APPLICATION DES MÉTHODES DE MESURE ISOTHERME DU FROTTEMENT INTÉRIEUR À L'ÉTUDE DE LA MICROPLASTICITÉ DE L'ALUMINIUM

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APPLICATION DES MÉTHODES DE MESURE ISOTHERME DU FROTTEMENT INTÉRIEUR À

L’ÉTUDE DE LA MICROPLASTICITÉ DE L’ALUMINIUM

Guan de Lin, J. Woirgard, J. Amirault

To cite this version:

Guan de Lin, J. Woirgard, J. Amirault. APPLICATION DES MÉTHODES DE MESURE ISOTHERME DU FROTTEMENT INTÉRIEUR À L’ÉTUDE DE LA MICROPLASTIC- ITÉ DE L’ALUMINIUM. Journal de Physique Colloques, 1983, 44 (C9), pp.C9-771-C9-776.

�10.1051/jphyscol:19839117�. �jpa-00223352�

JOURNAL DE PHYSIQUE

Colloque

C9,

supplément a u

n012,

Tome 44, décembre

1983

page C9-771

APPLICATION DES MÉTHODES DE MESURE ISOTHERME D U FROTTEMENT INTÉRIEUR A L'ÉTUDE DE LA MICROPLASTICITÉ D E L'ALUMINIUM

Guan D e L i n , J. w o i r g a r d r e t J . P . ~ m i r a u l t '

I n s t i t u t e o f Metaii Research,AcaderrieaSiniea Shenyang, China

abor oratoire

de Mécanique e t de Physique des Matériaux, E.R.A. CNRS N o 223, ENSMA, 86034 P o i t i e r s Cedex, France

Résumé - Un appareil permettant d'imposer des vibrations de torsion de fortes amplitudes ( 1 0 - ~

< ^Y <

1 0 - ~

à

des échantillons de faibles di- mensions a été réalisé. L'amortissement et le module de torsion peuvent ainsi être déterminés entre l'ambiante et 600 OC, sur une large gamme de fréquences

:

1 0 - ~ Hz - ¹ Hz.

Les essais réalisés sur des échantillons d'aluminium 3N ont permis de mettre en évidence un stade de durcissement, au cours des premiers cycles, suivi d'un adoucissement progressif. Le durcissement s'accompa- gne d'une chute du frottement intérieur et l'adoucissement d'une augmentation régulière.

Abstract

:

An apparatus allowing to perform high amplitude torsional tests ( 1 0 - ~

< y <

in small sized specimens has been realized.

Damping and shear modulus can be determined between room temperature and 600 OC on a large frequency range

:

IO-^ Hz

-

1 Hz.

Preliminary tests performed in Al 3 N specimens evidenced a hardening period during the first cycles followed by a progressive softening.

Hardeni ng corresponds to a decreasi ng dampi ng and softening to a progressively increasing one.

1

- INTRODUCTION

Lorsque des échantillons d'aluminium pur sont soumis

à

une contrainte alternative,

à

la température ambiante, on peut distinguer plusieurs stades de déformation

:

- un premier stade, aux plus basses contraintes, correspondant

à

un frottement intérieur peu important et indépendant de l'amplitude de vibration. Dans ce domaine de contraintes apparaissent seuls,

à

certaines températures, des effets de relaxation linéaires correspondant

à

une déformation purement anélastique.

