HAL Id: jpa-00249538
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Submitted on 1 Jan 1996
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Étude des domaines d’existence des instabilités plastiques du type Portevin-Le Chatelier dans l’alliage
d’aluminium-magnesium AG3
A. Zeghloul, M. Mliha-Touati, S. Bakir
To cite this version:
A. Zeghloul, M. Mliha-Touati, S. Bakir. Étude des domaines d’existence des instabilités plastiques du type Portevin-Le Chatelier dans l’alliage d’aluminium-magnesium AG3. Journal de Physique III, EDP Sciences, 1996, 6 (11), pp.1467-1478. �10.1051/jp3:1996196�. �jpa-00249538�
#tude des domaines d'existence des instabilit4s plastiques du type
Portevin-Le Chatelier dans l'alliage d'aluminium-magnesium AG3
A. Zeghloul (~>*)
,
M. Mliha-Touati (~) et S. Bakir (~)
(~) Laboratoire de Physique et M6canique des Matdriaux ISGMP (**), Universitd de Metz, ile du Saulcy, 57045 Metz, France
(~) #cole Mohammadia d'lngdnieurs, Universitd Mohammed V de Rabat, Maroc
(Regu le 22 mars 1996, rdvisd le 9 juillet 1996, acceptd le 31 juillet 1996)
PACS.83.50.-v Deformation; material flow
PACS.46. Classical mechanics
PACS.81. Materials Science
R4sumd. Les instabilitAs plastiques associAes au phdnomAne Portevin-Le Chatelier (PLC)
dans I'alliage aluminium-magndsium AG3, ont AtA Atud14es dans de Iarges intervalles de temp4ra- ture, de vitesse de ddformation et de vitesse de contrainte. Les rdsultats exp@rimentaux obtenus
montrent que Ie domaine d'existence de I'effet PLC, repr4sent@ dans un diagramme logb IIT
on log I/T, est fermi aux vitesses de chargement dlev@es. La ddformation critique h laquelle apparait Ie ph6nomAne PLC augmente avec la vitesse de chargement aux basses temp6ratures
au aux vitesses de chargement 6Ievdes. Le comportement inverse est observ6 aux temp6ratures 6Iev6es et aux basses vitesses de chargement.
Abstract. Plastic instabilities associated with the Portevin-Le Chatelier (PLC) effect, were
studied in an aluminium-magnesium alloy AG3, in large ranges of temperature as well as of
strain and stress rates. Experimental results presented in a Iogb I/T or Iog@ I/T diagram,
show that the region of PLC effect is closed at high loading rates. The critical strain at which the PLC phenomenon appears, increases when the loading rate increases at low temperature or
at high loading rates. The "inverse" behaviour branches are observed at high temperature and
at low loading rates.
1. Introduction
La dAformation plastique des mat4riaux mAtalliques, bien qu'hAtArogAne iL l'4chelle microsco-
pique, est consid4r4e gAnAralement comme homogAne h l'4chelle macroscopique. Cependant, iL
certains stades de la d4formation d'alliages contenant des impuret4s interstitielles ou des solu- ids en position substitutionnelle, des instabilitAs peuvent appar£tre conduisant h un rAgime de
d4formation localisAe. L'une des instabilit4s souvent rencontrAe est le phdnomAne Portevin-Le Chatelier (PLC) qui se manifeste macroscopiquement sur (es courbes de traction sous forme de
d4crochements r4p4t4s ou de paliers successifs selon que (es essais sont effectu4s h vitesse impo- sde de dAformation ou de contrainte. L'apparition de cette instabilit4 est g4n4ralement prdc4d4e
(*) Auteur auquel doit Atre adress6e la correspondance (e-mail : zeghloul@Ipmm.univ-metz.fr) (**) URA CNRS 125
Q Les Editions de Physique 1996
d'une certaine ddformation critique ec. L'dcoulement plastique qui en rAsulte est hAt4rogAne et consiste en l'initiation et la propagation de bandes de d4formation le long de l'4prouvette.
Cottrell ill fur le premier h proposer une interpr4tation microscopique du ph4nomAne PLC,
en l'attribuant h l'interaction dynamique entre les nuages d'impuret4s ou de solut4s d'un al- liage et le champ de d4formation assoc14 aux dislocations. Cette approche, afIin4e par Mccor-
mick [2], donnait cependant des r4sultats diffdrents de ceux obtenus exp4rimentalement. Van den Beukel [3j proposa alors un modAle de vieillissement dynamique oh le temps d'attente des dislocations bloqudes temporairement sun les obstacles est le paramAtre d4terminant la vitesse des dislocations. Le calcul de la contrainte d'Acoulement montre une sensibilit4 nAgative h la
vitesse de d4formation, ce qui parait compatible avec l'approche macroscopique de Penning [4].
