Essais ` a l’´etat solide

Les essais `a l’´etat solide permettent d’obtenir des lois de comportement d´ecrivant

la r´eponse d’un solide `a une sollicitation impos´ee. Il en existe plusieurs type afin de

diff´erencier les sollicitations m´ecanique et ainsi en d´eduire diff´erentes propri´et´es du mat´eriau.

Une liste non exhaustive pourrait contenir principalement les essais de compression, de

traction ou encore de cisaillement.

1.6.2.1 Compression simple

Une loi de comportement du mat´eriau `a chaud peut ˆetre d´etermin´ee par compression

avec sauts de vitesses de d´eformation. Un exemple de ce proc´ed´e a ´et´e r´ealis´e par

Brac-cini [BracBrac-cini, 2000] pour des vitesses de d´eformation allant de 10

−4

`a 10

−2

s

−1

et des

temp´eratures comprises entre 515˚C et 565˚C (soit 0.89≤ ^T

T

s

≤0.99). Cela permet

d’ex-traire des valeurs de sensibilit´e de la contrainte `a la vitesse de d´eformation (`a partir des

sauts de vitesses de d´eformation (voir figure 1.47)), et d’´energie d’activation (grˆace aux

diff´erentes temp´eratures d’essai).

Figure 1.47 – Courbe de contrainte en fonction de la d´eformation lors d’un essai de compression sur un alliage Al-4.5pds.%Cu [Braccini, 2000]

1.6.2.2 Essai de traction

Les essais de traction `a chaud sont largement utilis´es pour caract´eriser le comportement

des mat´eriaux m´etalliques. Notamment, Mostafa et El-Sayed [Mostafa et al., 2009] ont

r´ealis´e des essais de traction sur un alliage Al-1pds.%Cu dans un intervalle de temp´erature

se situant entre 280 et 400 ˚C (soit 0.31 ≤ ^T

T

_s

≤ 0.62). L’alliage utilis´e a ´et´e trait´e

ther-miquement de mani`ere `a obtenir des pr´ecipit´es θ. Un refroidissement tr`es lent `a partir

de 420 ˚C permet de parvenir `a cette microstructure. Pour les temp´eratures test´ees, le

coefficient de sensibilit´e de la vitesse de d´eformation `a la contrainte varie de 0.2 `a 0.42

lorsque la temp´erature augmente, caract´erisant un m´ecanisme de d´eformation par

glisse-ment des dislocations contrˆol´ee par leur mont´ee. L’´energie d’activation trouv´ee ´etait celle

1.6 Caract´erisation de la phase solide `a chaud

d’un m´ecanisme de diffusion aux joints de grains. Des essais sur des alliages d’aluminium

`

a 2.2 et 4.2 pds.%Cu ont aussi montr´e un n= 4.6 pour des valeurs de contraintes entre

4 et 10 MPa sur des ´echantillons sollicit´es en traction [Soliman, 1995]. Dans ce cas les

´echantillons ´etaient dans le domaine monophas´e α grˆace `a une mise en solution in situ

r´ealis´ee au pr´ealable.

1.6.2.3 Essais de cisaillement

Les essais de cisaillement plan peuvent ˆetre en cisaillement simple ou double. Le nombre

de plans de cisaillement d´etermine le type de l’essai. Un exemple de montage est montr´e

figure 1.48. Ce type d’essai peut servir `a ´etudier le fluage d’un mat´eriau, comme l’a fait

Soliman [Soliman, 1995] sur des alliages Al-2pds.%Cu et Al-3pds.%Cu `a 540˚C. Dans cet

essai l’´echantillon est soumis `a une contrainte de cisaillement induite par le d´eplacement

de deux mors lat´eraux. Les auteurs ont calcul´e un coefficient de sensibilit´e de la vitesse

de d´eformation `a la contrainte de n= 4.6 pour des contraintes allant de 6 `a 10 MPa. Ces

essais peuvent servir par ailleurs `a d´eterminer l’anisotropie d’un mat´eriau [Chaudury &

Mohamed, 1988].

(a) (b)

Figure 1.48 – (a) cisaillement simple, (b) cisaillement double

Chaudury et al. [Chaudury & Mohamed, 1988] ont port´e leurs efforts sur un alliage

Al-2pds.%Cu dans une plage de temp´erature comprise entre 510 et 570 ˚C (soit 0.82 ≤

T

T

_s

≤0.92). Les ´echantillons ont ´et´e mis en solutionα in situ `a 610 ˚C pendant 15 h afin

d’avoir une taille de grains uniforme et stable. Ces ´echantillons ont ´et´e soumis `a des essais

de cisaillement double `a 620, 590 et 510 ˚C. Ces temp´eratures restent dans le domaine

monophas´eα. Les auteurs obtiennent une valeur den= 4.5 pour des contrainte allant de

4 `a 6 MPa.