- un second stade au dessus d'une contrainte critique

O

(limite microélastique), correspondant

à

un amorti ssement sensible

à

1 'ampli tudea de vibration et passant, pour des amplitudes suffisamment élevées, par un maximum. Ce stade initial est décrit de façon statisfaisante par le modèle de désancrage de Granato et Lücke (1

)

qui ne prend pas en compte l'influence de l'activation thermique. . De nombreux modèles dérivés de ce modèle initial ont été ensuite proposés, prenant en compte, cette influence de la température

( 2 )

et faisant également intervenir la diffusion, transversale ou longitudinale de ces impuretés (3) (4). Des impuretés confinées

à

la ligne de dislocation (5) ou réparties régulièrement dans la matrice (6) ont également été envisagées. La caractéristique de ces modèles, faisant intervenir l'activation thermique , est de conduire

à

des amortissements sensibles

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:19839117

C9-772 JOURNAL DE PHYSIQUE

à l a fréquence de v i b r a t i o n . Ces modèles peuvent probablement ê t r e appliqués aux spectres d'amortissement r e l e v é s à moyenne température ( j u s q u ' à 0,5 T ) mais il semble, dans l e cas de 1 'aluminium, que l e s quelques r é s u l t a t s d i s p o n i b f e s p o r t a n t sur 1 ' i n f l u e n c e de l a fréquence ( 7 ) , montrent à quelques exceptions prés (8) une r e l a t i v e i n s e n s i b i l i t é de l'amortissement à ce paramètre. Tous ces modèles reposent sur l ' h y p o t h è s e de mouvements t r è s l i m i t é s de segments de d i s l o c a t i o n s (quelques d i stances interatomiques) e t parfaitement r é v e r s i b l e s en r a i son de l ' a c t i o n de l a t e n s i o n de l i g n e .

Aux p l u s f o r t e s amplitudes, on v o i t a p p a r a î t r e un nouveau stade c a r a c t é r i s é par une augmentation t r è s r a p i d e de 1 'amortissement avec l a c o n t r a i n t e ( 2 ) . Ce stade a é t é associé à 1 ' a p p a r i t i o n de l a p l a s t i c i t é (9) , l a déformation non é l a s t i q u e correspondante é t a n t supposée essentiellement non recouvrable après suppression de l a c o n t r a i n t e .

Lors des e s s u i s de f r o t t e m e n t i n t é r i e u r conventionnels on suppose, contrairement aux essais de f a t i g u e , que l e s c o n t r a i n t e s appliquées sont suffisamment f a i b l e s pour ne pas i n t r o d u i r e de m o d i f i c a t i o n s permanentes de l ' é t a t m i c r o s t r u c t u r a l des é c h a n t i l l o n s . On v o i t donc que l e d e r n i e r stade examiné, associé à des déformations permanentes, correspond aux t o u t e s premières m a n i f e s t a t i o n s de l'endommagement c a r a c t é r i s t i q u e des essais de f a t i g u e . Ce stade i n t e r m é d i a i r e , e n t r e l e frottement i n t é r i e u r conventionnel e t l a f a t i g u e e s t cependant mal connu.

En effet l e s essais de frottemaint i n t é r i e u r sont rarement e f f e c t u é s à des ampli- tudes de v i b r a t i o n s s u f f i s a n t e s ( 1 0 ~ ~ < Y < 1 0 - ~ e t s u r t o u t ne permettent pas de c o n n a i t r e 1 'i n f l u e n c e du paramètre e s s e n t i e l q u ' e s t l a fréquence de v i b r a t i o n ; d ' a u t r e p a r t , l e s essais de f a t i g u e ne permettent pas d ' o b t e n i r avec une p r é c i s i o n s u f f i s a n t e l'amortissement e t l ' a m p l i t u d e de v i b r a t i o n .

Le b u t de ce t r a v a i l e s t donc de- présenter l e s r é s u l t a t s p r é l i m i n a i r e s obtenus, sur l'aluminium, avec un d i s p o s i t i f expérimental permettant de mesurer directement l e s p a r t i e s r é e l l e s e t i m a g i n a i r e s du module dynamique de t o r s i o n en f o n c t i o n de l a fréquence ( e n t r e 1 0 - ~ Hz e t 1 Hz) e t pour des amplitudes de v i b r a t i o n maximales correspondant à des déformations u n i t a i r e s aussi élevées que 1 0 - ~

II

-

DISPOSITIF EXPERIMENTAL

Un schéma de p r i n c i p e du d i s p o s i t i f expérimental e s t représenté sur l a f i g u r e 1.