Dans le modAle de Van den Beukel [3], la d4formation critique ec correspond h la ddformation h laquelle la sensibilit4 h la vitesse de dAformation devient n4gative. Kubin et Estrin [5] ant pris la mAme d4finition de ec et ant dAvelopp4 un modAle bas4 sur la dApendance des densit4s de dislocations mobiles et de dislocations de forAt, et donc de la sensibilit4 iL la vitesse de
dAformation vis-h-vis de la dAformation. Selon (es prAvisions des modAles de vieillissement dynamique [2,3,5], la d4formation critique ec croit avec la vitesse de d4formation impos4e et d4croit avec la tempArature d'essai.
Un certain nombre d'#tudes [6-13] montrent cependant que (es variations de ec en fonction de la vitesse de d4formation (ou de la temp4rature) peuvent Atre inverses de celles pr4dites par
(es modAles de vieillissement dynamique et pr4senter parfois un minimum. L'apparition de ce comportement inverse est surtout typique des aciers [6-9] et des alliages d'aluminium [10-13j.
Malgr4 (es nombreuses approches th40riques qui ant tent# de donner une interpr4tation physique de l'efset PLC, celui-ci reste encore mat connu, et (es r4sultats expdrimentaux sent
parfois contradictoires. Depuis quelques annAes, ce phAnomAne suscite un int4rAt nouveau tant sun le plan th40rique qu'exp4rimental pour une meilleure connaissance de ce type d'instabilit4.
La pr4sente dtude s'inscrit dans ce cadre et a pour but d'apporter une contribution h l'effort de comprAhension de l'instabilit4 PLC.
2. Conditions exp4rimentales
L'4tude exp4rimentale a port4 sun l'alliage d'aluminium-magn4sium AG3 dont la composition chimique est la suivante
2, 03 To 3/Ig -1,13 % Cu 0,95 % Zn Al (% restant).
Les Aprouvettes de longueur utile 30 mm et de largeur 5 mm sont prAlev4es dans une t01e lamin4e h froid d'dpaisseur environ 0,6 mm. AprAs usinage, le mat4riau subit un recuit d'homog4n4isa-
tion h 460 °C pendant 3 heures sous atmosphAre d'argon, suivi d'un refroidissement h l'air. La taille moyenne des grains est d'eniriron 125 ~m.
Les essais de traction ont AtA effectuds sun machine dure et sur machine molle. Dans le premier cas, it s'agit de machine de traction classique oh l'on impose une vitesse de d4formation
pratiquement constante. Les vitesses de d4formation 4tudiAes varient de 8 x10~~ s~~ h 2 x 10~~ s~~ Dans le cas d'une machine molle, un ressort de foible raideur (6, 25 N mm~~ est
montd en sdrie avec l'dprouvette pour r4aliser des essais h vitesse de contrainte fi constante.
L'intervalle de vitesse de contrainte 4tud14 est compris entre 8 x 10~~ MPa s~~ et 54 MPa s~~
Une enceinte thermique mont#e sur la machine de traction a permis d'effectuer des essais dans l'intervalle de temp4rature (-60 °C, +100 °C). Pour mesurer (es ddformations, un extensomAtre h lames, fix4 h l'Aprouvette par des couteaux, a 4td utilis4. La longueur utile des 4prouvettes est
prise (gale h l'4cartement des couteaux de l'extensomAtre pour avoir l'amorgage des instabilit4s PLC uniquement prAs des cong#s de l'4prouvette.
iii
1:i10c #(11?«/i)
ii
iii ii,I
i>i ,ii
I ,iii
,jai iii
(
,masiii
i
i i,ii i,i i,ii i,I i,it
I
Fig. 1. Courbes contrainte-d6formation pour des essais de traction h T
= 20 °C (293 K) et h
diff6rentes vitesses de contrainte b (machine de traction molle).
[Stress-strain curves for tensile tests at T
= 20 °C (293 K) and various stress rates b (soft testing machine).]
