Influence du recuit et du brossage sur les propriétés mécaniques

Dans le Chapitre I, nous avons vu que les instabilités plastiques dépendent des propriétés mécaniques des différentes tôles. Il est donc essentiel de connaître l’influence de la préparation des échantillons sur leurs propriétés mécaniques. Ces propriétés mécaniques sont déterminées par des essais de traction et de microdureté. De plus, les courbes de traction obtenues seront nécessaires au développement du modèle numérique.

II.2.1 Essais de traction

Des essais de traction ont été réalisés sur les tôles d’aluminium et d’acier après différentes étapes du procédé d’élaboration. La machine de traction utilisée est une Zwick Roell X Force P 10kN. L’aluminium a été testé à l’état brut, c’est-à-dire tel que reçu du fournisseur et à l’état recuit (600 °C – 30 min). L’acier a été testé à l’état brut, à l’état recuit (600 °C – 5 min) et à l’état recuit-brossé. Les éprouvettes de traction ont été découpées à la rogneuse ou au massicot, et la partie calibrée a été réalisée avec une bande de ponçage cylindrique de 13 mm de diamètre (Dremel 432). Les dimensions de ces éprouvettes, en conformité avec la norme ISO 6892-1, sont présentées sur la Figure II.2. La largeur et la largeur réduite des éprouvettes sont respectivement de 30 et 20 mm. La longueur de la section réduite calibrée Lc est de 40 mm. La longueur initiale entre repères L0 (Gauge length) préconisée par la norme doit être supérieure à 15 mm, c’est le cas ici en considérant 𝐿₀ = 11,3 × √𝑆0 avec S0 la section de la largeur réduite calibrée. La longueur entre les couteaux de l’extensomètre utilisé au cours des essais est de 25 mm, cette longueur est comprise entre 0,5 L0 et 0,9 Lc comme préconisée par la norme. Les essais de traction sont réalisés à une vitesse de déformation de 5×10-3 s-1.

II.2.2 Courbes de traction obtenues

Les courbes de traction obtenues sur l’aluminium sont présentées sur la Figure II.3 (a).

Figure II.3 : Courbe contrainte vraie – déformation vraie de l’Al (a) et éprouvettes rompues (b)

L’aluminium brut, reçu de Eurofoil, a déjà subi un court recuit à environ 220 °C. Le recuit supplémentaire à 600 °C pendant 30 minutes diminue la limite d’élasticité de l’aluminium et le rend légèrement plus résistant. L’aluminium étant très mou, les couteaux de l’extensomètre créent des défauts et la rupture des éprouvettes se fait à ces niveaux (FigureII.3 (b)). La perte de ductilité de l’aluminium recuit pourrait s’expliquer par des défauts engendrés par les couteaux, plus prononcés que dans le cas de l’aluminium brut.

Les courbes de traction obtenues sur l’acier et les éprouvettes rompues sont présentées sur la Figure II.4. Les deux aciers d’épaisseur 100 µm et 200 µm ont été testés. Les tôles brutes ont été élaborées par laminage et n’ont pas subi de traitements thermiques, elles sont donc très écrouies. Ceci se traduit par un allongement à la rupture très faible et une résistance mécanique élevée : 625 MPa pour le 100 µm et 705 MPa pour le 200 µm. Le recuit de 5 min à 600 °C est suffisant pour restaurer le matériau, ce qui se traduit par une limite d’élasticité plus faible et une ductilité beaucoup plus élevée. Les courbes des échantillons recuits, notamment celle de l’acier de 100 µm, sont typiques d’un acier doux avec une zone élastique suivie d’un plateau plastique, d’une zone d’écrouissage suivie par la rupture de l’éprouvette.

Comme évoqué auparavant, le brossage crée une couche écrouie en surface des échantillons. Le brossage a donc un impact différent selon l’épaisseur de l’acier. En effet, l’écrouissage lié au brossage impacte beaucoup plus l’acier d’épaisseur 100 µm que celui de 200 µm. Cela rend l’acier de 100 µm très peu ductile par rapport à l’acier de 200 µm pour une résistance mécanique similaire (≈ 465 MPa). Cela laisse penser que le brossage écrouit

supposément toute l’épaisseur de l’acier de 100 µm, ce qui n’est pas le cas pour l’acier de 200 µm. Cette analyse sera approfondie par la suite par des essais de dureté. De plus, la rupture des éprouvettes se fait généralement à environ 45° (FigureII.4 (b)), angle pour lequel les contraintes de cisaillement sont les plus élevées pendant un essai de traction. Seule l’éprouvette d’acier 100 µm brut ne montre pas cette caractéristique. Ceci pourrait être dû à la présence de défauts lors de la préparation de l’éprouvette ou au poids de l’extensomètre qui courbe légèrement l’échantillon à cause de sa faible épaisseur.

