Effets de la température et domaine d’apparition de l’effet PLC

Pour chaque matériau, l’effet PLC n’existe en général que dans un domaine bien défini de vitesses de déformation et de températures. Pour déterminer ce domaine, les essais de la figure 4.1 ont été complétés par des essais à diverses températures. Une première série d’essais a été effectuée sur des éprouvettes cylindriques à la vitesse ε1=1,7 10x −3s−1 et aux températures T = 20°C, 100°C, 200°C, 300°C, 400°C et 500°C. Les réponses associées à cette série sont données sur la figure 4.2a et montrent qu’à cette vitesse, l’effet PLC disparaît au delà de 100°C puisque les courbes de traction obtenues ne présentent pas d’oscillations. D’autres séries d’essais ont suivi à -65°C, -50°C, -25°C, 0°C, 50°C, 70°C, 100°C, 150°C et 170°C à des vitesses diverses qui sont indiquées dans le tableau 3.7. Les figures 4.2b, 4.2c et 4.2d montrent les réponses obtenues à -25°C, -65°C et 100°C respectivement.

Dans la figure 4.2b, on observe une sensibilité négative à la vitesse de déformation pour les vitesses de déformation présentant cet effet, à savoir ε1=2,92 10x −5s−1, ε1=2,8 10x −3s−1 et

2 1 1 10x s

ε1= − − . Cette sensibilité devient positive à ε1=^{1 10}x −¹s−¹pour laquelle on observe effectivement la disparition de l’effet PLC. Dans les figures 4.2c et 4.2d, la sensibilité à la vitesse de déformation est négative dans la gamme étudiée. Notons cependant que dans le cas de la figure 4.2d, il n’y a pas de PLC à la plus haute vitesse.

L’ensemble des essais des tableaux 3.4, 3.6 et 3.7 et ceux cités ci-dessus permettent de déterminer approximativement le domaine d’apparition de l’effet PLC. Le domaine est traditionnellement représenté dans un diagramme (1/T, ε1 ) fourni en figure 4.3. Dans cette figure, tous les essais de traction sur éprouvettes lisses ont été reportés. Ils sont représentés par un point correspondant à la température et vitesse de déformation associés. Un symbole plein (bleu) indique que le phénomène PLC a été observé pour l’essai, un symbole creux (rouge) indique au contraire son absence. La frontière entre les symboles pleins (bleus) et les symboles creux (rouges) délimitent le domaine d’apparition du phénomène PLC. Cette frontière est indiquée en figure 4.3 où elle est représentée approximativement par les 3 segments de droite AB, AC et BD. Notons que la limite du domaine aux basses vitesses de déformation n’a pu être obtenue en raison de la durée longue des essais nécessaires. Seul un essai à ε1=10 s−7 −1 a été effectué à T = 20°C mais pour lequel le phénomène PLC a été observé.

L’existence ou non de l’effet PLC au cours d’un essai est généralement décidée au vu de la courbe contrainte-déformation par la présence des chutes de contrainte mais aussi par les indications des jauges ou extensomètres (allures en escalier associées aux bandes de déformation) mais surtout par la corrélation d’images et la thermographie lorsque cela est possible. On rencontre des difficultés surtout aux vitesses de déformation élevées ou aux basses températures.

A titre d’exemple et pour trois essais réalisés à 50°C à des vitesses de déformation de 1,15 ; 1,21 et 3,48 s-1, la figure 4.4a montre les réponses de l’extensomètre en fonction du temps alors que la figure 4.4b représente la contrainte vraie en fonction de la déformation plastique. Sur cette dernière figure, on peut observer clairement qu’à la vitesse de déformation la plus haute, il y a du PLC et qu’à la plus basse il n’y en a pas. En revanche, pour la vitesse

de déformation intermédiaire, il est plus difficile de conclure. L’observation des indications de l’extensomètre dans la première figure permet de dire qu’il y en a.

