Protocole expérimental

Les essais thermomécaniques ont été réalisés selon le cycle présenté figure 4.1. Ce cycle ther-momécanique est proche d’un cycle "start and stop", qui est le chargement therther-momécanique le plus sévère que peut subir la culasse durant le fonctionnement du moteur. Les paramètres des différents essais sont présentés dans le tableau 4.1. Le même numéro d’essai a été attribué à l’essai de fatigue thermomécanique et à l’essai de cyclage thermique correspondant.

La durée du cycle, de 180s, est la même pour tous les essais mais la déformation appliquée varie. Pour chaque alliage, deux amplitudes de déformation (totale) ont été appliquées. Deux essais ont été réalisés avec la même amplitude de déformation mais leur durée - c’est-à-dire le nombre de cycle avant interruption de l’essai - est différente. Au total, trois essais ont donc été réalisés par alliage.

Le cyclage thermique, compris entre 100°C et 250°C, est identique pour tous les essais de fatigue thermomécanique. Les essais de cyclage thermique associés, chacun, à un essai de fatigue thermomécanique suivent donc tous également le même cycle thermique et ne diffèrent que par leur nombre de cycles.

d’at-teindre une amplitude de déformation plastique différente pour chaque essai.

Les essais thermomécaniques ont été réalisés sur une machine électromécanique équipée d’un four à lampes à halogène. Les essais de cyclages thermiques sont réalisés dans le même four que ces essais de fatigue thermomécanique et sur des éprouvettes de géométrie identique à celle des éprouvettes de fatigue thermomécanique (figure 4.2) de manière à reproduire le mieux possible le cycle thermique entre les deux types d’essais. La température dans la partie utile de l’éprouvette suit la consigne avec un écart inférieur à 5°C (la calibration thermique de l’essai thermomécanique est présentée en Annexe A).

Les essais sont contrôlés en déformation en utilisant un extensomètre à jauges de contrainte de longueur de jauge de 10 mm.

AlSi7Cu0,5Mg0,3

Test n° ǫmax (%) ǫmin (%) Durée de l’essai (s) Nombre de cycles

1 0 -0,5 36000 200

2 0 -0,5 180000 1000

3 0 -0,4 900000 5000

AlSi7Cu3,5Mg0,1

Test n° ǫmax(%) ǫmin (%) Durée de l’essai (s) Nombre de cycles

4 0 -0,6 27000 150

5 0 -0,6 172800 960

6 0 -0,4 720000 4000

TABLE4.1 –Liste des essais de fatigue thermomécanique

4.2.2 Résultats

Le comportement thermomécanique de chacun des deux alliages est respectivement présenté figure 4.3 et figure 4.5 qui reproduisent les courbes contrainte - déformation pour différents cycles de l’un des essais. En effet, pour chaque alliage, les courbes de contrainte - déformation suivent le même schéma pour tous les essais réalisés.

Au cours de la première mise en compression, la contrainte dépasse la limite d’élasticité et l’échantillon se déforme plastiquement (voir cycle 1 des figures 4.3 et 4.5). Puis, au cours des cycles suivants, l’essai étant piloté en déformation totale, la limite d’élasticité

FIGURE4.1 –Chargement thermomécanique

n’est plus atteinte au cours de la déformation en compression (voir cycle 2 et 20 dans la figure 4.3). Cependant, l’éprouvette continue à se déformer plastiquement au cours du palier à température et déformation totale constante pendant lequel se produit la relaxation des contraintes.

Puis, le cyclage thermique, qui se superpose au chargement mécanique, provoque le mûrissement de la microstructure de précipitation ([SASAKI and TAKAHASHI, 2005], [SEHITOGLU et al., 2000], [SEHITOGLU et al., 2005]), ce qui provoque une baisse de la limite d’élasticité. Il en résulte une diminution de l’amplitude de déformation élastique puisque le module d’Young n’est pas affecté par le mûrissement de la microstructure de précipitation [FOUQUET et al., 1979]. L’amplitude de déformation totale étant constante, l’échantillon recommence à se déformer plastiquement à la fin des étapes de compression et de traction. La limite d’élasticité diminuant continuellement, la déformation plastique augmente à chaque cycle (voir cycles 150 et 960 dans la figure 4.5). La limite d’élasticité continue à diminuer tant que l’alliage n’a pas atteint son état vieilli ultime, ce qui n’est jamais réalisé pour les nombres de cycles étudiés.

Afin d’atteindre des temps de vieillissement assez long en fatigue anisotherme sans que l’éprouvette ne se fissure, il a été nécessaire de conduire des essais interrompus pour des am-plitudes de déformation plus faibles que celle choisie initialement. Les niveaux de contrainte maximum dépendent de l’amplitude de déformation. Pour comparer le comportement présenté au cours des différents essais, nous avons dû normaliser les amplitudes de contrainte

au cycle N : ∆σ (N) (avec ∆σ = σmax - σmin) par l’amplitude mesurée au deuxième cycle

∆σ0 (N=2). En effet la déformation plastique est significative en compression au premier

cycle et la contrainte minimale en compression est partiellement relaxée après le temps de maintien à déformation maximale (figure 4.3).

Cette normalisation, notée par commodité ∆σ

∆σ0, permet de mieux visualiser l’influence du

nombre de cycles (et du temps d’exposition à haute température) sur l’amplitude de contrainte au cours d’un essai de fatigue anisotherme à déformation imposée (figure 4.4).

FIGURE 4.3 –AlSi7Cu0,5Mg0,3 - Courbes contrainte - déformation pour l’essai n°1

FIGURE4.5 –AlSi7Cu3,5Mg0,1 - Courbes contrainte - déformation pour l’essai n°5

FIGURE4.6 –AlSi7Cu3,5Mg0,1 - Évolution des contraintes au cours des essais n°4 , 5 et 6

4.3 Analyses microstructurales

4.3.1 Introduction : mesures de microdureté

Des mesures de microdureté Vickers ont été réalisées pour chaque échantillon (essais thermomécaniques et cyclages thermiques). La charge utilisée est de 25g afin de produire

Test n° Echantillons FMT (HV) Echantillons cyclages thermiques (HV) 1 81 83 2 66 69 3 55 57 4 112 109 5 85 86 6 71 71

TABLE4.2 –Dureté Vickers pour les différents essais réalisés

des tailles d’empreinte suffisamment faibles par rapport à la taille des dendrites et de pouvoir caractériser autant que possible la microdureté en cœur de dendrite. Un minimum de dix mesures a été réalisé pour chaque échantillon. Les valeurs moyennes sont données dans le tableau 4.2. L’analyse de ces valeurs montre que chaque échantillon d’essai thermoméca-nique a une dureté proche de celle de l’échantillon exposé uthermoméca-niquement au cyclage thermique correspondant, c’est-à-dire soumis à un nombre de cycles thermiques égal au nombre de cycles de l’essai thermomécanique.

Ces mesures de microdureté suggèrent que le vieillissement en cyclage thermique est peu af-fecté par le chargement mécanique superposé en fatigue anisotherme. Afin de s’en assurer, une étude détaillée de la microstructure de précipitation c’est-à-dire de la nature des phases pré-cipitées et des paramètres de taille, a été réalisée pour les différents états obtenus par cyclage thermique et en fatigue anisotherme.