Comportement m´ecanique des alliages d’aluminium ´etudi´es

Afin de caract´eriser le comportement m´ecanique des alliages d’aluminium pr´esent´es dans le chapitre 2, des essais de traction uniaxiale sont r´ealis´es sur des ´eprouvettes pr´elev´ees dans plusieurs directions par rapport `a la direction de laminage de la tˆole.

4.1.1.1 Moyens d’essais et de mesures

Une machine d’essais ´electrom´ecanique de traction INSTRON 5800, pr´esent´ee sur la figure 4.1 (a), est utilis´ee. Une cellule de force de gamme 0-30 kN est positionn´ee sur la traverse sup´erieure. Les mors utilis´es pour maintenir l’´eprouvette sont des mors plats.

Un extensom`etre INSTRON de base 12.5 mm et d’allongement maximal ´egal `a 5 mm est utilis´e.

En outre, le banc st´er´eoscopique d´ecrit dans le chapitre 2 est ´egalement positionn´e devant la machine afin de pouvoir acqu´erir des champs de d´eplacements ou de d´eformations. Ainsi la mesure de d´eformations fournie par l’extensom`etre peut ˆetre compar´ee `a la mesure de d´eformations obtenue par st´er´eo-corr´elation d’images. La corr´elation d’images offre la possibilit´e de calculer un champ de d´eformations contrairement `a la mesure fournie par l’extensom`etre qui demeure globale. Cependant, il est possible d’extraire par moyennage du champ de d´eformations obtenu,

(a) (b)

Figure _{4.1 − Machine d’essais ´electrom´ecaniques de traction INSTRON 5800 (a), et pr´esentation} de l’AOI de l’´eprouvette (b)

une mesure globale que l’on peut comparer `a celle donn´ee par l’extensom`etre. La figure 4.2 pr´esente la courbe d’´ecrouissage obtenue sur l’alliage 2024-T3 dans la direction de laminage. Elle repr´esente l’´evolution de la contrainte vraie en fonction de la d´eformation logarithmique obtenue `a partir de la mesure de l’extensom`etre d’une part et par la corr´elation d’images d’autre part. La bonne superposition de ces deux courbes permet de valider ces deux types de mesures. De plus, la corr´elation d’images est un moyen de mesure sans contact qui permet d’obtenir les d´eformations longitudinales et transverses, ce qui ´evite l’utilisation d’un deuxi`eme extensom`etre dont le positionnement est plus d´elicat.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Déformations logarithmiques en % Contraintes en MPa

mesurées par Vic 3D mesurées par l extensometre

Figure _{4.2 − Comparaison des d´eformations mesur´ees par Vic-3D et par l’extensom`etre dans le} domaine ´elasto-plastique lors d’un essai de traction sur l’alliage 2024-T3

4.1. ETUDE EXP´ERIMENTALE

Pour chaque essai, la taille de la fenˆetre de corr´elation est de 21 pixels soit une r´esolution spatiale sur les d´eplacements de 0.8 mm et une ZCε (Zone de Calcul des D´eformations) de 25 pixels soit une r´esolution spatiale sur les d´eformations de 0.95 mm, pour un grossissement de 0.038 mm par pixel. Les essais sont r´ealis´es avec une vitesse de d´eplacement de la traverse sup´erieure (la traverse inf´erieure ´etant fixe) de 2 mm.min−1. La figure 4.1 (b) pr´esente l’AOI de l’´eprouvette dont les dimensions sont de 37.0 × 12.4 mm2_.

Afin d’´etudier l’anisotropie du mat´eriau, des essais sont effectu´es sur des ´eprouvettes pr´elev´ees dans diff´erentes directions de la tˆole. L’angle d´efinit par la direction de laminage et la direction de pr´el`evement des ´eprouvettes, illustr´e par la figure 4.3, est not´e α. Ainsi l’angle 0° correspond `

a la direction de laminage et 90° au sens transverse. Cinq directions interm´ediaires (15°, 30°, 45°, 60° et 75°) sont ´egalement ´etudi´ees.

Figure _{4.3 − Repr´esentation de l’angle d´efini par la direction de laminage et la direction de} pr´el`evement des ´eprouvettes

4.1.1.2 Pr´esentation des r´esultats des essais de traction

Une premi`ere analyse des courbes repr´esentant la contrainte vraie en fonction de la d´efor- mation vraie (logarithmique) pr´esent´ees sur la figure 4.4 permet de d´eterminer des grandeurs caract´eristiques comme le module d’´elasticit´e (E), la limite d’´elasticit´e conventionnelle (Rp0.2), la

contrainte avant striction (Rm) ou l’allongement `a la rupture (A%). Les d´eformations pr´esent´ees

sont mesur´ees par corr´elation d’images. Les r´esultats pr´esent´es sur la figure 4.4 sont obtenus `

a partir d’essais de traction r´ealis´es dans le sens de laminage et comparent les trois alliages d’aluminium ´etudi´es.

