ETUDE DES INSTABILITES PROPAGATIVES DANS LES ALLIAGES D’ALUMINIUM AA5083-H116 ET AA5182-O

Les matériaux étudiés

Deux matériaux sont considérés dans ce travail, à savoir les alliages AA5083-H116 et AA5182-O. Ces deux matériaux ont été choisis parce que le premier présente un vieillissement dynamique prononcé à température ambiante et permet d’étudier le phénomène Portevin-Le Châtelier en détails à cette température : les effets de la température sont cependant aussi considérés. Le deuxième a la spécificité de présenter simultanément des bandes de Lüders et le phénomène Portevin-Le Châtelier dans son comportement à température ambiante. Pour ce dernier, seule cette spécificité sera étudiée en détails. 

Généralités sur les alliages d’aluminium

Les alliages d’aluminium sont devenus incontournables dans de nombreuses applications technologiques. Leurs hautes résistances mécaniques pour une masse volumique relativement basse, leur excellente résistance à la corrosion et enfin leur bonne soudabilité en font des matériaux de choix lors de la fabrication de nombreux produits.

AA5083- H116 et AA5182-O : moyens expérimentaux et essais réalisés 

L’augmentation de la résistance de l’aluminium est généralement obtenue par addition de divers éléments. Les deux méthodes les plus généralement utilisées pour augmenter la résistance des alliages d’aluminium sont : a) addition d’éléments dispersés dans la solution solide et déformation à froid de l’alliage, b) dissolution d’éléments dans la solution solide et précipitation (précipitation-durcissement des alliages). L’aluminium peut être allié avec la plupart des espèces métalliques, mais seulement quelques uns de ces éléments sont utilisés dans l’élaboration des alliages d’aluminium commerciaux. Les divers alliages d’aluminium sont usuellement classés selon que leur élaboration nécessite ou non un traitement thermique. Les alliages sans traitement thermique incluent la vaste catégorie de tous les autres alliages pour lesquels la résistance est développée en grande partie par durcissement par solution solide et par écrouissage à froid de l’état recuit. La variété de propriétés obtenues pour ces alliages résulte des éléments qui sont présents en tant qu’impuretés principales. Les alliages Al-Mg (5XXX), Al-Si (4XXX) et Al-Mn (3XXX) appartiennent à cette classe. Les alliages avec traitement thermique contiennent un ou plusieurs des éléments comme le cuivre, le magnésium, le silicium, et le zinc, solubles dans l’aluminium en quantités importantes à des températures élevées, mais à un degré moindre à la température ambiante. Les alliages de ce groupe ont une plus haute résistance obtenue par traitement thermique. Les alliages d’AlCu (2XXX), d’AlMgSi (6XXX) et d’AlZnMg (7XXX) constituent cette deuxième classe. Les principaux alliages renforcés par des éléments d’alliage en solution solide (souvent en combinaison avec un écrouissage à froid) sont ceux de la série d’aluminium-magnésium (5XXX), avec des proportions en magnésium allant de 0.5 à 0.6% en poids. L’aluminium a une structure cubique à face centrée (CFC). Il a un rayon atomique moyen de 125 pm et un rayon atomique calculé de 118 pm alors que le magnésium a un rayon atomique moyen de 150 pm et un rayon atomique calculé de 145 pm. L’alliage d’aluminiummagnésium forme une solution solide qui est définie comme une solution à l’état solide d’un ou plusieurs corps dissous dans un solvant. Un tel mélange est considéré comme une solution plutôt qu’un composé quand la structure cristalline du solvant est inchangée par l’addition des corps dissous, et quand le mélange constitue une seule phase homogène. Un corps dissous peut s’incorporer au réseau cristallin du solvant par substitution, en remplaçant une particule du solvant dans la maille, ou comme un interstitiel, par l’ajustement à l’espace entre les particules du solvant. Les deux types de solution solide affectent les propriétés du matériau en distordant le réseau cristallin et perturbant l’homogénéité physique et électrique du matériau solvant. L’alliage d’aluminium-magnésium est une solution solide de substitution. Certains mélanges forment aisément des solutions solides pour une gamme donnée de concentrations, alors que d’autres ne peuvent former de telles solutions solides. La propension pour que deux substances quelconques forment une solution solide est une question compliquée impliquant les propriétés chimiques, cristallographiques, et quantiques des substances en question. Des alliages d’Al-Mg binaires constituent la base pour une classe importante d’alliages sans traitement thermique. Bien que le magnésium ait une solubilité substantielle dans Chapitre 3 – Etude des instabilités propagatives dans les alliages d’aluminium AA5083- H116 et AA5182-O : moyens expérimentaux et essais réalisés 21 l’aluminium solide, ces alliages binaires ne conduisent pas à des caractéristiques appréciables de durcissement par précipitation avec une concentration en magnésium inférieure à 7%. Cependant, en restant dans la solution solide, le magnésium fournit un renforcement substantiel, en plus de l’excellente résistance à la corrosion et la soudabilité. Les résistances mécaniques dans l’état recuit s’étendent environ d’une résistance à la traction de 110MPa et de limite conventionnelle d’élasticité de 40 MPa pour l’alliage Al-1%Mg, à une résistance à la traction de 310 MPa et une limite conventionnelle d’élasticité de 160 MPa pour l’alliage Al6%Mg. Les alliages d’Al-Mg d’usage universel et structuraux contenant environ de l’ordre de 1% à légèrement plus de 5% en magnésium ont une utilisation commerciale très répandue. Les alliages contenant jusqu’à 3% en magnésium sont structurellement stables à la température ambiante et à des températures élevées. Au delà de ce pourcentage, des instabilités structurelles peuvent se produire. Les deux matériaux étudiés dans ce travail appartiennent à cette dernière catégorie. 