Le systAme d'acquisition des donn4es utilisant une carte IEEE permet d'enregistrer les si- gnaux de l'extensomAtre et de la cellule de charge, la temp4rature et les d4placements de la traverse de la machine de traction. L'acquisition n'a pas dt4 faite h intervalle de temps cons- tant car cela conduirait h des fichiers de taille d4raisonnable pour des essais h trAs foibles vitesses. Les paramAtres de contr01e choisis pour l'acquisition sort (es variations de contraintes
(ha = 0,3 MPa) et (es variations de d4formations (he
= 0,01 %). L'ensemble machine de traction et enregistrement des donn4es est pilots par un processeur 486 DX2-66 d'Intel.
3. RAsultats exp4rimentaux
3.I. COURBES DE TRACTION
3.I.I. Machine molle. Les essais de traction sun machine molle ont dt4 effectu4s h 5 tempd-
ratures -60 °C, -20 °C, 20 °C, 60 °C et 100 °C. Pour chaque temp4rature, (es vitesses de
contrainte fi varient dons l'intervalle 7,6 x 10 MPa s~~ h 54 MPa s~~ Dans le but de reprA-
senter plusieurs courbes de traction sur la mAme figure, chaque courbe est d4ca14e de 20 MPa
par rapport h la pr4c4dente.
Les r4sultats de la figure 1 montrent qu'h T
= 20 °C l'effet PLC se manifeste encore pour des vitesses de contrainte atteignant 54 MPa s~~ et reste trAs marqu4 pour la vitesse la plus basse 7,6 x 10~~ MPa s~~. Les paliers que l'on observe, caract4ristiques de ce type d'essai, sort bier dAfinis pour fi > 1, 7 MPa s~~ dons tout l'intervalle de dAformation, et pour fi < 0, 039 MPa s~~
aux foibles niveaux de dAformation. Ces paliers comportent des stries aux valeurs interm4diaires de la vitesse de contrainte quelque soit le niveau de dAformation, et pour les dAformations
41ev4es aux foibles vitesses de contrainte. L'examen des enregistrements de la d4formation et de la vitesse de d4formation en fonction du temps montre que les paliers bien ddfinis sent
assoc16s h uiie propagation continue des bandes de d4formation PLC atom que l'apparition des stries correspond h une propagation intermittente avec des arrAts frdquents de ces bandes.
Aux tempAratures plus foibles que la tempArature ambiante, le phAnomAne PLC n'apparait
que pour les foibles vitesses de contraintes (fi < 0, 039 MPa s~~ h T
= -60 °C). En revanche,
aux tempAratures plus 41evdes l'effet PLC ne commence h se manifester qu'aux fortes vitesses de contrainte (fi > 0,1 MPa s~~ h T
= 100 °C). Le domaine des vitesses de contrainte oh l'4coulement est instable reste n4anmoins assez Atendu h T
= -20 °C et surtout h T
= 60 °C
(es instabilit4s sent encore trAs prononc4es h T
= -20 °C h la vitesse de contrainte 4tud14e la plus basse. Les paliers sun (es courbes de traction sent bier d4finis aux vitesses interm4diaires iL la temp4rature la plus basse, comme h la tempdrature la plus 4levAe. I foibles vitesses de
contraintes, on obseri>e des stries sun (es paliers h toutes (es temp4ratures d'essai.
3.1.2. ilfachine dune. Les essais sur machine dure out Ail effectuAs aux mAmes tempA-
ratures que (es essais sun machine molle. Les vitesses de dAformation AtudiAes varient de
= 7,92 x10~~ s~~ h 1,92 x 10~~ s~~. L'effet PLC
se manifeste par des ddcrochements
sun la courbe de traction dent la forme d4pend des caract4ristiques du matdriau et des con- ditions exp4rimentales. Comme darts le paragraphe prAc4dent, pour des questions de lisibilitA, les courbes out At4 d4calAes de 20 MPa les unes par rapport aux autres.
Les courbes de traction obtenues h T
= 20 °C sent illustrdes sun la figure 2. L'effet PLC
apparait entre
= 7, 92 x 10~~ s~~ et
= 1, 92 x 10~~ s~~ I
= 1, 92 x 10~~ s~~, on atteint la limite sup4rieure du domaine d'existence du PLC. Aux vitesses de d4formation 41ev4es, les
d4crochements sent de type A. Lorsque diminue, des petits d4crochements commencent h apparzitre entre les grandes chutes de contrainte on observe atom des serrations de type B qui s'intercalent entre les d4crochements de type A. Aux faibles vitesses de d4formation, l'amplitude des petits d4crochements intermddiaires augmente et conduit h des "serrations" r4guliAres de type C. Le changement de type de d4crochements lorsque la vitesse de d#formation diminue, provie~t du vieillissement accru des dislocations momentanAment arrAtAes.
