III.1.1 Essais en phase solide
Nous allons dans un premier temps évoquer les essais de caractérisation à haute température en phase solide. Une des méthodes connues actuellement pour effectuer ce type de caractérisation est basée sur l'utilisation d'une machine Gleeble [68], [86], [98], [99]. Cet appareil permet de réaliser des essais de traction et/ou de compression à haute température et à différentes vitesses de déformation. Un courant de forte intensité parcourt l’échantillon, conduisant à son échauffement par effet Joule du fait de sa résistance électrique interne. On peut ainsi obtenir des vitesses de chauffage très élevées de plusieurs centaines de Kelvin par seconde qui permettent de se rapprocher des conditions rencontrées lors du procédé de soudage.
Dans le cadre du projet SPAR dans lequel s’inscrit cette thèse, une campagne d’essais Gleeble a été menée à l’Université de Bretagne Sud (UBS) au sein du laboratoire LIMatB afin de déterminer le comportement de l’Inconel 600 de 20 °C à 1250 °C. Les résultats expérimentaux (courbes contraintes-déformation) sont présentés en Annexe 5. Les essais ont été effectués en traction et/ou en compression uniaxiale à différentes vitesses de déformation. La mise au point d’essais cycliques a également été nécessaire pour caractériser une éventuelle composante d’écrouissage cinématique du matériau. Ces essais ont permis d’étendre et d’approfondir la connaissance du matériau jusqu’à 1250 °C afin de déterminer les paramètres d’une loi de comportement élasto-visco-plastique comme nous le verrons dans le Chapitre IV.
Cependant, pour une étude approfondie du phénomène de fissuration à chaud, il est nécessaire de connaître le comportement mécanique du matériau jusqu’à sa zone pâteuse où ce phénomène apparaît. Or les essais Gleeble développés à l’UBS peuvent difficilement être effectués à des températures dépassant 1250 °C, de surcroît en zone de transition pâteuse (le solidus de l’Inconel 600 est estimé à 1355 °C). Nous allons donc nous focaliser maintenant sur les essais développés sur des alliages à l’état semi-solide, notamment au laboratoire SIMAP de l’Université de Grenoble (UdG).
III.1.2 Essais en phase semi-solide
Différents types d’essais ont été développés au cours des dernières décennies pour caractériser le comportement des alliages en zone de transition pâteuse. Ils portent principalement sur les comportements d’alliages dont les points de fusion sont relativement bas (<700 °C). Nous trouvons principalement des travaux sur des alliages de type Sn-Pb [100], [101], des alliages d’aluminium [22], [61], [102–104] et des alliages de magnésium [93], [102], [105]. Les tests ont été développés pour différents états de contrainte, comme le cisaillement, la compression et la traction. Les essais concernant le comportement des alliages à haut point de fusion à l’état semi-solide sont plus rares et portent principalement sur les aciers [106–108] même si quelques travaux ont été effectués sur des bases Nickel [109]. Il n’existe cependant pas d’étude portant sur le comportement à l’état semi-solide de l’Inconel 600. La fissuration à chaud résultant de déformations en traction sur un matériau semi-solide, nous nous inspirerons du dispositif qui a été développé au SIMAP pour réaliser des essais de traction à chaud en zone de transition pâteuse sur des alliages à bas point de fusion, afin de l’adapter à l’Inconel 600.
Le dispositif expérimental de traction développé notamment au cours des thèses de Fabrègue [87] et de Giraud [18] est présenté sur la Figure 64 (a). Il leur a permis de réaliser des essais de traction à chaud à l’état pâteux sur des alliages d’aluminium. Les essais consistent à chauffer la partie centrale d’une éprouvette cylindrique à une température correspondant à une fraction de solide donnée via un cycle thermique prédéfini, puis à exercer un effort en traction tout en mesurant les forces et les déplacements. Ils ont pour cela utilisé une machine de traction/compression de type ADAMEL DY34 et des éprouvettes cylindriques de 9.5 mm de diamètre et 120 mm de long. La force est appliquée par l’intermédiaire d’une vitesse de déplacement donnée de la traverse supérieure de la machine de traction, la partie inférieure étant fixe. Les efforts à mesurer étant relativement faibles en zone pâteuse, la machine de traction a été équipée d’une cellule de force de 2kN (précision +/- 0.2%). Un thermocouple de type K de diamètre 0.5 mm plongeant au cœur de l’éprouvette a été utilisé pour mesurer et piloter le chauffage de la partie centrale de l’éprouvette par induction. Un régulateur PID (Proportionnel Intégral Dérivé) couplé au système de chauffage à induction permet ainsi de programmer les cycles thermiques appliqués à l’échantillon.
Afin de contenir le matériau semi-solide (ou liquide), un creuset en alumine est placé autour de la partie centrale de l’échantillon. Dans l’optique d’atteindre des vitesses de solidification élevées, un système de refroidissement à eau a été conçu au sein même de l’éprouvette, permettant d’atteindre des vitesses de 80 K/s.
Déroulement des essais :
Deux types d’essais ont été effectués sur le montage présenté :
•des essais en solidification partielle (Figure 64 (b)) : la partie centrale de l’échantillon est portée à l’état liquide pendant 30 s avant d’être refroidie à une vitesse maîtrisée jusqu’à la température correspondant à la fraction de solide visée, l’essai est alors lancé après 30 s d’attente
•des essais en refusion partielle (Figure 64 (c)) : l’éprouvette est directement chauffée (à 2K/s) jusqu’à la température d’essai et y est maintenue pendant 30 s avant le lancement de la traction.
Figure 64 : (a) Croquis du dispositif expérimental utilisé lors de la traction à chaud [18] ; Chemin thermique suivi par l’éprouvette avant un essai de traction : (b) en solidification, (c) en refusion
Le temps d’attente de 30 s avant les essais permet l’homogénéisation et la stabilisation des champs de température. Dans tous les cas de figure, la température du centre de l’échantillon, le déplacement et la force sont mesurés au cours de l’essai. Les essais ont été effectués sur les alliages d’aluminium pour des vitesses de déplacement comprises entre 0.01 mm/s et 1 mm/s. Les essais en solidification, plus délicats à mettre en œuvre, sont les plus représentatifs des procédés de soudage et de fonderie du fait du passage du matériau par un état liquide.