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Mécanismes de durcissement dans les composites métal‐verre métallique 

5   Composites métal‐verre métallique

5.3   Processus expérimental

5.5.2   Mécanismes de durcissement dans les composites métal‐verre métallique 

Tableau 5.8 : Comparaison entre les valeurs de la limite élastique minimale et maximale calculées par la règle de 

mélange, et celle mesurée dans cette étude, pour les trois composites de cette étude 

Les calculs du tableau 5.8 montrent que, pour les deux composites {Mg|Zr‐a} et {Al|FeCo‐a}, la  limite  élastique  mesurée  est  bien  dans  les  bornes  d’estimation.  Pourtant,  pour  le  composite  {Al|Cu‐a} la limite élastique dépasse la borne supérieure. Nous soulignons ici que la valeur de la  limite élastique de la phase matrice Al6061 utilisée dans les calculs du tableau 5.8 est celle du  métal recuit Al6061‐O (55 MPa [195]), et non pas celle de l’alliage commercial Al6061‐T6 utilisé  pour la comparaison des propriétés mécaniques (Figure 5.13, Page 133). 

Des  déviations  à  la  règle  de  mélange  ont  été  rapportées  pour  plusieurs  composites  [193,  194,  203]  et  la  raison  possible  derrière  ces  déviations  est  le  fait  que  cette  règle  suppose  que  les  propriétés  d'un  matériau  composite  sont  pondérées  par  les  fractions  volumiques  des  composants,  sans  prendre  en  compte  les  interactions  entre  la  matrice  et  la  phase  de  renforcement,  ou  le  durcissement  de  la  phase  matrice  par  les  "obstacles"  représentés  par  les  particules de renfort (mécanisme d’Orowan). 

 

5.5.2 Mécanismes de durcissement dans les composites métal­verre métallique 

Bien  que  les  processus  d’élaboration  (melt‐spinning  et  broyage)  du  métal  matrice  puissent  durcir  par  la  génération  additionnelle  de  dislocations  et  l’abaissement  de  taille  de  grains  à  causes des fortes déformations, le recuit de compactage à des températures proches de celle du  solidus est censé éliminer la microstructure de l’écrouissage. 

L’augmentation  de  la  résistance  mécanique  du  composite  métal‐verre  métallique  peut  être  attribuée à plusieurs mécanismes : 

Composite  [MPa] σy,m  [%] Vm  σy,r [MPa]  [%] Vr  mesurée σy  [MPa]  σy,min  [MPa] (iso‐ contrainte)  σy,max   [MPa] (iso‐ déformation)  {Mg|Zr‐a}  155  85  1600 [180]  15  325  179.3  371.8  {Al|Cu‐a}  190  1800 [105]  580  219.4  431.5  {Al|FeCo‐a}  55  4070 [211]  550  64.6  657.3 

• Le transfert de la charge appliquée de la matrice aux particules de verres métalliques plus  durs. Cette transformation peut déplacer (retarder) la limite élastique de la matrice vers des  valeurs plus élevées. 

• La  diffusion  atomique  des  éléments  constituants  du  verre  métallique  dans  la  matrice,  à  travers  les  interfaces.  Cette  diffusion  généralement  favorisée  par  la  température  pourrait  contribuer  à  l’augmentation  de  la  résistance  mécanique  par  la  formation  de  solutions  solides dures dans la structure de la matrice [212]. 

  Figure 5.15 : diagrammes de phases binaires de (a) Mg­Zr, (b) Al­Cu, (c) Fe­Al et de (d) Al­Co 

La  figure 5.15  présente  les  diagrammes  de  phases  binaires  des  éléments  principaux  des  alliages amorphes avec les éléments de la matrice métallique de nos trois composites. D’après  ces diagrammes, la solubilité des éléments tels que le zirconium dans le magnésium et le fer ou  le cobalt dans l’aluminium est très limitée aux T ≤ Tcompactage.  La petite solubilité du cuivre dans l’aluminium et la diffusion des atomes du cuivre venant des  particules amorphes dans la matrice cfc de l’aluminium pourrait contribuer au durcissement  du métal matrice et expliquer la déviation de la résistance mécanique du composite {Al|Cu‐a} à  la règle de mélange (Tableau 5.8, Page 136). 

La  contribution  de  couches  interfaciales  de  solutions  solides  ou  d’intermétalliques  dans  les  zones  de  contact  matrice‐renfort  aux  propriétés  mécaniques  des  composites  nécessite  une  étude approfondie en MET (Microscopie Électronique en Transmission). 