L ' a p p a r e i l e s t un pendule de t o r s i o n i n v e r s é muni d'une suspension spéciale. Un système à double p o u l i e permet, t o u t en é q u i l i b r a n t l e poids de l ' é q u i p a g e mobile, de communiquer une f o r t e t e n s i o n à un ruban m é t a l l i q u e de f a i b l e épaisseur (0,05 mm) e t d ' o b t e n i r une suspension présentant une f o r t e r a i d e u r t r a n s v e r s a l e e t une t r è s f a i b l e r a i d e u r de t o r s i o n . Les v i b r a t i o n s de t o r s i o n sont communiquées à l ' é q u i p a g e mobile par l ' i n t e r m é d i a i r e d ' u n aimant permanent, grâce à deux bobines de Helmoltz comportant chacune 2000 s p i r e s de f i l de c u i v r e é m a i l l é de 0,6 mm de diamètre. Il e s t a i n s i p o s s i b l e de communiquer des déformations importantes à des éprouvettes r e l a t i v e m e n t r i g i d e s , de dimensions u t i l e s : 20 x 6 x 1 mm3.

La déformation de l ' é p r o u v e t t e , c ' e s t - à - d i r e l e mouvement de l ' é q u i p a g e mobile e s t d é t e c t é par une méthode optique : un m i r o i r sphérique s o l i d a i r e de 1'équipa;e mobile forme l ' i m a g e d'un spot lumineux sur une photodiode d i f f é r e n t i e l l e rapide.

Compte tenu des f o r t e s déformations mises en jeu, l e bras de l e v i e r o p t i q u e e s t r é d u i t à 5 cm a f i n de p r é s e r v e r l a l i n é a r i t é de l a d é t e c t i o n .

En alimentant l e s bobines d ' e x c i t a t i o n avec un courant continu, il e s t également p o s s i b l e d ' e f f e c t u e r des essais q u a s i - s t a t i q u e s : f l u a g e de t o r s i o n e t r e l a x a t i o n de l a déformation e t a i n s i , de déterminer directement l e s composantes anélastiques

(recouvrables) e t p l a s t i q u e s de l a déformation.

III

-

RESULTATS EXPERIMENTAUX

Les é c h a n t i l l o n s d ' A l 3N o n t é t é laminés (de 3 mm à 1 mm d ' é p a i s s e u r ) p u i s r e c u i t s pendant 2 h à 450 O C , ce q u i a c o n d u i t à l ' é t a t de référence c a r a c t é r i s é par un diamètre de g r a i n s de 1 'o r d r e de 0,5 mm. Les r é s u l t a t s présentés ci-dessous o n t é t é obtenus à l a température ambiante.

La f i g u r e 2 montre, à t i t r e d'exemple, l e s v a r i a t i o n s de l'amortissement e t de l a déformation relevées en f o n c t i o n du nombre de cycles, pour une fréquence de v i b r a - t i o n de 0,l Hz e t une amplitude de v i b r a t i o n maximale de 7.

IO-^

On observe une période de durcissement pendant l e s 40 premiers cycles, s u i v i e d'un adoucissement p r o g r e s s i f . Parallèlement à c e t t e é v o l u t i o n de l a déformation, on observe une chute de l'amortissement s u i v i e d'une remontée progressive. Une é v o l u t i o n semblable e s t observée pour tous l e s essais e f f e c t u é s à des amplitudes supérieures à 2,5.10-~ mais e s t absente aux amplitudes i n f é r i e u r e s . Sur l a f i g u r e 3, r e l a t i v e à un essai e f f e c t u é à une amplitude v o i s i n e de 1 0 - ~ , on peut c o n s t a t e r l'absence d ' é v o l u t i o n de l a déformation ; par c o n t r e on peut n o t e r une l é g è r e d i m i n u t i o n de 1 'amortissement au cours des premiers cycles. Aux amplitudes i n f é r i e u r e s ( f i g u r e 4) c e t t e é v o l u t i o n de l'amortissement ne peut ê t r e observép.

