S. Morabito, C. Léang, H. Bernard 13/02/08
TP MATERIAUXPLASTICITE – DURCISSEMENT
PAR ECROUISSAGE
GROUPE D – suivi par Sylviane Bourgeois
Objectif du TP
2 S. Morabito, C. Léang, H. Bernard
Notions abordées:ContrainteDéformation (élastique etplastique)Ecrouissage, dislocation, joints degrainLimite d’élasticité (apparente,conventionnelle)Module d’Young
Tracer les courbes de tractionet les étudierCaractériser et comparer lecomportement des matériaux(A5 et AG3, écroui et nonécroui)
Objectif du TPDeux typologies d’essais:
Caractérisation mécanique de l’aluminium pur à 99%, A5, et de l’alliaged’aluminium AG3 (avec 2.5-3% de magnésium), par essais de tractionjusqu’à rupture.Ces essais nous ont permis de vérifier de manière comparative l’influence del’adjonction du magnésium sur le comportement mécanique du matériauainsi que de mesurer l’impact du matériau sur la valeur de variables tellesque la limite d’élasticité (nominale et conventionnelle), la résistance à latraction, l’allongement à rupture et le modulé d’Young
Ecrouissage de 5 éprouvettes d’AG3 au taux de 2%, 3%, 4%, 5% et 6%,recristallisation et essais de rupture pour vérifier le durcissement paraffinement des grainsCes essais nous ont permis de vérifier expérimentalement la loi de Hall-Petch, qui stipule que la limite conventionnelle d’élasticité à 0.2% (Re0.2)estinversement proportionnelle à la taille moyenne des grains (d-1/2), selon uncoefficient (k) qui dépend du matériau:
Re0.2 = σ0+kd-1/2
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Essai de traction comparatif A5 – AG3LE MATERIEL UTILISE
Machine de traction Instron 4505Capteur de charge (dynamomètre)Extensomètre (25 mm +/- 5 mm)Ordinateur (courbe brute de traction)Eprouvettes plates d’A5 et AG3, selon forme, dimensions et composition spécifiées ci-dessous
85 mm = = 1.97 mm
9.75 mm
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RESULTATS
Essai de traction comparatif A5 – AG3A5 AG3
R0.2 19 MPa 92 MPa
Rm 79 MPa 236 MPa
RR 1.2 MPa 191 MPa
AR 32% 23%
E extenso 62692 MPa 68067 MPa
E traverse 30666 MPa 31694 MPa
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OBSERVATIONS:Le module d’élasticité de la traverse est plus faible que celui del’extensomètre.Le domaine élastique très limité pour l’A5 module d’Youngdifficilement calculable, contrairement à l’AG3 où le domaine élastique etle module d’Young sont facilement identifiables.La limite d’élasticité est beaucoup plus élevée pour l’AG3 que pour l’A5,ainsi que sa résistance maximale à la traction. En revanche la rupture del’AG3 se produit à une moindre déformation que celle de l’A5, ce quitraduit son inférieure ductilité, confirmée par unerupture en cisaillement à 45° et une striction à rupture moinsimportante que pour l’A5.Présence d’effets Portevin Le Chatelier visibles sur la courbe de tractionde l’AG3.Les deux éprouvettes présentent une différence évidente degranulométrie, l’A5 étant d’aspect beaucoup plus rugueux, signe d’unallongement plus important des grains et d’une déformation plusimportante à rupture.
Essai de traction comparatif A5 – AG3
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Essais d’écrouissage de l’AG3 aux taux de déformation de 2%, 3%, 4%, 5% et 6%
7 S. Morabito, C. Léang, H. Bernard
Essais d’écrouissage de l’AG3 aux taux de déformation de 2%, 3%, 4%, 5% et 6%
OBSERVATIONS:Nécessité d’augmenter la contrainte afin de pouvoir continuerà allonger le matériau augmentation de la limite d’élasticitéet durcissementL’éprouvette écrouie à 2% présente une anomalie decomportementRésultats légèrement différents pour le module d’Youngexplicables par des erreurs de mesure ou une différenteorigine des éprouvettesAspect en palier des courbes de traction augmentation desobstacles à la dislocation. Les paliers représentent les zones defranchissement de ces obstacles.