• Le  mécanisme  d’Orowan  par  lequel  les  particules  de  renfort  se  comportent  comme  des  obstacles au déplacement des dislocations dans la matrice [213]. 

Selon ce mécanisme, les obstacles (ici les particules amorphes) exercent chacun une force sur  la  dislocation.  Cette  force  va  courber  la  dislocation  jusqu’à  finalement  se  décrocher  de  l’obstacle lorsque la force motrice devient supérieure à une valeur critique [91]. À cause de la  haute  résistance  des  particules  amorphes,  le  franchissement  de  ces  particules  par  une  dislocation  qui  glisse  va  probablement  se  dérouler  par  contournement.  Dans  ce  cas,  le  durcissement de la matrice peut être exprimé par [91]: 

∆τ μb

Λ Équation 5.3 

où  µ  est  le  module  de  cisaillement,  b  la  magnitude  du  vecteur  de  Bürgers  (de  l’ordre  d’une  distance interatomique) et Λ l’espacement moyen entre particules. 

On va évaluer la distance moyenne entre obstacles en  fonction  de  leur  fraction  volumique  et  de  leur  taille  en  supposant  qu’ils  sont  répartis  d’une  manière  homogène  dans  le  matériau.  Considérons  pour  cela  que la matrice est constituée de cellules cubiques de  côté  "m"  et  qu’une  particule  de  côté  "p"  occupe  le  centre de chaque cellule de la matrice (Figure 5.16).  On en déduit la fraction volumique fv :  f p m   Équation 5.4  L’équation 5.3 devient :  ∆τ μb m p μb p 1 f 1 Équation 5.5 

Figure 5.16 : Schématisation de la répartition des 

Nous avons tracé la courbe de l’équation 5.5  pour une fraction volumique de particules de  renfort fv = 15% dispersées dans une matrice  l’aluminium  pur  (µ  =  26.2  GPa,  b  =  2.86  Å  [214]).  La  figure  5.17  montre  que  le  durcissement  de  la  matrice  en  aluminium  baisse rapidement en augmentant la taille de  particules,  et  que  pour  fv  =  15%  le  durcissement atteint ne dépasse pas les 100  MPa  pour  une  taille  moyenne  de  particules  de 0.1 µm. 

Prenons une taille moyenne de particules de  0.5 µm, nous avons tracé également la courbe  de  l’équation 5.5  en  fonction  de  la  fraction  volumique  de  la  phase  de  renfort.  La  figure  5.18  montre  que  le  durcissement  est  proportionnel à la fraction volumique, et que  le maximum atteint est de l’ordre de 60 MPa  pour fv = 50%. 

L’application  numérique  ainsi  présentée  montre  qu’à  fraction  volumique  donnée,  plus les phases sont fines, plus l’espacement 

inter‐particulaire  est  faible  et  plus  l’effet  durcissant  est  élevé.  Cependant,  elle  révèle  que  le  niveau de durcissement obtenu est faible par rapport à celui atteint expérimentalement. Cela  prouve que le mécanisme d’Orowan semble être le moins prononcé parmi les mécanismes de  durcissement traités.  Enfin, par rapport au composite {Al|Cu‐a}, le gain sur les propriétés mécaniques du composite  {Al|FeCo‐a} n’est pas substantiel, bien que les particules de renfort soient beaucoup plus dures.  Ceci est sans doute à cause de leurs tailles bimodales et leur distribution inhomogène. En fait, la  résistance mécanique des verres métalliques étant largement plus élevée que celle de la matrice,  lorsque  le  composite  est  sollicité  mécaniquement,  la  déformation  plastique  se  produit  uniquement dans la matrice et les particules de verre bien plus résistantes ne sont déformées  qu’élastiquement.  Ainsi,  si  nous  regardons  les  mécanismes  de  durcissement  précédemment 

Figure 5.17 : Évolution du durcissement d’une matrice en Al 

en fonction de la taille des particules de renfort pour fv = 

15% 

Figure 5.18 : Évolution du durcissement d’une matrice en Al 

en fonction de la fraction volumique des particules de 

discutés, nous constatons qu’à partir d’un certain niveau (σy,r >> σy,m), la dureté des particules de  verre (et donc leur composition) n’a pas un d’impact majeur sur la résistance du composite.