1.6.2.4 Essais de compression sur ´echantillons drain´es

Lors d’un essai de compression draˆın´ee, l’´echantillon subit ce que l’on pourrait

qua-lifier de solidification m´ecanique isotherme. La faible fraction de liquide restant apr`es la

compression est solidifi´ee. Giraud [Giraud, 2010] a utilis´e les ´echantillons issus d’essais de

compression draˆın´ee afin de caract´eriser le comportement de la phase solide du mat´eriau

`

a l’´etat pˆateux. Pour cela le mat´eriau est mis en solution pour homog´en´eiser la

compo-sition et ainsi ´eliminer l’eutectique. Des ´echantillons sont ensuite usin´es et soumis `a des

essais de compression simple avec sauts de vitesses. La figure 1.49 montre la variation de la

contrainte en fonction de la d´eformation obtenue lors de ces essais. La contrainte augmente

lorsque la vitesse de d´eplacement augmente et/ou lorsque la temp´erature diminue.

Figure 1.49 –Variation de la contrainte avec la d´eformation obtenue pour l’alliage 6061 d´eform´e par compression `a hautes temp´eratures [Giraud, 2010]

Une premi`ere ´etude a ´et´e men´ee en utilisant une loi de comportement classique (voir

´equation 1.32).

˙

ε=Aσ

ⁿ

exp− ^Q

RT ^(1.32)

Avec A une constante intrins`eque du mat´eriau, n le coefficient de sensibilit´e de la

vitesse de d´eformation `a la contrainte,Q l’´energie d’activation, R la constante des gaz

parfaits, etT la temp´erature d’essai. Les param`etres donn´es par cette loi sont r´ecapitul´es

dans le tableau de la figure 1.50.

n Q (kJ.mol−1) A (M P a−n.s−1) 11 287 6.4.10²

Figure 1.50 – R´ecapitulatif des valeurs des param`etres de la loi viscoplastique classique utilis´ee pour d´ecrire le comportement de l’alliage 6061 `a l’´etat solide [Giraud, 2010]

Les r´esultats pr´esent´es sur la figure 1.50 ´etant bien diff´erents de ceux trouv´es dans la

litt´erature, une autre approche a ´et´e utilis´ee. Cette seconde approche consiste `a utiliser

1.6 Caract´erisation de la phase solide `a chaud

une loi de comportement d´ecrite dans l’´equation 1.33.

˙

ε= ^AGb

kT ^exp(−_RT^Q )(sinh(ασ))

ⁿ

(1.33)

O`uA etα sont des constantes intrins`eques du mat´eriau,best le vecteur de Burgers,k

est la constante de Boltzmann,Qest l’´energie d’activation,Rest la constante des gaz

par-faits,T est la temp´erature etnest le coefficient de sensibilit´e de la vitesse de d´eformation

`

a la contrainte. Les valeurs trouv´ees pour les param`etres de la loi sont consign´ees dans le

tableau de la figure 1.51. Dans ce cas les valeurs d´etermin´ees sont en ad´equation avec la

litt´erature.

n Q (kJ.mol−1) α (M P a−1) b (m) A (m2.s−1) 5 142 0.055 2.86.10−10 6.10−15

Figure 1.51 – R´ecapitulatif des valeurs des param`etres de la loi pour alliage `a phases dispers´ees utilis´ee pour d´ecrire le comportement de l’alliage 6061 `a l’´etat solide [Giraud, 2010]

Bilan

Les divers essais m´ecaniques `a chaud pr´esent´es permettent l’´etablissement de lois de

comportement du solide. Cependant peu d’´etudes sont men´ees `a des temp´eratures proches

de celle de solidus pour les alliages concern´es, ce qui ne nous permet pas de caract´eriser le

comportement de la phase solide d’un mat´eriau `a l’´etat pˆateux. Les essais de compression

draˆın´ee sont un moyen d’obtenir une phase solide homog`ene `a partir d’un ´echantillon semi

solide. Cependant une partie du liquide n’est pas expuls´e lors de la compression.

Comme nous l’avons vu, le mat´eriau solide est largement ´etudi´e afin de pouvoir mod´eliser

le comportement d’un alliage `a l’´etat semi solide soumis `a une contrainte donn´ee. La

com-position de la phase solide est g´en´eralement consid´er´ee ´egale `a celle de l’alliage, et la

mod´elisation de la fissuration `a chaud peut donc consid´erer un mat´eriau dont la phase

solide est d´eformable. L’´etude de la fissuration `a chaud peut n´eanmoins se compl´eter par

un autre moyen d’investigation. Les ´etudes de criquabilit´e et les essais m´ecaniques `a l’´etat

semi solide ou `a chaud donnent des informations `a l’´echelle de l’´echantillon, donc

macro-scopiques. Les mod`eles quant `a eux se placent `a l’´echelle microscopique ou m´esoscopique.

Il existe donc une ´etape `a franchir entre le ph´enom`ene observ´e et celui qui est mod´elis´e.

Ces informations manquantes peuvent ˆetre observ´ees au moyen de diff´erents proc´ed´es

d’imagerie.

Dans le document Microtomographie in situ appliquée à la déformation et la solidification d'alliages d'aluminium (Page 56-61)