Composites à matrice métallique élaborés par déformation

Composites à matrice métallique élaborés par déformation plastique
Julien Nguyena, Xavier Sauvagea, Olivier Bouazizb
a
b
Groupe de Physiques des Matériaux UMR CNRS 6634, France
Laboratoire d'étude des microstructures et de mécanique des matériaux, UMR CNRS 7239, France
Résumé
Nous avons étudié l’influence des paramètres procédé par
déformation plastique intense pour l’élaboration de
matériaux composites à grande résistance spécifique. Le
système fer-magnésium (Fe-Mg) a été choisi et les
composites ont été réalisé par co-tréfilage. Deux stratégies
ont été choisies : à partir de matériaux massifs et
pulvérulents. La microstructure et les propriétés
mécaniques des différents matériaux composites élaborés
ont alors été caractérisées. Les interphases Fe-Mg à
différentes échelles permettent d’obtenir des matériaux
composites pouvant être soumis à des sollicitations
sévères, en particulier mécanique.
Figure 1. Processus d’élaboration du composite fermagnésium à partir de tiges de Mg [1]
Introduction
Les alliages d’acier ont une place importante dans
l’industrie du transport. Dans l’aéronautique ou
l’automobile, la demande en alliages à haute résistance
mécanique pour la conception de structures allégées est
fortement poussée par les objectifs de réduction de
consommation énergétique et d’émission de CO2. Ainsi, le
développement, l’optimisation et la conception de
nouveaux alliages aux propriétés améliorées est un facteur
clé de la compétitivité de ces industries. Cela inclus
également l’élaboration et les procédés de mise en forme.
Le magnésium et ses alliages appartiennent à la catégorie
des alliages légers et sont donc potentiellement
intéressants pour la conception de matériaux composites
alliant légèreté et résistance mécanique. Il est important de
noter que la solubilité mutuelle du fer et du magnésium est
extrêmement faible. Du fait que la température de fusion
de Fe est supérieure à la température d’ébullition de Mg,
l’élaboration du composite par co-déformation est la
méthode la plus réaliste. Nous proposons de concevoir des
matériaux composites métalliques par co-tréfilage.
Résultats expérimentaux
Les deux principes d’élaboration des matériaux composites
à partir de magnésium massif et pulvérulent sont présentés
aux Figure 1 et 2 respectivement. Le nombre de filaments
de magnésium, et donc la fraction volumique de Mg, dans
les composites peut être adapté selon les étapes du procédé
et le nombre de fils empaquetés dans le tube de fer.
Figure 2. Processus d’élaboration du composite fermagnésium à partir de poudre de Mg [2]
Les microstructures des matériaux composites élaborés ont
été caractérisées par microscopie optique. La
microstructure de la section du fil du composite Fe-Mg
massif, présentée à la Figure 3, est typique des matériaux
préparés par étirage et empilement à froid. La fraction
volumique de Mg dans le composite est d’environ 24%
soit une densité de 6,3 (réduction de 20 % par rapport à
l’acier). Les interfaces entre l’acier et le magnésium
apparaissent hautement dentelé, conséquence bien connue
d’une forte texturation des fibres selon une seule
composante <110> développée lors de l’étirage d’une
phase cubique centrée [1].
La Figure 5 montre la microstructure de la section du
composite de 5,6 mm de diamètre à l’étape 1 avec une
fraction volumique de magnésium théorique de 50% dans
le composite. La forme des fils de l’étape 0 évolue à partir
d’une section circulaire vers une forme polygonale à six
cotés pour la plupart d’entre eux, une microstructure déjà
observée dans des composites Cu-C, Ag-Fe [2]. La taille
des filaments de magnésium est alors d’environ 400 µm.
Les essais de traction ont été effectués à température
ambiante, à un taux de déformation de 10-3 s-1 pour
caractériser le comportement mécanique.
Figure 3.Micrographie optique de la section du composite
Fe-Mg massif
Concernant le composite élaboré à partir de Mg
pulvérulent, le tube de fer rempli de poudre est
plastiquement déformée pendant l’étirage et la poudre est
alors rendue compacte et écrasée. La Figure 4 montre la
microstructure du Mg de la section du composite de 1 mm
de diamètre. Les joints de grain observés correspondent
aux grains de poudre de Mg d’origine. La taille des grains
de Mg a été divisée par 10 passant d’une valeur initiale de
250 µm à 25 µm selon la section du composite. Ainsi, la
compaction par étirage réduit significativement la taille
des particules. De plus, les grains de poudre s’allongent
considérablement selon la direction d’étirage. La poudre
de magnésium déformée n’est pas totalement compactée et
des porosités inférieures à 10 µm sont visibles.
La Figure 6 présente les courbes de traction contraintedéformation du composite Fe-Mg massif extrudé et un
traitement thermique de recuit à 600°C pendant 7h.
Figure 6. Courbes contrainte-déformation du composite
Fe-Mg massif extrudé et recuit à 600°C pendant 7h [1]
Le module d’élasticité expérimental est d’environ
153 ± 13 GPa (Ethéorique = 170 GPa). La limite d'élasticité
des fibres Mg serait d'environ 400 MPa, ce qui est
beaucoup plus élevé que les valeurs typiques rapportées
dans la littérature pour les alliages Mg extrudés. Après le
recuit, l’allongement à la rupture a augmenté jusqu'à 12%.
Figure 4.Micrographie optique des grains de poudre de
Mg dans la section du composite Fe-poudre Mg
En conclusion, des fils de composites combinant acier et
magnésium (massif et poudre) peuvent être élaboré par codéformation menant à des microstructures à différentes
échelles. L’élaboration par déformation plastique semble
être une opportunité pour le développement de composites
multi-métalliques légers pouvant être soumis à des
sollicitations mécaniques sévères.
Références
Mg
Fe
Figure 5.Micrographie optique de la section du composite
Fe-poudre Mg après un premier empilement
[1] O. Bouaziz, X. Sauvage, D. Barcelo, Steel-Magnesium
Composite Wire Obtained by Repeated Co-Extrusion,
Materials Science Forum, 654-656, 2010, 1263-1266
[2] A. Guillet, E. Y. Nzoma, and P. Pareige, A new
processing technique for copper-graphite multifilamentary
nanocomposite wire: microstructures and electrical
properties, Journal of Materials Processing Technology,
182, 2007, 50-57