Aux tempAratures d'essai plus basses que la tempArature ambiante, l'amplitude des dAcro- chements diminue et on n'observe plus de d4crochements de type C. Aux tempAratures plus 41ev4es, l'dcoulement ne devient h4t4rogAne qu'aprAs un stade de d4formation assez important
notamment aux faibles vitesses de dAformation. Les instabilit4s de type C qui apparaissent aux
faibles vitesses sent aussi plus espac4es et de forte amplitude notamment h T
= 60 °C.
3.1.3. Essais de cha÷÷gement de vitesse Il est gAnAralement bier admis que le phAnomAne PLC est associA h une sensibilitA h la vitesse de dAformation S nAgative. Les travaux expAri-
mentaux de Mulford et Kocks [14j sun des alliages de nickel et de Van den Brink [15] sun des
alliages Cu-Au confirment ce rAsultat. Par contre, Chihab [16] a observA dans (es alliages Al-Mg
que l'instabilitA plastique PLC persiste darts un domaine de sensibilitA h la vitesse lAgArement positive. La figure 3 correspond h un essai de changement de vitesse de
= 5,4 x 10~~ h
iii
I 1[0( '
~~~'~~°'~
Z f j ~
(
~
i,~i~i
~
iii
I,li%.1
~ ~,
i iii-1 ~~~'°~°'
~
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iii
£ "?,92e.6
b
mu
lo,u
I o-1<
1,ii i,i i,ii i,I
I
Fig. 2. Courbes contrainte-d6formation pour des essais de traction k T
= 20 °C (293 K) et h
diff6rentes vitesses de d6formation (machine de traction dure). Le type de d6crochements observ6s
IA, B ou C) d6pend de I-j
[Stress-strain curves for tensile tests at T
= 20 °C (293 K) and different strain rates (hard testing machine). The type of observed serrations IA, B
or C) depends on @.]
£2 " 5,4 x 10~~ s~~. Cette figure montre que le niveau moyen de contrainte augmente lorsque
la vitesse de dAformation diminue avec un changement du type de d4crochement de A h C. La sensibilitA h la vitesse S apparait donc bier nAgative pour cet essai oh la vitesse de dAformation
a AtA rAduite darts un rapport 100 aprAs environ 8 % de dAformation de l'Aprouvette. Une autre mAthode pour mettre en 4vidence S < 0 darts le domaine du PLC consiste h repr#seater la
contrainte a en fonction de la vitesse de dAformation h diffArents stades de la dAformation.
La figure 4 montre bien une pente nAgative des courbes a
= f(@) dans le domaine de vitesse oh la dAformation hAt#rogAne apparzit dairement. II est Agalement indiquA sur cette figure les
deux points limites oh le PLC est Avanescent et pour lesquelles la sensibilitA h la vitesse de dAformation semble cependant positive.
iii
i=ii°c
ii = $,lis lit
~
ii =
iii '°°
~
b j
j ii
~
>io
o,oi £ o,m
1,ii i,i i,ii i,I
I
Fig. 3. Courbe contrainte-d6formation h T
= 20 °C (293 K) montrant un changement de vitesse de d6formation de ii
= 5,4 x 10~~ s~~ h@2
# 5,4 x 10~~ s~~ dans le domaine du PLO. La flAche indique
la d6formation k laquelle se produit Ie passage de ii 1@2.
[Stress-strain curve at T
= 20 °C (293 K) showing a strain rate jump from ii
# 5A x 10~~ s~~ to
@2 # 5.4 x 10~~ s~~ in the domain of PLC. The
arrow indicates the deformation at which the change
from ii to #2 occurs.]
3.2. DOMAINE D'EXISTENCE DU PH#NOMkNE PLO
3.2.I. Machine molle. Les essais de traction effectuAs h diffArentes tempAratures et vitesses de dAformation out permis de dAterminer Ies Iimites du domaine d'existence du phAnomAne
PLC. La figure 5 montre darts un diagramme log -1IT les rAsultats obtenus pour des essais de traction poursuivis jusqu'h la rupture des dprouvettes les filches en bas indiquent les cas oh les limites se situent en dehors de l'intervalle de fi 4tudiA. Les limites du domaine d'existence du PLC ne paraissent pas toujours rectilignes et on observe une fermeture de ce domaine lorsque
la temp4rature et la vitesse de contrainte d'essai augmentent.
