Le cuivre Cu-c2

Ce chapitre présente le matériau employé durant ces travaux de rapport. La première partie traite de ses propriétés physiques et métallurgiques telles que disponibles dans la littérature mais également des mesures complémentaires réalisées sur les éprouvettes d’essais. La seconde partie est une étude de l’usinabilité de ce matériau visant à justifier le choix des paramètres opératoires de l’étude. La partie expérimentale de cette étude a été réalisée sur un matériau unique. Afin de simplifier la modélisation, le matériau d’étude devait être monophasé et ne devait pas faire l’objet de transformations de phases. Le choix s’est porté sur le cuivre pur, matériau de structure cubique à faces centrées (CFC). La nuance choisie est composée au minimum de 99.99% de cuivre, soit un total d’impuretés inférieur à 100 ppm, exempte d’oxygène et de haute conductivité électrique (101% IACS à 20 ‰ à l’état recuit). Cette nuance est désignée par Cu-c2 en France mais se trouve également sous l’appellation Cu-OFE (internationale ISO), Cu-OFHC, C1011 (Japon), C110 (GB) ou C10100 aux USA (Deutsches Kupferinstitut, 2005).fage prolongé peut sérieusement le contaminer et par conséquent le fragiliser. La structure CFC procure une grande capacité de déformation à froid et une exceptionnelle plasticité. Si la plupart des propriétés mécaniques des alliages de cuivre, telles que la résistance mécanique et la limite élastique, se dégradent avec l’augmentation de la température, entraînant principalement une baisse de ductilité, celles du Cu-c2, et a fortiori du cuivre pur, restent pratiquement inchangées. Le Cu-c2 de cette étude a été approvisionné sous forme de barre de diamètre 90 mm ayant subi un recuit à 400 ‰ pendant 2 heures. La taille moyenne des grains est de 66 µm, avec un écart-type de de 32 µm (figure 3.1).

Une analyse de la dureté réalisée sur plusieurs échantillons a révélé un certain nombre d’hétérogénéités. La dureté Brinell (AFNOR, 2005) est une dureté macroscopique. Elle est souvent utilisée à titre indicatif pour caractériser rapidement un matériau dans des conditions où un état de surface brut d’usinage est suffisant. Le pénétrateur est une bille de carbure de tungstène de diamètre 2.5 mm, la charge est de 62.5 kgf. Des indentations, dont les résultats sont donnés sur la figure 3.2, ont été réalisées sur un rayon complet du disque et répétées 4 fois. La dureté moyenne mesurée est de 52.65 HRB et l’étendue moyenne de la distribution est de 3.5 HRB. En se référant au tableau 3.1, cette dureté peut être considérée comme élevée et témoigner d’un écrouissage initial relativement important. Cependant la distribution est parfaitement aléatoire et aucune tendance permettant d’expliquer une quelconque évolution de la dureté en fonction du diamètre n’est à noter.a été réalisée. Le pénétrateur Vickers est un diamant taillé en forme depointe pyramidale à base carrée d’angle 136° entre ses faces. Les échantillons sont prélevés sur un disque provenant de l’extrémité de la barre, noté A sur la figure 3.3, et un disque prélevé au centre de la barre, noté B. Si la microdureté reste constante le long du diamètre pour l’éprouvette prélevée à l’extrémité de la barre (figure 3.4), elle augmente en s’approchant du cœur pour une éprouvette prélevée au centre de la barre (figure 3.5). Afin de niveler ces écarts, un nouveau traitement thermique a été appliqué aux éprouvettes. Pour ne pas altérer les propriétés mécaniques du matériau, la température de recuit ne doit pas excéder 200 ‰ comme l’indique la figure 3.6. La durée du recuit ne doit pas être trop importante car elle influe sur la température de recristallisation et la dureté du matériau.

Le cuivre étant un excellent conducteur thermique, les vitesses de chauffage et de refroidissement ont une influence négligeable sur le matériau pur. Un recuit sous azote à 150 ‰ appliqué durant 1 heure, dont le cycle est donné en annexe C, a permis d’homogénéiser la dureté mais l’a divisée par deux comme l’indique la figure 3.7. Cette valeur de dureté correspond aux valeurs données dans la littérature concernant le cuivre à l’état recuit telles que rappelées dans le tableau 3.1., le Cu-c2 a pour indice 20 d’après la Copper Development Association, ce qui le classe dans le groupe C des alliages à usinabilité modérée à difficile. Ce classement est en particulier lié à la génération de copeaux continus, fortement écrouis et ductiles, propre à ce matériau. L’usinabilité peut être améliorée par un écrouissage important du matériau avant usinage afin de limiter l’énergie nécessaire à la formation du copeau. Les cuivres recuits sont à l’origine de refus de coupe lors de la prise de passe — passage de h = 0 à h nominal — ce qui peut provoquer une déformation plus ou moins importante de la pièce usinée.