Evolutions microstructurales

Influence de la température, de la vitesse et du taux de déformation Nous avons vu dans le paragraphe I.4 que l’évolution de la microstructure dépendait des paramètres thermomécaniques qui sont la température ainsi que la vitesse et le niveau de déformation. Nous avons donc fait varier ces grandeurs et observer les différences de microstructure qui en résultaient.

Influence du taux et de la vitesse de déformation

Différentes zones ont été observées dans les pièces. Les zones les plus déformées ont recristallisé tandis que les moins déformées ont été écrouies et enfin il existe un stade intermédiaire avec des zones sous-structurées. Un exemple d’une zone recristallisée et d’une zone peu déformée sont présentés figure IV.1. Les couleurs sur les cartographies EBSD représentent l’orientation de la maille cristalline au sein du matériau pour chaque point. La figure IV.2 est la légende qui relie les couleurs aux orientations. Cette légende sera la même pour toutes les cartographies EBSD de cette thèse. Nous n’avons pas d’orientation de déformation privilégiée dans notre cas et lors de la recristallisation la microstructure ne présente pas de texture marquée (figure IV.14). Les cartographies EBSD sont donc principalement utilisées pour différencier les différents types de microstructures rencontrées (écrouie, sous-structurée et recristallisée) ainsi que la taille caractéristique de ces structures (taille de grains). Pour bien lire ces cartographies, il faut comprendre que les particules de silicium ont une maille cristalline similaire au cristal d’aluminium (CFC) avec un paramètre de maille proche. Le logiciel d’acquisition n’arrive donc pas à les différencier. Ces particules de silicium prennent donc la forme de petites sphères de 1 à 5 m de diamètre. Elles sont donc assez faciles à différencier de l’aluminium du fait de leur petite taille par rapport à la taille de grains. Sur la figure IV.1a, nous pouvons voir une zone très déformée proche de la bavure au sein d’un échantillon issu d’une pièce de type B8. La microstructure est recristallisée à 100%, la structure dendritique des eutectiques de silicium n’est plus observable du fait d’un cisaillement important. La pression de Zener (Zener pinning) qui est une force qui bloque l’avancée des joints de grains par les précipités ne semble pas prépondérante. En effet, si cette force avait un impact majeur, on trouverait un grand nombre de précipités aux joints de grains. Les précipités de silicium sont surement trop gros et trop éloignés les uns des autres pour que l’effet soit marqué. D’autre part, la figure IV.1b représente une zone peu déformée du B8. Nous pouvons y voir les grains de fonderie qui ont une forme qui suit les dendrites et qui présente peu d’écrouissage et de sous-structuration. Cette figure nous sert d’introduction pour montrer qu’au sein d’une même pièce nous pouvons rencontrer des microstructures différentes et qu’il faudra donc être attentif aux zones étudiées.

 Influence de la température 

Comme nous avons pu le voir dans le paragraphe I.4.2, un des moyens de faire varier le paramètre de Zener-Hollomon et donc la microstructure est de modifier la température de préforme. Des essais de frappes d’éprouvettes de fatigue à différentes températures ont donc été effectués. La plage de température étudiée était assez large allant de 350°C à 540°C. Nous avons fait des observations de la peau et surtout du cœur de ces éprouvettes par microscope optique et par EBSD. La zone d’observation dans les éprouvettes est indiquée figure IV.4 et les résultats les plus intéressants sont présentés figure IV.5. Les cartographies EBSD du cœur de l’éprouvette illustrent bien l’influence de la température de préforme au moment de la frappe avec des microstructures très différentes. Pour rappel, les éprouvettes ont été forgées à la température indiquée, 350°C, 450°C, 540°C. Elles ont ensuite été refroidies à l’air puis ont subi un traitement thermique T6 avec mise en solution à 540°C pendant 5h20, trempe et revenu à 155°C pendant 6h20. La microstructure observée est par conséquent le résultat d’une succession de traitements thermomécaniques. Elle a d’abord été modifiée par la déformation à haute température puis a pu évoluer pendant le refroidissement à l’air et enfin des phénomènes de restauration, recristallisation ont eu lieu pendant la mise en solution à 540°C. Nous avons choisi d’étudier la microstructure finale car c’est celle qui importe pour la tenue mécanique des pièces. Il aurait été intéressant d’observer son évolution entre les différentes étapes mais nous avons pris la décision de ne pas nous attarder sur ce sujet qui pourrait faire l’objet de futures recherches. Des essais de mise en solution à 540°C avant la frappe afin d’éviter la recristallisation durant cette étape ont été effectués. La trempe qui se déroulait après l’étape de forge n’était pas suffisamment rapide pour être optimale et les propriétés mécaniques étaient par conséquent diminuées. Nous avons donc abandonné cette solution.

Différences de microstructure entre la peau et le cœur des pièces cobapressées 

Nous avons vu dans le chapitre précédent que la peau avait une histoire thermomécanique particulière. Nous avons donc observé les différences entre cette peau et les autres zones de la pièce. Les observations en lumière polarisée après oxydation anodique n’ont pas été très satisfaisantes. En effet, les principales évolutions de microstructure sont des restaurations avec formation de sous-grains qui sont difficiles à observer avec cette technique. Nous avons donc choisi d’utiliser l’EBSD. La figure IV.9 montre la section de B8 étudiée en simulation avec les différentes zones observées. La figure IV.10 montre les cartographies obtenues par EBSD.Nous pouvons voir sur la figure IV.10 que chaque zone a une microstructure particulière. Nous pouvons ainsi vérifier la corrélation entre la déformation prédite par la simulation et la microstructure engendrée. Le cœur, figure IV.10a, montre une sous-structuration marquée avec quelques grains recristallisés. La peau supérieure, figure IV.10b, présente une zone recristallisé à grains fins (de l’ordre de 50 m) sur environ 250 m de profondeur, 200 m supplémentaires sont affectés avec une sous-structure marquée. Pour une profondeur supérieure à 450 m la matière semble moins affectée. Cette observation corrobore bien la thèse de la déformation locale engendrée par la rugosité de surface et le frottement que nous avons modélisé dans le chapitre précédent. La figure III.16 montre en effet que la déformation en peau est assez importante sur les 500 premiers microns et qu’elle diminue fortement pour des profondeurs plus importantes. La peau inférieure, figure IV.10c, est quant à elle uniquement sous-structurée sur une profondeur d’environ 400 m aussi. Nous pouvons voir sur la figure IV.9 que cette zone a un taux de déformation légèrement inférieur à la peau supérieure. La déformation critique qui permet la recristallisation ne doit donc pas être atteinte. Enfin, la peau latérale, figure IV.10d, montre une zone recristallisée d’assez faible épaisseur (environ 150 m) qui doit être due aussi à la rugosité et au frottement. Plus en profondeur, le matériau est beaucoup moins déformé, ce qui correspond aux résultats de simulation, figure IV.9. En résumé, les observations reflètent bien la microstructure attendue suite aux résultats de modélisation. Nous avons cependant pu mettre en évidence que la peau n’avait pas toujours exactement la même microstructure, recristallisée à grains fins ou sous-structurée. Ces types de structures doivent cependant être tous les deux bénéfiques aux propriétés mécaniques.