1 déformation T = -25°C (a) (b) T = 100°C T = -65°C (c) (d)

Figure 4.2: Effets de la température sur le comportement uniaxial de l’alliage AA5083-H116 : (a) à la vitesse ε1=1,7 10x −3s−1 et à différentes températures. Dans le domaine où l’effet PLC est observé, la rupture est brutale et s’opère en cisaillement. En dehors de ce domaine, la rupture devient ductile (Clausen et al., 2004) ; (b) à -25°C ; (c) à -65°C et (d) à 100°C pour différentes vitesses de déformation.

4.2.3 Sensibilité à la vitesse de déformation – Sensibilité instantanée et asymptotique

La sensibilité à la vitesse de déformation est une propriété importante pour les matériaux viscoplastiques. Elle revêt une dimension encore plus capitale quand il s’agit de matériaux présentant le phénomène Portevin-Le Châtelier, essentiellement parce qu’il est largement accepté qu’une sensibilité négative à la vitesse de déformation est une condition nécessaire pour l’apparition des instabilités associées à ce phénomène.

A ^B

C D

Figure 4.3: Domaine d’apparition de l’effet Portevin-Le Châtelier dans le diagramme (1/T, ε1 ) pour l’alliage AA5083-H116. Les symboles bleus indiquent l’observation du phénomène, les rouges le contraire. Ce domaine est approximativement défini par l’intérieur de la zone limitée par les segments AB, AC et BD. Vitesse de déformation Vitesse de déformation (a) (b)

Figure 4.4: (a) Réponses de l’extensomètre en fonction du temps pour trois essais à 50°C à des vitesses de déformation de 1.15, 1.21 et 3.48 s^-1 ; (b) Contrainte vraie en fonction de la déformation plastique pour les trois essais de la figure (a).

De l’ensemble des réponses effort-déplacement et contrainte-déformation présentées dans les figures 4.1, 4.2, 4.3, 4.4, on observe effectivement le caractère négatif de la sensibilité à la vitesse de l’alliage AA5083-H116 en ce sens que les réponses observées peuvent se trouver l’une en dessous de l’autre lorsque la vitesse de la sollicitation est augmentée.

La figure 4.5 montre la contrainte d’écoulement vraie à 1, 2, 5 et 10% de déformation vraie en fonction de la vitesse de déformation obtenue lors d’essais de traction réalisés sur des

éprouvettes plates et cylindriques (d = 3 et 6 mm) lisses. Les courbes montrent la sensibilité négative à la vitesse de déformation lorsqu’on est en présence de PLC (points bleus). Cette sensibilité devient positive en son absence (points rouges). Les résultats sont montrés à diverses températures pour les éprouvettes EPL : -65°C, -25°C, 25°C et 100°C (figures 4.5a, 4.5b, 4.5c et 4.5d, respectivement) et à la température ambiante pour les éprouvettes ECL (figures 4.5e et 4.5f).

La figure 4.6 montre la contrainte vraie à 1, 2, 5 et 10% de déformation vraie en fonction de la température pour des essais à une vitesse de déformation de 1,7x10^-3 s^-1 à des températures variant entre 25°C et 500°C. On observe que pour cette vitesse de déformation le PLC disparaît à partir de 100°C. De plus, les contraintes diminuent avec la température et à partir de 300°C, les contraintes vraies à 1, 2 et 5% sont pratiquement les mêmes.

