L’alliage d’aluminium Al-Cu-Li 2198-T8.

Ce premier chapitre permet d’introduire le matériau de l’étude, l’alliage d’aluminium Al-Cu-Li 2198-T8, et de présenter le procédé de soudage par friction-malaxage (FSW). Les caractéristiques mécaniques du joint soudé sont étudiées et sont comparées aux propriétés du métal de base. Les modélisations réalisées dans la littérature, de l’alliage d’aluminium et du gradient de comportement mécanique du joint soudé, sont présentées. Enfin, on s’intéressera aux résultats de tenue en fatigue de structures soudées par FSW et à la fissuration des soudures.L’alliage d’aluminium 2198, est issu de la famille commerciale AIRWARE, produite par Constellium [1]. C’est un alliage de troisième génération à durcissement structural caractérisé par un ajout de lithium (1% maximum) qui permet un gain à la fois au niveau de la densité du matériau que de ses propriétés mécaniques. La limite de 1% de lithium lui confère aussi une meilleure stabilité thermique et une meilleure ténacité [2] par rapport aux alliages de deuxième génération. Sa composition chimique est donnée dans le tableau ci-dessousgénéralement appliqués en plusieurs étapes ([4], [5] et [116]) (Figure 1.3). Tout d’abord, la mise en solution permet de remettre en solution les éléments d’alliage dans la matrice par une élévation de la température jusqu’au domaine monophasé. La mise en solution est suivie d’une trempe, qui consiste à refroidir rapidement l’alliage afin d’empêcher la décomposition de la solution solide. La trempe permet entre autres de piéger les lacunes stables à haute température dans une solution solide sursaturée en solutés. Dans le cas d’un traitement thermique comportant seulement une mise en solution et une trempe, on parle alors de traitement T3. Après la trempe, intervient la maturation à température ambiante. La solution solide sursaturée qui est dans un état métastable va « chercher à revenir » vers un état d’équilibre plus stable. Dans le cas des alliages d’aluminium, la maturation s’accompagne de la formation de petits amas d’atomes de soluté nommés zones de Guinier-Preston (zones GP). Ces amas sont formés à partir des éléments d’addition (Figure 1.4).

GÉNÉRALITÉS ET PROBLÉMATIQUE.

Enfin, dans de nombreux cas, après la maturation il est nécessaire d’effectuer un vieillissement artificiel. Il s’agit d’un traitement thermique dit de revenu durant lequel on maintient l’alliage à une température intermédiaire pendant une durée déterminée, afin de contrôler la décomposition de la solution solide sursaturée. Durant le revenu, il y a dissolution des zones GP puis précipitation de nombreuses particules très fines selon une séquence plus ou moins complexe en fonction des alliages. Ces précipités sont des composés intermétalliques qui ont pour rôle de durcir l’alliage d’aluminium. Pour un traitement thermique comportant une mise en solution, une trempe et un revenu, on parle alors de traitement T8. Cependant, un vieillissement artificiel mal contrôlé peut conduire à un sur-revenu qui se traduit par un adoucissement de l’alliage du fait, soit du grossissement des précipités de grosse taille au détriment des précipités de petite taille, soit de l’augmentation de la taille des grains. S’il est contrôlé, cet adoucissement peut être souhaité, car il permet d’augmenter la ductilité de l’alliage. Il est possible d’introduire une étape d’écrouissage par étirage après la trempe. Cet écrouissage peut permettre de modifier la cinétique et la distribution de la précipitation lors du revenu pour augmenter la résistance mécanique de l’alliage. 1.1.3 Phases en présence dans le métal Les principaux précipités durcissants (dont la taille varie entre quelques nm et 0,05 µm) sont les précipités T1 (Al2CuLi) [8] [9]. Ces précipités ont été découverts par Hardy et Silcock en 1955 [10]. Cette phase durcissante de l’alliage 2198 apparaît lors d’un écrouissage entre la trempe et le revenu. La précipitation s’effectue sur les dislocations et les joints de grains. Elle se présente sous la forme de plaquettes sur le plan {100} du matériau (Figure 1.5 a) et sous la forme d’aiguilles sur les plans {111} (Figure 1.5 b).

Les nouveaux alliages à base de cuivre et de lithium ont pour principal atout d’être plus légers que les alliages d’aluminium actuellement utilisés tels que le 2024 [12]. Les valeurs issues de la littérature semblent montrer qu’ils ont également de meilleures propriétés mécaniques en traction. En effet, la comparaison entre le 2198 à l’état métallurgique T8 et le 2024 à l’état T3, montre une limite élastique moyenne de 456 MPa pour le 2198-T8 (direction de laminage L) et de 398 MPa pour le 2024-T3, soit environ 13 % plus faible. Il faut noter que l’état d’utilisation standard de l’alliage 2024 est l’état T3 car il possède une meilleure résistance à la corrosion qu’à l’état T8. La contrainte à la rupture moyenne du 2198-T8 est aussi supérieure à celle de l’alliage 2024-T3. Cependant, ce dernier possède des allongements légèrement supérieurs à ceux qui sont mesurés sur le 2198-T8. permettent de faire varier uniformément la géométrie de la surface de charge. Chacune des contraintes équivalentes est calculée en appliquant au tenseur de contrainte macroscopique un tenseur symétrique d’ordre quatre comportant six coefficients de Lankford. Cela fait douze coefficients qui permettent de reproduire l’anisotropie plastique du matériau. On a donc successivement : contraintes perçues par la structure soient inférieures à la limite élastique du matériau. On appelle cela un endommagement par fatigue. Cet endommagement se réalise généralement en trois étapes, l’amorçage de fissure, puis la propagation d’une petite fissure et enfin la propagation d’une grande fissure qui mène à la rupture de la structure. Dans le cas d’une structure métallique et de tôles laminées d’épaisseur très faible pour cette étude, la propagation de fissure est très rapide, voire il n’y a pas de propagation mais plutôt un arrachement de la structure. Ainsi, on s’intéressera principalement dans ces travaux à l’amorçage de fissure. Au cours de son cycle de vie, une structure est soumise à des sollicitations périodiques, souvent représentées sous forme sinusoïdale (Figure 1.10). Cette figure permet de définir.