La frontiAre infArieure du domaine PLC (faibles vitesses et tempAratures AlevAes) est gAn4- ralement associAe h la transition trainage des dislocations-effet PLC notAe frontiAre T, et la borne sup4rieure h la transition effet PLC-friction appelAe frontiAre F [9]. Au voisinage de la
T=100°C
DomaIne £= 0,12
PLC
I 0,10
(
90 0,08~-
b
o
70
~
PLC 4vanescent
So
lo 5 lS~ lo'3 lo 2
lo
#(S~)
Fig. 4. Courbes contrainte-vitesse de d6formation h T =100 °C (373 K) et h diffdrentes ddforma- tions e.
[Stress-strain rate curves at T = 100 °C (373 K) and at various deformations e-j
frontiAre T, la population des dislocations en trainage est la plus importante, alors que prAs de la frontiAre F, c'est la population de dislocations en rAgime de friction qui devient prApondArante.
3.2.2. Machine dure. La figure 6 mo÷÷tre (es limites du domaine d'existence du phAnomAne
PLC dons un diagramme log IIT. On observe Agalement, pour ces essais h vitesse de d4formation imposAe, une fermeture de ce domaine aux hautes tempAratures et grandes vitesses de dAformation. I fixAe, l'intervalle de tempArature oh se manifeste le PLC est d'autant plus large que la vitesse de dAformatio÷÷ est faible. En revanche, h T fix4e, l'intervalle de vitesse de
dAformation oh le PLC existe, semble plus 4tendu aux tempAratures intermAdiaires.
Ces rAsultats, comme ceux obtenus sur machine molle, sent une confirmation expArimentale de la fermeture, aux vitesses de chargement AlevAes, du domaine d'existence du ph4nomAne
PLC prAvue dons (es approches thAoriques [20]. Pour des raisers techniques (ides h la vitesse minimum que l'on peut imposer h la traverse de la machine de traction, nous n'avons pas pu dAterminer (es limites du domaine d'existence du PLC aux trAs basses vitesses de dAformation.
Il n'existe h ce jour aucune Atude expArimentale sun un alliage sujet au phAnomAne PLC, dAcrivant l'ensemble du domaine d'instabilitA. Les observations expArimentales d'autres auteurs
[7,16-19] concemant les limites d'apparition de l'instabilitA PLC dAcrivent deux droites de pentes difsArentes darts un diagramme log IIT. L'intersection de ces droites intervient darts le domaine des hautes tempAratures et grandes vitesses de dAformation.
3.3. DtFORMATION cRiTiQuE. Les variations de la d4formation critique ec d'apparition de l'efset PLC en fonction de la vitesse de dAformation, sent illustrAes sun les figures 7a et 7b
pour les essais sur machine dure. Les rAsultats des essais sur machine molle sent reprAsent#s
sur les figures 8a et 8b en fonction de la vitesse de contrainte.
o o
j ~
~
, ~ ,
.20°C
j j ~ 0
~
0
G' * °
, e 0 ~ 0
~ 0 ~ 0
q~ 0 ~ 0
( 100°C
b ~
o~i 0 ~ 0 k
0 ~ D k
~ D k
. a 1
10_4
0,002 t/T (I/K) 0,005
Fig. 5. Limites du domaine d'existence des instabilitds plastiques de type PLC dans
un diagramme
vitesse de contrainte b I/T, obtenues pour des essais de traction h fi constant (machine de traction
molle). Les filches indiquent Ies temp6ratures pour Iesquelles les limites infArieures du domaine n'ont pas 6t6 atteintes.
[Limits of the domain where the plastic instabilities PLC occur in stress rate fi- IIT diagram, obtained for tensile tests at constant fi (soft testing machine). The arrows indicate the temperatures at which
lower limits are not reached.]
~~-l
60°C 20°C
lo ° ' .20°C
o .
o . u
~10 ~ ~ ~
,'~ e o . u
~ e o . u
~ 10 ~ ~ ~
o . u 1
~~~~ o . u i
io ~
o . u 1
lo'~
0,002 1/T (1/K) 0,005
Fig. 6. Limites du domaine d'existence des instabilit6s plastiques de type PLC dans un diagramme
vitesse de d6formation -1/T, obtenues pour des essais de traction k constant (machine de traction
dure). Les filches indiquent Ies temp6ratures pour Iesquelles Ies Iimites inf6rieures du domaine n'ont pas 6t6 atteintes.
[Limits of the domain where the plastic instabilities PLC occur in strain rate @- IIT diagram, obtained for tensile tests at constant (hard testing machine). The arrows indicate the temperatures at which Io~ver limits
are not reached.]