Pour mieux aborder le problème de la sensibilité à la vitesse de déformation et distinguer entre son caractère instantané, son caractère transitoire et son caractère asymptotique, un essai avec sauts de vitesses a été réalisé et consiste en une traction sur une éprouvette plate lisse (EPL) à température ambiante, asservie en déplacement et où l’histoire du chargement imposé est une succession de vitesses de la traverse de la machine d’essais donnée par 0.012 mm/s → 1.2 mm/s → 0.012 mm/s → 1.2 mm/s → 0.12 mm/s → 12 mm/s → 0.12 mm/s → 12 mm/s (correspondant à une histoire de vitesses de déformation nominale sur l’éprouvette 10−4s⁻¹→ 10−2s⁻¹→ 10−4s⁻¹→ 10−2s⁻¹→ 10−3s⁻¹→ 10−1s⁻¹→ 10−3s⁻¹→ 10−1s⁻¹). Chaque portion de vitesse est imposée pendant 1% de déformation. La réponse globale pour cet essai est donnée en figure 4.7 où les différentes portions associées à des vitesses différentes peuvent être observées et en particulier aux différents instants où la vitesse de chargement est changée. Il est essentiel de remarquer justement qu’au début de chaque changement de vitesse, le matériau réagit « normalement » en ce sens que si on augmente la vitesse de chargement, l’effort a tendance à augmenter et si on la diminue, l’effort diminue. La sensibilité à la vitesse est donc positive, on dira alors que la sensibilité instantanée (immédiatement après le changement de sollicitation) est positive. Par la suite, l’effort peut diminuer (ou augmenter) selon que la vitesse de sollicitation est augmentée (ou diminuée). Dans le cas où la vitesse est augmentée lors du saut, si l’effort ou la contrainte observés asymptotiquement sont inférieurs à ceux du premier niveau, alors la sensibilité ultérieure (asymptotique) est négative. C’est le cas lors du premier saut dans la figure 4.7.

L’essai avec sauts réalisé est intéressant à d’autres égards car il permet de voir d’autres phénomènes. En plus de la relaxation consécutive à chaque saut de vitesse, on voit aussi qu’après cette relaxation, l’effort ou la contrainte peuvent augmenter.

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

Figure 4.5: Evolution de la contrainte vraie à 1, 2, 5 et 10% de déformation avec la vitesse de déformation montrant une sensibilité négative à la vitesse de déformation dans le domaine PLC et une sensibilité positive en dehors de ce domaine : (a) Eprouvette EPL à 65°C ; (b) Eprouvette EPL à -25°C ; (c) Eprouvette EPL à -25°C et (d) Eprouvette EPL à 100°C ; (e) Eprouvettes ECL (diamètre 3mm) à 25°C ; (f) Eprouvettes ECL (diamètre 6 mm) à 25°C.

Figure 4.6: Evolution de la contrainte vraie à 1, 2, 5 et 10% de déformation avec la température observée pour des essais de traction à une vitesse de déformation de 1,7x10-3 s-1.

4 1 10 s− − 4 1 10 s− − 2 1 10 s− − 2 1 10 s− − 3 1 10 s− − 3 1 10 s− − 1 1 10 s− − 10 s−¹ −¹

Figure 4.7: Essai de traction avec sauts de vitesses de déformation sur une éprouvette plate lisse (EPL51) à chaque 1% de déformation.

4.2.4 Effets de l’anisotropie du matériau

Comme on l’a indiqué au chapitre 3, l’alliage AA5083-H116 est par son mode d’élaboration anisotrope. L’étude détaillée de cette anisotropie plastique est en dehors du cadre de ce travail. Néanmoins, nous avons réalisé, pour compléter les essais de traction effectués dans la direction de laminage (0°) et répertoriés dans le tableau 3.4, des essais de

traction sur des éprouvettes cylindriques lisses (ECL) prélevées dans les directions à 45° et 90° par rapport à la direction de laminage. Les réponses du matériau observées au cours de ces essais à 4 vitesses de déformation différentes sont présentées dans les figures 4.8a et 4.8b. La figure 4.8c compare ces réponses dans les trois directions étudiées (0°, 45° et 90°) à la même vitesse de déformation ε1=3,33 10x −4s−1. Ces figures montrent des tendances identiques dans les trois directions à priori.

Vitesse de déformation nominale Eprouvettes cylindriques lisses (ECL) ECL09 ECL10 ECL11 ECL12 Vitesse de déformation nominale Eprouvettes cylindriques lisses (ECL) ECL05 ECL06 ECL07 ECL08 (a) (b) (c)

Figure 4.8: Effet de l’anisotropie du matériau sur l’effet Portevin-Le Chatelier. (a) Traction à 45° de la direction de laminage; (b) Traction à 90° de la direction de laminage ; (c) Comparaison des réponses en traction dans les trois directions 0°, 45° et 90° à la vitesse de déformationε1=3,33 10x −4s−1.