Les tableaux 4.1 `a 4.3 pr´esentent les r´esultats obtenus pour les diff´erentes nuances d’alliages d’aluminium ´etudi´es. Pour les alliages 2024-T3 et 5086-H111, deux s´eries d’essais ont ´et´e r´ealis´ees. Les r´esultats pr´esent´es ici sont donc les moyennes des valeurs des deux essais, l’ensemble des r´esultats sont pr´esent´es en annexe. Une seule s´erie d’essais a ´egalement ´et´e r´ealis´ee pour l’Al-Li. Concernant l’alliage 2024-T3 (cf. tableau 4.1), le module d’Young moyen est de 73.5 GPa avec un ´ecart-type de 1.17, le comportement ´elastique est donc consid´er´e isotrope. Il est ind´ependant de la direction de pr´el`evement des ´eprouvettes contrairement `a la limite ´elastique Rp0.2 et `a la

limite avant striction Rm. L’allongement `a la rupture moyen est de 21.5 % pour un ´ecart-type

de 0.5 %. Ces r´esultats conf`erent au mat´eriau un caract`ere anisotrope dans le sens o`u le seuil de plasticit´e est d´ependant de la direction de pr´el`evement des ´eprouvettes ´egalement appel´ees direction d’anisotropie. En revanche, l’´evolution de la plasticit´e (loi d’´ecrouissage) peut ˆetre

0 5 10 15 20 0 100 200 300 400 500 600 Déformations logarithmiques en %

Contraintes vraies en MPa

EN AW−2024T3 EN AW−5086H111 Al−Li

Figure _{4.4 − Contraintes vraies en fonction des d´eformations logarithmiques mesur´ees par Vic 3D} dans la direction de laminage pour les diff´erents alliages d’aluminium ´etudi´es

direction

d’anisotropie 0° 15° 30° 45° 60° 75° 90° moyenne ´ecart-type

E (GPa) 73 75 72 74 72 74 74 73.5 1.17

Rp0.2 (MPa) 325 316 313 297 305 295 296 306.9 13.39

Rm (MPa) 549 538 540 540 525 538 536 538.0 6.74

A (%) 21.6 20.9 22.1 22.5 20.9 21.8 21.1 21.55 0.549

Tableau_{4.1 − Propri´et´es m´ecaniques du 2024-T3}

consid´er´ee comme ind´ependante de la direction d’anisotropie, elle est donc consid´er´ee comme isotrope. L’´evolution de la contrainte en fonction de la d´eformation pour les sept essais (0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75° et 90°) au cours d’un essai de traction est pr´esent´ee en annexe (cf. figure 6.31).

direction

d’anisotropie 0° 15° 30° 45° 60° 75° 90° moyenne ´ecart-type

E (GPa) 70 69 70 71 69 70 72 70.1 0.88

Rp0.2 (MPa) 134 136 131 133 128 133 137 133.4 2.93

Rm (MPa) 365 369 363 364 355 366 370 364.7 5.01

A (%) 24.4 24.6 24.5 24.8 24.5 25.1 24.1 24.54 0.331

Tableau _{4.2 − Propri´et´es m´ecaniques du 5086-H111}

En revanche, les r´esultats du tableau 4.2 montrent que l’alliage 5086-H111 pr´esente un com- portement ´elasto-plastique isotrope car sa limite d’´elasticit´e est proche dans toutes les directions, 133.4 MPa pour un ´ecart-type de 2.93. Sa ductilit´e est sup´erieure `a celle du 2024-T3 tandis que sa limite ´elastique et son module d’´elasticit´e sont inf´erieurs. La diff´erence entre ces propri´et´es explique en partie la meilleure formabilit´e du 5086-H111 observ´ee dans le chapitre 3. L’´evolution de la contrainte en fonction de la d´eformation pour les sept essais (0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75° et 90°) au cours d’un essai de traction est pr´esent´ee en annexe (cf. figure 6.32).

Comme pour l’alliage 2024-T3, les r´esultats du tableau 4.3 mettent en avant le comporte- ment ´elastique isotrope de l’alliage Al-Li et un comportement plastique anisotrope. Ce mat´eriau poss`ede la limite ´elastique la plus importante, n´eanmoins, son allongement `a la rupture est tr`es

4.1. ETUDE EXP´ERIMENTALE

direction

d’anisotropie 0° 15° 30° 45° 60° 75° 90° moyenne ´ecart-type

E (GPa) 74 72 75 71 75 69 73 72.7 2.21

Rp0.2 (MPa) 546 486 452 491 504 553 551 526 30.93

Rm (MPa) 582 552 520 536 556 580 580 558 24.19

A (%) 3.0 4.0 5.1 4.1 5.4 3.3 3.8 4.1 0.879

Tableau _{4.3 − Propri´et´es m´ecaniques de l’Al-Li}

faible (A=4.1 %), ce mat´eriau est tr`es peu ductile. Son module d’´elasticit´e de 72.7 GPa demeure plus faible que les donn´ees obtenues dans la litt´erature (E=80 GPa) [DEV 92]. L’´evolution de la contrainte en fonction de la d´eformation pour les sept essais (0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75° et 90°) au cours d’un essai de traction est pr´esent´ee sur la figure 4.5.

0 1 2 3 4 5 6 0 100 200 300 400 500 600 Déformations logarithmiques en %

Contraintes vraies en MPa

0° 15° 30° 45° 60° 75° 90°

Figure _{4.5 − Courbes contraintes-d´eformations lors des essais de traction dans sept directions de} pr´el`evement pour l’Al-Li

L’analyse des limites d’´elasticit´e permet de connaˆıtre le comportement du mat´eriau (isotrope ou anisotrope), cependant une autre m´ethode existe permettant de caract´eriser le comportement des tˆoles. Elle concerne l’´etude des cœfficients d’anisotropie.