Composite élaboré à chaud (600°C) : Composite à trois phases

L’élaboration à 600°C a mené à l’apparition de la phase intermétallique Al5Fe2. D’après la Figure IV.9, il semble que ce soit dans les couches d’aluminium que se forment les intermétalliques et non dans celles d’acier ; Il est important de savoir comment les intermétalliques évoluent au cours du recuit qui suit un colaminage pour optimiser la gamme de transformation (température de colaminage et temps de recuit). La Figure IV.15, qui présente l’évolution du même échantillon avant et après recuit, montre clairement que la phase Al5Fe2 présente après colaminage à chaud, croît pendant le recuit à 600°C. Cette croissance s’observe particulièrement sur les interfaces fermées après colaminage, ce qui facilite la diffusion lors du recuit (Figure IV.15, flèches rouges). L’apparition et la propagation des

intermétalliques s’avèrent extrêmement hétérogènes puisqu’elles dépendent de l’adhésion initiale entre les couches qui est elle-même hétérogène.

Figure IV.15 : Cartographie MEB (BSE) dans le plan DL-DT sur (a) un échantillon élaboré à 600°C après 2 passes et (b) un échantillon élaboré à 600°C après 2 passes et recuit 10 min à

600°C

L’observation d’un profil chimique de l’aluminium et du fer (Figure IV.16) appuie les observations microstructurales : c’est le fer qui diffuse dans l’aluminium et non l’inverse. Effectivement, d’après [107], l’aluminium ne diffuse dans le fer que dans une plage allant de 730 à 1400°C donc au-dessus de la température utilisée et il doit donc surtout être en fusion. En revanche, le fer diffuse dans l’aluminium dans une plage de température allant de 520°C à la fusion de l’aluminium (≈660°C).

Figure IV.16 : Profil chimique de l'aluminium et du fer dans le composite pour ARB 2 à 600°C

Le replacement de l’aluminium par les intermétalliques risque d’augmenter la densité du composite. La Figure IV.17 montre effectivement, qu’en plus d’augmenter la masse volumique du composite avec le nombre de passes, le multi colaminage à 600°C conduit à un composite plus dense que celui élaboré à l’ambiante.

Figure IV.17 : Masse volumique du composite en fonction du nombre de passes à température ambiante et à 600°C

En effet, les intermétalliques, dont la densité (ρ(Al5Fe2) = 3962 kg. m-3) est comprise entre celle de l’Al6061 (ρ(Al6061) = 2700 kg. m-3) et de l’acier IF (ρ(Acier IF) = 7900 kg.m-3) contribuent à l’augmentation de la densité du composite. Une fois encore, l’ARB à chaud contrecarre l’allègement des structures obtenu par l’introduction d’aluminium dans le composite.

Quoiqu’il en soit, l’apparition d’intermétalliques Al5Fe2 pour des applications structurales est défavorable. Cette phase est en effet répertoriée comme étant néfaste car c’est une phase fragile, comme tous les aluminides de fer riches en aluminium (HV = 1050-110) [108, 109].

II.4Conclusion

Le multi-colaminage de composites formés d’Al6061 et d’acier IF a permis l’obtention de deux matériaux distincts suivant la température de mise en forme :

- À l’ambiante, le composite est constitué d’une matrice d’aluminium avec des renforts d’acier compte tenu de la forte différence de comportement mécanique des deux métaux. Cette architecture est très défavorable pour les propriétés mécaniques bien que les deux matériaux

s’écrouissent individuellement. L’aluminium joue en effet le rôle de maillon faible car il est seul à tenir la charge lorsque l’acier est fragmenté.

- À 600°C, une phase d’intermétallique Al5Fe2 apparaît lors du recuit. Cette phase se situe exclusivement dans les couches d’aluminium qu’elle remplace car seule la diffusion du fer dans l’aluminium est possible et non l’inverse. La fragmentation des couches d’acier est également observée ce qui mène à une chute de la limite d’élasticité mais qui reste plus élevée que celle obtenue pour les états initiaux et cela malgré la présence des intermétalliques.

Quelle que soit la température d’élaboration, la présente étude montre que l’augmentation du nombre de passes n’est ni favorable pour la résistance mécanique ni pour l’allégement du matériau. La densité augmente à cause de la déformation plus importante de l’aluminium et, pour l’élaboration à 600°C, à cause de la diffusion du fer dans l’aluminium créant une phase Al5Fe2 plus dense que l’aluminium.

III. Conclusion

Du fait de la différence d’élaboration entre les deux composites (l’ARB 1 du composite Al6061/Al5754 n’a nécessité qu’une passe alors que l’ARB0 du composite Al6061/Acier IF a nécessité un colaminage plus deux laminages), leur comparaison au niveau de la précocité de la fragmentation de la phase dure s’avère hasardeuse. Toutefois, quels que soient les composites multi-colaminés, si les matériaux n’ont pas les mêmes propriétés mécaniques, la striction puis la fragmentation de la phase dure ont lieu, particulièrement à température ambiante. Néanmoins, le multi-colaminage croisé permet de garder la stratification pour un plus grand nombre de passes. La fragmentation de la phase dure est très défavorable pour l’obtention de bonnes propriétés mécaniques ce qui a été vu pour le composite Al6061/Acier.

L’adhésion des couches des composites élaborés à l’ambiante est moins bonne que celle des composites réalisés en température. L’étude du multi-colaminage a permis l’observation de phénomène apparaissant aux interfaces exclusivement en température : la formation d’un réseau de grains continu (=grains interfaciaux) entre les deux alliages d’aluminium et la formation d’intermétalliques entre l’aluminium et l’acier. Cette dernière montre par ailleurs que l’élaboration à chaud des composites permet la diffusion des différents éléments. Si le composite d’aluminium tend vers le mélange des deux alliages qui le composent, le second tend vers un composite Acier/Al5Fe2.

Des problèmes de densification des composites ont également été mis en avant pour le composite Al6061/Acier IF à chaud. En effet, les composites ont une masse volumique qui augmente avec le nombre de passes de colaminage ce qui n’est évidemment pas recherché dans une optique d’allégement des structures.

CHAPITRE V :

SOUDABILITÉ ET CAPACITÉ