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Recristallisation des éprouvettesRecristallisation des éprouvettes d’AG3, précédemmentécrouies à 2%, 3%, 4%, 5% et 6%, par passage au four à 540°Cpendant 30 minutesLa recristallisation, activée par la température, procède pargermination et croissance, comme spécifié ci-dessous:
En dessous d’un taux critique d’écrouissage, la germination nese produit pas. C’est ce qui est arrivé avec l’éprouvette écrouieà 2%.
Structureanisotrope
Structureisotrope et équiaxe
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Révélation des grains et loi de Hall PetchRévélation des grains: polissage et immersion des éprouvettes dans un bain d’acidecomposé de: 156ml H2O, 26 ml HCl, 18 ml HFComptage des grains présents par unité de longueur et détermination du diamètremoyen
Application de la loi de Hall Petch afin de vérifier la cohérence des donnéesexpérimentales avec la loi théorique.
Re0.2 = σ0+kd-1/2
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Révélation des grains et loi de Hall Petch
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Observations
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Nos résultats expérimentaux sont cohérents avec lesrésultats théoriques et avec l’étalonnage qui présente unecourbe Re0.2 = f(ΔL) en dessous des 80 MPaPlus le taux d’écrouissage augmente et plus la taille desgrains diminue ceci est du à l’augmentation des sitespropices à la germination par augmentation de l’énergiefournie par écrouissage.La limite conventionnelle d’élasticité augmente demanière directement proportionnelle au tauxd’écrouissage plus le taux d’écrouissage est importantet plus la limite d’élasticité est élevée. Nous obtenonsainsi un durcissement du matériau.
S. Morabito, C. Léang, H. Bernard
Essai de rupture sur les éprouvettes écrouies à 2%, 3%, 4%, 5% et 6% et recristallisées.
13 S. Morabito, C. Léang, H. Bernard
On effectue des essais de traction jusqu’à rupture des échantillons écrouisrespectivement à 2, 3, 4, 5, et 6% après recristallisation.Nous souhaitons observer les propriétés élastiques et plastiques de nos échantillons.
Sur ce graphique, nous pouvons constater que les propriétés mécaniques de noséchantillons varient en fonction du degré d’écrouissage.Les résultats obtenus pour les échantillons de 2% et 4% d’écrouissage sontapparemment faussés.
Essais de traction jusquà rupture
0
50
100
150
200
250
0,00 0,01 0,02 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,07 0,07
Déformation
2%3%4%5%6%
Observations / Résistance maximale à la traction
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Évolution de Rm en fonction du degré d'écrouissage
175
180
185
190
195
200
205
2% 3% 4% 5% 6%
Degré d'écrouissage (en %)
RM
Con
trai
nte
(MP
a)
En supprimant la valeur del’éprouvette écrouie à 4%, ilest possible d’obtenir unedroite de tendancecohérente par rapport auxdonnées expérimentales.La contrainte à Rm estdirectementproportionnelle au degréd’écrouissageL’écrouissage d’un matériaupermet donc de faire varierses propriétés mécaniques,notamment d’augmenter sarésistance maximale àtraction.
Observations / Elasticité
15 S. Morabito, C. Léang, H. Bernard
L’élasticité d’un matériau est caractérisée par sa limite d’élasticité ainsi que par son module d’YoungTracer les valeurs de la limite conventionnelle d’élasticité en fonction du degré d’écrouissage nous permet de mettre en évidence l’influence de l’écrouissage sur la limite d’élasticité du matériau.
La limite d’élasticité varie de manièredirectement proportionnelle au tauxd’écrouissage. Ses valeurs sont comprisesentre 60 et 80 MPa.Après recristallisation, plus le nombre degrains est important, plus la surface desjoints de grain par unité de volume dumatériaux est élevé, plus il y a d’obstaclesau déplacement des dislocations.Il est donc possible de travailler sur ledegré d’élasticité d’un matériaux en jouantsur la taille des grains.
Module d'élasticité en fonction du degré d'écrouissage
0
20
40
60
80
100
120
1 2 3 4 5
Degré s'écrouissage (en %)
Module d'élasticité
Limite conventionnelle d’élasticité Re0,2 en fonction du taux d’écrouissage
Conclusions
16 S. Morabito, C. Léang, H. Bernard
3 méthodes pour augmenter la limite d’élasticité:Utilisation d’éléments d’alliage (ex: magnésium)Ecrouissage (créations de dislocations) Recristallisation après écrouissage: diminution de la taille des grains
Impact:Augmentation de la résistance à la traction des matériauxDurcissement des matériauxDiminution de la capacité des matériaux à se déformer(diminution de la ductilité)
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