Les matériaux étudiés

Pour l’alliage AA5083-H116, les éléments d’alliage principaux sont le magnésium à 4,4%, le manganèse à 0,7% et le chrome à 0,15% en poids. L’alliage AA5083 peut également contenir des quantités mineures d’éléments tels que le fer, le cuivre et le zinc. La composition chimique du matériau étudié est donnée dans le tableau 3.1. Tableau 3.1: Composition chimique de l’AA5083. Mg Mn Zn Cr Ti Cu Fe Si 4.0 – 4.9 % 0.4 – 1.0 % < 0.25 % 0.05 – 0.25 % < 0.15 % < 0.1 % < 0.4 % < 0.4 % Il est important de noter que la quantité de magnésium est ici supérieure à 3% en poids, qui est le taux maximum retenu dans les solutions solides à température ambiante. Ceci conduit à des instabilités menant à une précipitation le long des joints de grain ou des plans de glissement. La corrosion sous contrainte est une conséquence probable dans les milieux corrosifs. Des précautions spéciales doivent être prises lors du laminage afin d’éviter ce problème, et la trempe H116 a donc été développée pour y remédier. La série d’AA5xxx est bien adaptée pour le laminage, et les tôles sont ainsi un produit important. Ces tôles sont traditionnellement utilisées dans les structures navales telles que les coques de bateau, où la bonne résistance à la corrosion de cette série fournit d’autres raisons pour ces applications marines où l’alliage AA5083 est fréquemment choisi. Cet alliage a également une haute résistance, comparé à la plupart d’autres alliages de la série AA5xxx. En plus de l’utilisation traditionnelle en bateaux et structures en mer, des panneaux en aluminium sont utilisés dans les secteurs où la minimisation du poids est souhaitable. Ainsi, une autre application pratique concerne les systèmes de protection légers, où la mobilité devient une question clé. Dans cette étude, les éprouvettes proviennent de différentes plaques élaborées à des épaisseurs différentes. Les propriétés mécaniques des différentes plaques diffèrent Chapitre 3 – Etude des instabilités propagatives dans les alliages d’aluminium AA5083- H116 et AA5182-O : moyens expérimentaux et essais réalisés 22 essentiellement par leur limite d’élasticité, comme le montre la figure 3.1 représentant les courbes contrainte vraie en fonction de la déformation plastique pour des essais de traction à température ambiante sur des éprouvettes prélevées parallèlement à la direction de laminage dans des différentes plaques de différentes épaisseurs. L’AA5083-H116 est un matériau anisotrope comme on peut le voir sur la figure 3.2. Cependant, la prise en compte détaillée de cette anisotropie ne fait pas l’objet de cette étude. L’étude est faite pour la direction de laminage et tous les essais sont effectués sur des éprouvettes dont la direction axiale correspondant au chargement correspond à cette direction de laminage. Nous présentons cependant quelques essais sur des éprouvettes cylindriques lisses qui ont été effectués dans les directions inclinées à 45° et 90° par rapport à la direction de laminage. Pour l’alliage AA5182-O, des feuillets d’alliage AA5182 sont produits laminés à chaud et à froid jusqu’à la dimension finale de 1.0 mm et finalement recuits (trempe d’O). Sa composition chimique en poids est donnée dans le tableau 3.2.