphite, qui passe ensuite la chaleur sur le matériau non conducteur.
Le chauffage à induction trouve des applications dans des procédés où les températures sont aussi faibles que 100 ° C et jusqu’à 3000 ° C. Il est également utilisé dans des procédés de chauffage courts de moins d’une demi-seconde et dans des processus de chauffage qui s’étendent sur plusieurs mois.
Le chauffage par induction est utilisé à la fois pour la cuisine domestique et commerciale, dans plusieurs applications telles que le traitement thermique, la soudure, le préchauffage pour le soudage, la fusion, le rétrécissement dans l’industrie, l’étanchéité, le brasage, le durcissement et la recherche et le développement.
Comment fonctionne le chauffage par induction ?
L’induction produit un champ électromagnétique dans une bobine pour transférer de l’énergie sur une pièce à chauffer. Lorsque le courant électrique passe le long d’un fil, un champ magnétique est produit autour de ce fil.
Principaux avantages de l’induction
Les avantages de l’induction sont les suivants :
Chauffage efficace et rapide
Chauffage précis et répétitif
Chauffage sûr car il n’y a pas de flamme
Durée de vie prolongée due à un chauffage précis
Méthodes de chauffage par induction
Le chauffage par induction se fait à l’aide de deux méthodes :
La première méthode est appelée chauffage par courants de Foucault des pertes I²R causées par la résistivité du matériau d’une pièce. Le second est appelé chauffage hystérétique, dans lequel l’énergie est produite dans une partie par le champ magnétique alternatif généré par la bobine modifiant la polarité magnétique du composant.
Le chauffage hystérétique se produit dans un composant jusqu’à la température de Curie lorsque la perméabilité magnétique du matériau diminue à 1 et le chauffage hystérétique est réduit. Le chauffage par courant de Foucault constitue l’effet de chauffage par induction restant.

Fonctionnement d’une bobine d’induction

Avec l’aide d’un champ électrique alternatif, de l’énergie est transmise à la pièce avec une bobine de travail.
Le courant alternatif passant par la bobine produit le champ électromagnétique qui induit un courant passant dans la pièce comme une image miroir au courant passant dans la bobine de travail. La bobine / inductance de travail fait partie du système de chauffage par induction qui affiche l’efficacité et l’efficacité de la pièce lors de son chauffage. Les bobines de travail sont de nombreux types allant de complexes à simples.Figure II.3
La bobine hélicoïdale (ou solénoïde) est un exemple de bobine simple, qui consiste en plusieurs tours de tube de cuivre enroulés autour d’un mandrin. Une bobine de précision fabriquée à partir de cuivre solide et brasée ensemble est un exemple de bobine complexe.

Fréquence de fonctionnement (résonant)

La pièce de travail qui doit être chauffée et le matériau de la pièce de travail détermine la fréquence de fonctionnement du système de chauffage par induction. Il est essentiel d’utiliser un système d’induction qui fournit une puissance sur la gamme de fréquences adaptées à l’application. Les raisons de diverses fréquences de fonctionnement peuvent être comprises par ce qu’on appelle l’effet « peau ». Lorsque le champ électromagnétique induit un courant dans un composant, il passe principalement à la surface du composant. Figure II.4
Figure II .4. (A) Le chauffage par induction à haute fréquence a un effet de peau peu profonde qui est plus efficace pour les petites pièces; (B) Le chauffage par induction à basse fréquence a un effet de peau plus profond qui est plus efficace pour les pièces plus importantes.
Lorsque la fréquence de fonctionnement est plus élevée, la profondeur de la peau est plus faible. De même, lorsque la fréquence de fonctionnement est inférieure, la profondeur de la peau et la pénétration de l’effet de chauffage sont plus profondes. La profondeur de la peau / profondeur de pénétration est basée sur la température, la fréquence de fonctionnement et les propriétés du matériau de la pièce.
Par exemple (voir le tableau 1), une barre d’acier de 20 mm peut être soulagée par le chauffage à 540 ° C en utilisant un système d’induction de 3kHz. Cependant, un système de 10 kHz sera nécessaire pour durcir la même barre en la chauffant à 870 ° C.

Parties d’un système de chauffage par induction

Un système de chauffage par induction comprend un circuit de réservoir, une alimentation électrique et une bobine de travail. Dans les applications industrielles, il existe un passage de courant suffisant via la bobine pour nécessiter un refroidissement par eau ; Par conséquent, une installation de base contient une unité de refroidissement à l’eau. Le courant alternatif de la ligne AC est converti par une alimentation électrique à un courant alternatif qui correspond à la combinaison de l’inductance de la bobine, de la capacité de la tête de travail et de la résistivité des composants. Figure II.5.

