Élaboration d’un alliage par métallurgie des poudres et corrélation entre

microstructure et propriétés mécaniques

Universidad de Chile, Santiago

Par Thomas BrunStage de M1 Technologie Mécanique

du 9 Mai au 22 Août 2005

Plan de la présentation

1. Présentation du lieu du stage

2. Présentation du sujet

3. Fabrication des matériaux

4. Essais réalisés

5. Conclusion

Le Chili• Superficie : 757 000 km² - 4300 km de long (nord/sud)

100 km / 200 km de largeur moyenne (est/ ouest) • Population : 14 500 000 habitants• Capitale : Santiago du Chili (5 000 000 habitants)• Système politique : république, régime présidentiel • Chef d'état : Ricardo Lagos depuis le 12 mars 2000 • Langues : espagnol (langue officielle), aymara et mapuche

1. Présentation du lieu de travail 1/19

Universidad de Chile

• L’une des 3 meilleures universités publiques du Chili

• 162 ans d’existence

• 13 campus dans Santiago centre

• 1200 élèves sur le seul campus de Beauchef (physique et ingénierie)

1. Présentation du lieu de travail 2/19

Lieu et équipe de travail

• Responsable projet :

Professeur M. ElguetaDepartamiento de Ingenieria Mecanica, U. de Chile

3/191. Présentation du lieu de travail

• Collaborateurs :

David Oses& Rodrigo Sequel

Étudiants de 4ème année au Departamiento de Ingenieria Mecanica, U. de Chile

dans le cadre de leurs mémoires de fin d’étude

Antécédents du projet

• Projet basé sur le mémoire de fin d’études :

« Comportement mécanique à la fatigue de matériaux composites à base cuivre renforcée de carbure de

tungstène »Par Pablo Enrique Astudillo Maillard, 2004, Universidad de Chile.

2. Présentation du sujet 4/19

Déterminer la variation des propriétés mécaniques en traction et en fatigue en fonction de

la fraction volumétrique et la taille des particules de renfort dans un alliage Cu-WC

Objectifs2. Présentation du sujet 5/19

→ Fabrication des matériaux

→ Essais de traction

→ Essais de flexion

→ Relation à la microstructure

Mélange mécanique de poudres

Méthode de fabrication (1/2)

3. Fabrication des matériaux 6/19

Compaction à froid

Extrusion à chaud

Méthode de fabrication (2/2)

3. Fabrication des matériaux 7/19

Mise en capsule sous vide

Puis les éprouvettes sont usinées sur un tour conventionnel et rectifiées sur un tour numérique

(norme ASTM E 466)

• L’extrusion est un procédé délicat dans lequel aucun de nous n’avait d’expérience. Les variables à maîtriser sont nombreuses :

– Températures et temps de chauffage des 5 différentes pièces

– Vitesse d’avance du poinçon

– Pression appliquée

La bibliographie sur le sujet est peu fournie.

• Processus long a mettre en place (une extrusion par jour).

→ beaucoup de matériel pas toujours disponible:

fours défectueux ou utilisés par d’autres projets, machines en réparation, etc.

• Matrices d’extrusion sont endommagées trop rapidement → délais importants.

• Le contrôle des températures et temps de chauffage des pièces est imparfait : certains fours chauffent à des vitesses variables, d’autres ont des capteurs défectueux, etc.

Problèmes rencontrés3. Fabrication des matériaux 8/19

Objectif : « faciliter » l’extrusion

• Augmentation de la température de chauffage du matériau

• Diminution de la taille du solide compacté (donc de la capsule) → effort nécessaire à l’extrusion plus faible.

• Traitement thermique de la matrice : trempe et revenu.

Solutions apportées3. Fabrication des matériaux 9/19

• Matériau : cuivre (Cu) renforcé de carbure de tungstène (WC)5 types de matériaux différents :– Cu+ 1% WC, particules de 6-10µm

– Cu+ 10% WC, particules de 6-10µm

– Cu+ 15% WC, particules de 6-10µm

– Cu+ 10% WC, particules de 4,3µm

– Cu+ 10% WC, particules de 23µm

• 8 éprouvettes de fatigue et 1 de traction pour chaque matériau.