Figure II.4 : Courbes contrainte vraie – déformation vraie de l’acier d’épaisseur 100 et 200 µm (a) et éprouvettes rompues (b)

II.2.3 Essais de microdureté

Les essais de traction ont montré que le recuit et le brossage ont un fort impact sur les propriétés mécaniques (limite d’élasticité, résistance mécanique et allongement à la rupture),

en particulier sur l’acier de 100 µm. Pour quantifier l’influence du recuit et du brossage sur la dureté des tôles, des essais de microdureté ont été effectués à différentes étapes de la préparation des échantillons. La dureté a été mesurée à la surface des tôles (DL-DT) et au cœur suivant la tranche DL-DN grâce au microduromètre HMV-G de Shimadzu. Les duretés obtenues en Vickers sont récapitulées sur les Figures II.5 et II.7. Les empreintes ont été effectuées avec une force de 245,2 mN appliquée pendant 15 s. Pour une meilleure précision, les duretés moyennes ont été calculées sur 10 empreintes.

La Figure II.5 présente les duretés obtenues à la surface des échantillons (DL-DT). L’Al brut et recuit ont une dureté similaire d’une trentaine de Vickers avec une faible fluctuation des valeurs. Le recuit supplémentaire n’influence donc pas la dureté superficielle de l’Al. L’acier brut de 200 µm présente une dureté légèrement supérieure (~ 25 HV) à celui de 100 µm. Une différence d’élaboration des tôles brutes par Mecaflash peut expliquer cette variation. Le recuit des aciers diminue leur dureté superficielle et celle-ci atteint environ 160 HV dans les deux cas.

Le brossage, créant une zone écrouie en surface, augmente grandement la dureté superficielle moyenne de l’acier (≈ 480 HV). Cependant, il est bon de préciser que la valeur donnée ici est à titre indicatif au vu de la complexité de l’étude des empreintes de dureté, et donc ne correspont pas parfaitement à la dureté réelle de la surface brossée. Néanmoins, une grande fluctuation des valeurs a été constatée et la Figure II.6 met en évidence la formation de deux zones au cours du brossage, une zone où la dureté est élevée (> 1 000 HV) et une où celle-ci se rapproche de la valeur avant brossage (≈ 240 HV).

Figure II.6 : Microscopie optique de la surface de l’acier 100 µm après brossage

Des mesures de dureté ont été réalisées dans la tranche DL-DN des tôles pour connaître l’impact de l’élaboration des éprouvettes sur la dureté à coeur. La tranche des différents matériaux est polie avec du papier SiC (P800-P4000) et finalisée au diamant 3 et 1 µm. La Figure II.7 présente les duretés obtenues au cœur de la tranche DL-DN des différents échantillons.

Figure II.7 : Duretés (HV) au cœur des échantillons (DL-DN)

Dans le cas de l’Al, une dureté moyenne d’une trentaine de Vickers est de nouveau constatée. La différence entre l’Al brut et recuit est cependant légèrement plus importante que précédemment passant de 2 à 5 HV. L’acier brut de 200 µm montre encore une fois une dureté supérieure à celle de l’acier de 100 µm. De plus, pour les deux aciers bruts, la dureté

dans la tranche est supérieure à la dureté de surface, 50 à 60 HV supplémentaire. Le recuit diminue la dureté et impact légèrement plus l’acier 200 µm (≈ 135 HV) que l’acier 100 µm (≈ 152 HV). Le brossage, comme attendu, augmente la dureté moyenne du cœur des aciers mais pas autant que l’on aurait pu le penser, surtout pour l’acier 100 µm. Le brossage impacte moins l’acier 200 µm (≈ 135 → 140 HV) car plus épais, mais son impact sur le 100 µm reste assez modeste (≈ 152 → 166 HV).

Le brossage n’écrouit donc pas toute l’épaisseur de l’acier 100 µm comme supposé précédemment avec les essais de traction. La Figure II.8 permet de constater que l’épaisseur de la couche d’oxyde formée au cours du recuit est d’environ 5 - 6 µm pour les deux aciers. Pour les aciers recuits et brossés, on observe une dégradation de la surface. La couche superficielle qui s’est dégradée a une épaisseur de 10 à 20 µm. Le brossage a donc une influence très faible au cœur des lames d’acier.

Figure II.8 : Microscopie optique (DL-DN) d’un acier recuit et un acier recuit-brossé pour l’acier de 100 µm (a) et 200 µm (b)