Facteurs à considérer

Le matériau de la pièce exige le taux de chauffage et la puissance nécessaire. La chaleur du fer et de l’acier est facile car elles ont une résistivité plus élevée tandis que l’aluminium et le cuivre ont besoin de plus de puissance pour chauffer en raison de leur faible résistivité. Certains aciers sont de nature magnétique, de sorte que la résistivité et les propriétés hystéreuses du métal sont utilisées lorsqu’on les chauffe par induction. L’acier perd ses propriétés magnétiques lorsqu’il est chauffé au-dessus de la température de Curie (500-600 ° C) ; Cependant, le chauffage par courant de Foucault fournit la technique de chauffage requise pour des températures plus élevées.
La puissance requise est déterminée par des facteurs tels que le type de matériau, la taille de la pièce, l’augmentation de température requise et le temps de température. Selon la taille de l’ouvrage à chauffer, le facteur essentiel à prendre en compte est la fréquence de fonctionnement du système de chauffage par induction.
De même, dans le cas de pièces de travail plus petites, une fréquence plus élevée (> 50 kHz) est nécessaire pour un chauffage efficace et, dans les cas de pièces de travail plus grandes, une fréquence inférieure (> 10 kHz) et une plus grande pénétration de la chaleur est générée.
Lorsque la température de la pièce de travail chauffée augmente, la chaleur est également perdue de la pièce à usiner. Les pertes de rayonnement et de convection de la pièce de travail se transforment en un facteur très essentiel avec des températures plus élevées. Les méthodes d’isolement sont souvent utilisées à haute température pour réduire les pertes de chaleur et diminuer la puissance requise du système d’induction.

Caractérisations des alliages :

préparations :

Les échantillons d’alliages, binaires Al-Fe et ternaires Fe-Al-Co, qui ont été élaborés sous vide par fusion sous une induction électromagnétique HF doivent subir des opérations métallographiques de préparation. Ces opérations métallographiques sont nécessaires pour les différentes méthodes de caractérisations microstructurales et mécaniques.
Les échantillons doivent subir un série d’opérations métallographiques minimum nécessaires tels que :
L’enrobage dans la résine de l’échantillon à chaud ou à froid facilite les différentes manipulations pour une rapidité d’exécution et permet de limiter les effets de bords de surface utile pendant l’étape de polissage. On a utilisé une résine qui polymérise très rapidement, résistante aux principales attaques chimiques.
Opération qui consiste à rendre une surface lisse et brillante par des mouvements relatifs et par une pression entre la pièce et l’outil avec ou sans abrasifs et sans enlèvement significatif de matière. Les préparations en laboratoire des échantillons d’alliages pour les différentes caractérisations de surface nécessitent un polissage mécanique bien précis. Celui-ci a consisté en une série consécutive de polissage au papier abrasif de granulométrie de plus en plus fine (120 jusqu’à 4000) suivi à chaque fois d’un nettoyage de surface à l’eau (distillée) à la fin de chaque étape de polissage pour enlever les plus grosses particules qui pourraient griffer la surface.
Dans certains cas les échantillons peuvent être examinés sans attaque chimique. La micrographie révélée après polissage, certains constituants colorés naturellement et les différences de pouvoir réflecteur et d’orientation cristallographique permettent souvent un premier examen.
Les échantillons sont soigneusement débarrassés des dernières traces d’abrasif par lavage à l’eau, un séchage à l’air comprimé ou avec un chiffon doux, puis nous avons attaqué chimiquement Les surfaces bien polies des échantillons d’alliages par un réactif Keller dont la composition est la suivante :
Eau distillée 95.5 ml,Acide nitrique (HNO3) 2.5 ml, Acide chlorhydrique HCl 1.5 ml, Acide fluorhydrique (HF) 0.5 ml.
La durée de l’attaque varie entre 5 et 15 secondes pour notre type matériaux d’alliages.

Diffraction des rayons -X (DRX)