Des essais de f l u a g e de t o r s i o n e t de r e l a x a t i o n de l a déformation o n t é t é e f f e c t u é s aux mêmes niveaux de c o n t r a i n t e s , a f i n de séparer l e s composantes anél astiques e t p l a s t i q u e s de l a déformation, après s o u s t r a c t i o n de l a déformation é l a s t i q u e . Les r é s u l t a t s sont rassemblés sur l a f i g u r e 5. Après comparaison de ces r é s u l t a t s avec ceux obtenus sous s o l l i c i t a t i o n c y c l i q u e , on d i s t i n g u e deux stades de déformation :

-

l e stade 1 correspondant à des amplitiides de v i b r a t i o n i n f é r i e u r e s à 2,5.10-~, e t une déformation essentiellement anélastique s e n s i b l e à 1 'amplitude de v i b r a t i o n , e s t c a r a c t é r i s é p a r des valeurs modérées de l'amortissement. Ce stade semble correspondre au domaine de v a l i d i t é du modèle de désancrage des segments de d i s l o c a t i o n s de Granato e t Lücke ( 1 ) .

-

l e stade 2, aux amplitudes supérieures, correspond à l ' a p p a r i t i o n de l a p l a s t i c i t é e t à une augmentation t r è s r a p i d e du frottement i n t é r i e u r . Ces d i f f é - r e n t s stades avaient d é j à é t é observés ( 2 ) , (91, sur 1 'aluminium, mais aucune i n d i c a t i o n p r é c i s e concernant l ' i n f l u e n c e de l a fréquence de v i b r a t i o n n ' a v a i t é t é rapportée. La f i g u r e 6 i n d i q u e donc l e s amortissements relevés, en f o n c t i o n de l a c o n t r a i n t e appliquée, à diverses fréquences. Sur c e t t e f i g u r e sont p o r t é s l e s amortissements i n i t i a u x (après l e l e r c y c l e ) e t l e s amortissement minimaux r e l e v é s au bout de quelques d i z a i n e s de c y c l e s comme mentionné p l u s haut. On peut c o n s t a t e r qu'aucune i n f l u e n c e s i g n i f i c a t i v e de l a fréquence ne peut ê t r e décelée ; l'amortissement i n i t i a l p l u s f a i b l e r e l e v é à 1 Hz s ' e x p l i q u a n t par l a d i f f i c u l t é , à c e t t e fréquence, de r e l e v e r l a v a l e u r i n i t i a l e de 1 'amortissement. La r e l a t i v e d i s p e r s i o n des r é s u l t a t s s ' e x p l i q u e sans doute par l e f a i t que ceux-ci o n t é t é obtenus sur des é c h a n t i l l o n s d i f f é r e n t s b i e n qu'ayant subi des t r a i t e m e n t s thermomécaniques identiques.

Cette absence d ' i n f l u e n c e de l a fréquence e s t confirmée par l a f i g u r e 7 q u i i n d i q u e l e s déformations i n i t i a l e s non é l a s t i q u e s obtenues à 0,001

-

0,01 e t 0,l Hz.

Par c o n t r e l e s déformations minimales obtenues à ces mêmes fréquences semblent évoluer de façon beaucoup p l u s complexe, ce q u i peut certainement ê t r e a t t r i b u é à 1 'i n f l u e n c e de l a r e s t a u r a t i o n , notable dès l a température ambiante sur 1 'aluminium pur.