Matériaux fabriqués3. Fabrication des matériaux 10/19

• Essais de traction→ confiés à une entreprise extérieure, faute de moyens techniques.

• Essais de fatigue par flexion rotative

Les essais réalisés4. Essais réalisés 11/19

Moteur électrique

Capteur

Compte-tours

Éprouvette

Effort

• Évolution de la dureté en fonction du nombre de cycles sous charge

(dureté Vickers, charge 2kg)

Traitement des essais de fatigue

4. Essais réalisés 12/19

• Mesures de microdureté en fonction de la distance à une particule de WC.

Résultats des essais de traction

(1/2)

5. Conclusion 13/19

Influence de la fraction volumique

0

10

20

30

40

50

60

Déformation (%A) 8,46 3,09 4,1

Striction (%) 51 3,98 8,84

1% 6-10 10% 6-10 15% 6-10

250

270

290

310

330

350

370

Lilmite élastique (0,2%) en MPa 286,1 292,1 282

Effort maximal en MPa 360,3 356,9 345,5

1% 6-10 10% 6-10 15% 6-10

Une fraction volumique faible permet de garder les propriétés de ductilité de la matrice;

La limite élastique en traction est supérieure pour une f.v. ‘moyenne’

Résultats des essais de traction

(1/2)

5. Conclusion 14/19

250,00

270,00

290,00

310,00

330,00

350,00

370,00

Limite élastique (0,2%) enMPa

302,50 292,10 277,90

Effort maximal en MPa 369,10 356,90 343,00

10% 4,3 10% 6-10 10% 230,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

Déformation (A%) 3,90 3,09 3,11

Striction (%) 10,65 3,98 12,26

1% 6-10 10% 6-10 15% 6-10

Influence de taille des particules

Des particules de petite taille donnent clairement un meilleur comportement en traction

Résultats des essais de fatigue5. Conclusion 15/19

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

10% 4,3 10% 6-10 10% 23

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

1% 6-10 10% 6-10 15% 6-10

Influence de la taille des particules

Influence de la fraction volumique

Résultats des essais de dureté 5. Conclusion 16/19

100110120130140150160170180190200

0 20000 40000 60000 80000

Nb de cycles

Dur

eté

Hv2

10% 23µm

10% 6-10µm

10% 4,3µm

1% 6-10µm

15% 6-10µm

100

110

120

130

140

150

160

170

180

0 10 20 30 40 50 60 70 80

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 10 20 30 40 50 60

Résultats des essais de microdureté

5. Conclusion 17/19

Distance à la particule de WC en µm

Dureté HVMesures autour de 3 particules au hasard

Éprouvette :1% WC 6-10µmÉprouvette :10% WC 23µm

0

50

100

150

200

250

300

0 5 10 15 20 25 30

Éprouvette :10% WC 4,3µm

La dureté augmente lorsqu’on s’approche d’une particule.

Détermination du mécanisme de rupture

• Des particules de petite taille donnent clairement un meilleur comportement en traction.Des particules de taille ‘moyenne’ donnent les meilleurs résultats en fatigue de flexion.

• Une fraction volumique faible permet de garder les propriétés de ductilité de la matrice en traction et augmente le nombre de cycles à rupture.

• La limite élastique en traction est supérieure pour une f.v. ‘moyenne’.

• Mécanisme de rupture : décohésion de l’interface matrice particule.

Conclusion (1/2)

5. Conclusion 18/19

• Perspectives

• Apport personnel

Conclusion (2/2)

5. Conclusion 19/19

Remerciements à :René Billardon, Marcelo Elgueta, David Oses, Rodrigo Sequel ; à mes amis chiliens Dago, Edy, Fabiola, Pancho, Jorge, Alex ; à Ewen et Sarah.