La diffraction des rayons X est une méthode universellement utilisée pour identifier la nature et la structure des produits cristallisés. L’état cristallin est caractérisé par la répartition tri périodique dans l’espace d’un motif atomique. Cette répartition ordonnée constitue des plans parallèles et équidistants que l’on nomme plans réticulaires {h,k,l}. Les distances inter réticulaires sont de l’ordre de 0.15 Å- 15 Å et dépendent de la disposition et du diamètre des atomes dans le réseau cristallin. Elles sont constantes, caractéristiques du cristal et peuvent être calculées grâce à la diffraction de rayons X.
L’identification des phases cristallines par diffraction rayons-X est rendu possible grâce aux périodicités de l’arrangement atomique (structure) des cristaux qui sont uniques d’une phase à l’autre. Ces périodicités sont dues à un empilement de plans identiques dans un cristal et sont décrites par des longueurs correspondant aux distances entre les plans d’empilement. Cette distance entre les plans réticulaires est nommée distance réticulaire ou dhkl, où les indices hkl désignent la direction considérée dans le cristal. Selon la loi de Bragg 2dhklsin hkl=λ
Pour une certaine valeur de dhkl, et un rayonnement X incident monochromatique (longueur d’onde λ fixe) des intensités diffractées ne peuvent être observées que sous des angles 2ϴhkl bien définis qui représentent un cône de diffraction entre le rayon diffracté et le rayon incident. L’identification des phases présentes dans un échantillon se fait par comparaison de son spectre (positions et intensités des raies diffractées) avec des spectres de phases connues. Afin de pouvoir comparer des spectres obtenus à partir de différentes radiations (λ) on utilise, au lieu des angles 2ϴhkl, les valeurs dhkl, qui sont une propriété caractéristique du cristal.
La procédure d’identification des phases se présente donc comme suit:
1. mesure des angles ϴhkl sous lesquels des intensités diffractées sont observées
2. calcul des valeurs de dhkl correspondantes, d’après la loi de Bragg
3. comparaison des valeurs de dhkl obtenues avec celles de substances connues
4. comparaison des intensités relative des pics dans les spectres donnes avec cesses de substances connues.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE 
CHAPITRE I : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
I. Introduction
I.2.Polymorphisme et eutectoïde
I.3.Forme des cristaux dans un lingot
I.3.1.Avec un eutectique
I-4.Alliage binaire
I-4-1 Alliage binaire à une seule phase
I-4-2 Structure d’un alliage
I-4-2-1 Alliage homogène
I-4-2-2 Alliage hétérogène
I-4-3 Exemples d’alliages
I-4-3-1 Alliages de fer
I-4-3-2 Alliages d’aluminium
I-4-3-3 Alliages pour des applications spécifiques
I-5. Propriétés de l’aluminium
1.5.1 Principaux alliages
1.5.1.1 Les alpax (Famille aluminium + silicium)
1.5.1.2 Les duralumins (Famille aluminium + cuivre)
1.5.1.3 Les zicrals (Famille aluminium + zinc)
1.5.1.4 Les dural inox (famille Aluminium + Magnésium)
I.6. Les alliages Al-Fe
I-6-1 Introduction
I-6-2 Exemples de composés intermétalliques
I.6.2 – Ordre chimique
I.7. Les alliages Al-Fe-X
I.7.1 Principe des digrammes ternaires
I-7-2. Alliages Aluminium-fer-cobalt
I.8.Solidification des alliages
I.8.1.Introduction
I.8.2.Partage du Soluté
I.8.3.Refroidissement d’un métal liquide
I.8.4.Croissance dendritique
I.9.Alliages
I.9.1.Sous-refroidissement ou surfusion de constitution
Références Chapitre I
CHAPITRE II. ELABORATION ET CARACTERISATION
II.1.Elaboration des alliages Al-Fe et Al-Fe-Co
II.1.1.Alliages étudiés
II.2. Les étapes d’élaborations
II.2.1. pesées et compactages des échantillons
II.2.2. Fusion sous induction haute fréquence
II.2.3. Principe de la fusion électromagnétique sous induction
II.2.3.1.Introduction
II.2.3.2. Fonctionnement d’une bobine d’induction
II.2.3.3.Fréquence de fonctionnement (résonant)
II.2.3.4. Parties d’un système de chauffage par induction
II.2.3.5.Facteurs à considérer
II. 3. Caractérisations des alliages
II.3.1. préparations
II.3.2. Diffraction des rayons -X (DRX)
II.3.3.Calorimétrie Différentielle à Balayage
II. 3.4.Microscopie optique
II.3.5.Microdureté
Références du chapitre II
Chapitre III. RESULTATS ET DISCUSSION
III.1. Introduction
III.1.1.Alliages Al-Fe et Al-Fe-Co
III.1.2 Evolution structurale des alliages  binaires Al-Fe
III.1.3. Processus de solidification et paramètres caractéristiques Alliages binaires Al-Fe
III.1.4 Conclusion
III.2.Comparaison entre alliages Al-Fe massifs et sous forme de couches minces
III.2.1. Evolution structurale des alliages massifs Al-Fe et pulvérisés
III-3. Alliages massifs
III.3.1. Taille des grains
III.4. Système Al-Fe-Co
III-4.1 Etude structurale
III-4-2 Transformation allotropique du cobalt
III-4-3 Analyse thermique
III-4-4 Autres caractéristiques liées à la structure du système Al-60% Fe-X% Co
III-4-5. Conclusion
Référence 
CONCLUSION GENERALE

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