JOURNAL DE PHYSIQUE

I V

-

DISCUSSION

Des r é s u l t a t s précédents, il r e s s o r t donc que l e s d é f o r m a t i o n s non é l a s t i q u e s observées en dessous de l a l i m i t e é l a s t i q u e macroscopique s u r l ' a l u m i n i u m ne correspondent pas à des mouvements thermiquement a c t i v é s des d i s l o c a t i o n s , ce q u i semble c o r r e s p o n d r e au modèle i n i t i a l de Granato e t Lücke ( 1 ) dans l e q u e l 1 ' i n f l u e n c e de 1 ' a c t i v a t i o n t h e r m i q u e n ' e s t pas p r i s e en compte. Ce modèle q u i s ' a p p u i e s u r l a c o u r b u r e r e v e r s i b l e de segments f o r t e m e n t ancrés aux e x t r é m i t é s ne p e u t cependant r e n d r e compte du c a r a c t è r e f o r t e m e n t non r é v e r s i b l e de l a d é f o r m a t i o n mais e s t probablement a p p l i c a b l e au s t a d e 1 de l a d é f o r m a t i o n . Il l a i s s e d ' a i l l e u r s p r é v o i r l ' e x i s t e n c e d ' u n maximum d'amortissement en f o n c t i o n de l ' a m p l i t u d e de v i b r a t i o n , maximum masqué dans l e cas p r é s e n t p a r l ' a p p a r i t i o n de l a m i c r o p l a s t i c i t é . On e s t donc c o n d u i t à e n v i s a g e r , comme Feltham dans l e cas de ses e s s a i s s u r m o n o c r i s t a u x de c u i v r e e t de l a i t o n (101, des déplacements i m p o r t a n t s de l o n g s segments dans l e champ des c o n t r a i n t e s i n t e r n e s , de grande longueur d'onde, dû aux i n t e r a c t i o n s e n t r e d i s l o c a t i o n s ou à l ' i n f l u e n c e de d é f a u t s t e l s qu'amas de d i s l o c a t i o n s , empilements ou j o i n t s h o r s d ' é q u i l i b r e . Le stade de durcissement observé au c o u r s des p r e m i e r s c y c l e s , correspond à l ' a c t i v a t i o n de sources f a v o r a b l e m e n t o r i e n t é e s ce q u i , p a r c r é a t i o n de b o u c l e s f r a î c h e s t e n d à m o d i f i e r l e champ des c o n t r a i n t e s i n t e r n e s .

A i n s i , pour r e n d r e compte de ces r é s u l t a t s , on p e u t supposer avec Avery e t B a c k o f f e n ( 1 1 ) q u ' i l e x i s t e deux t y p e s de d é f a u t s : l e s d é f a u t s s i g n a l é s p l u s haut, c r é a n t des c o n t r a i n t e s i n t e r n e s p é r i o d i q u e s de grande longueur d 'onde e t des d é f a u t s beaucoup p l u s l o c a l i s é s ( i m p u r e t é s

-

b o u c l e s de d i s l o c a t i o n s . . . ) i n t r o d u i s a n t une f o r c e de " f r o t t e m e n t " s'opposant au mouvement des d i s l o c a t i o n s . Aux c o n t r a i n t e s é l e v é e s a p p l i q u é e s dans c e t y p e d ' e s s a i s , l e s d é f a u t s d u second t y p e s o n t aisément f r a n c h i s p a r l e s d i s l o c a t i o n s p a r t i c i p a n t à l a d é f o r m a t i o n q u i , a i n s i , n ' a p p a r a î t pas thermiquement a c t i v é e . Par c o n t r e l ' a d o u c i s s e m e n t , r e l i é à l a l i b é r a t i o n de c e r t a i n s segments : d e s t r u c t i o n d'empilements

-

a n i h i l a t i o n de segments de s i g n e s opposés a p p a r a i t s e n s i b l e à l ' a c t i v a i o n t h e r m i q u e

-

contourne- ment d ' o b s t a c l e s p a r g l i s s e m e n t d é v i é ou montée. Cet adoucissement ne se m a n i f e s t e que s u r l e s é c h a n t i l l o n s é c r o u i s , s o i t p a r déformation p r é a l a b l e , s o i t sous l ' a c t i o n de l a c o n t r a i n t e c y c l i q u e , ce q u i e x p l i q u e q u ' i l ne s o i t pas observé aux p l u s f a i b l e s c o n t r a i n t e s .

V - CONCLUSION

Ces e s s a i s p r é 1 im i n a i r e s s u r 11 'aluminium 3N, m o n t r e n t que l e s m i c r o d é f o r m a t i ons observées au dessous de l a l i m i t e é l a s t i q u e c o n v e n t i o n n e l l e ne s o n t pas d i r e c t e m e n t s e n s i b l e s à l a fréquence, c e q u i c o n s t i t u e un argument en f a v e u r de 1 'hypothèse de mouvements de grande ampli t u d e parmi des b a r r i è r e s , e x e r ç a n t des a c t i o n s à grande d i s t a n c e , d o n t l e f r a n c h i s s e m e n t ne p e u t ê t r e e f f i c a c e m e n t a i d é p a r l ' a c t i v a t i o n thermique.

REFERENCES

1 - GRANATO e t LUCKE, J. A p p l i e d Phys. 27, (1956) 583.

2

-

PEGUIN P., PEREZ J. and GOBIN P., K n s . o f AIME, 239 (1967) 438.

3

-

Cf. Tokyo d i f f u s i o n t r a n s v e r s e t l o n g i t u d i n a l e .

-

4 - Cf. Tokyo d i f f u s i o n t r a n s v e r s e t l o n g i t u d i n a l e . 5

-

I S H I I K., J. Phys. Soc. Japan 28 (1970) 168.

6

-

I S H I I K. and NISHIDA K., J. P h z . Soc. Japan 36 (1974) 1214.

7 ^; GOETTLER H. J. and NELSON C.W., J. A p p l i e d P h y E 47 (1976) 3858.

8

-

J. PEREZ, P. PEGUIN and P. GOBIN, J. de Phys. ( 1 v 1 ) C2. 127.

9 - MASON W., i n Resonance and R e l a x a t i o n i n M e t a l s . Plenum Press, New-York (1964).

10

-

FELTHAM P., P r o c e e d i n g t h of t h e 3nd ECIFUAS. Pergamon Press, Manchester (1979) 115.

11

-

AVERY D.H. e t BACKOFEN W.A., A c t a Met. 11 (1963) 653. -

1 Poulies

a amortissement b -déformation

6 5 -

6

150 300 L50 600 Nbcycles

Fig.1- Schéma de principe du dispo-

F i g . 2 -

Evolution de 1 'amortissement et de la sitif expérimental. déformation totale avec le nombre de

cycles.

Ymax

⁼

7.10-~

t

^I

1

150 3 O0 450 600 N b cycles

Fig.3- Evolution de 1 'amortissement et de la déforma- tion totale avec le nombre de cycles.

=

10-4 'max

4

1

100 3 O0 450 600 Nb cycles

Fig.4- Evolution de l'amortissement et de la déforma-

tion totale avec le nombre de cycles.

JOURNAL DE PHYSIQUE

Fig.5- Déformations p l a s t i q u e s e t ané- Fig.6- Amortissements i n i t i a u x e t mi- l a s t i q u e s , mesurées directement nimaux r e l e v é s à d i f f é r e n t e s en f o n c t i o n de l a c o n t r a i n t e fréquences.

appliquée.

Fig.7- Déformations i n é l a s t i q u e s i n i - t i a l e s en f o n c t i o n de l a con- t r a i n t e appliquée, relevées à 1 0 - ~ HZ

- IO-^

^HZ e t IO-' HZ.

Fig.8- Déformations anél astiques m i n i

-

males r e l e v é e s à d i f f é r e n t e s fréquences, en f o n c t i o n de l a c o n t r a i n t e appliquée.