etude de la transition ductile-fragile dans les alliages d`aluminium

ETUDE DE LA TRANSITION DUCTILE-FRAGILE DANS LES
ALLIAGES D’ALUMINIUM 7075 T6 SOUDES PAR
LE PROCEDE DE SOUDAGE TIG
Mustapha Temmar, Hadji Mohamed, Khatir Mohamed, Sellam Mohamed
Département de Mécanique, Université de Blida, BP270, Blida, Algérie.
[email protected]
Résumé :
Les transports aériens sont aujourd'hui en plein essor. Les constructeurs apprécient
actuellement l’aluminium pour sa légèreté, ses qualités mécaniques et son caractère
écologique. La haute qualité de surface, une fois décapée ou anodisée, lui donne un atout
supplémentaire.
Parmi les procédés d'assemblage utilisés, le soudage est une voie possible de
remplacement du rivetage. Dans notre étude, on a utilisé le procédé de soudage TIG. Ce
procédé est appliqué à des alliages à durcissement structural (série 2xxx, 6xxx, 7xxx) qui ont
la particularité d’être difficilement soudable. Il a aussi pour conséquence de modifier la
microstructure du matériau de base et donc ses propriétés mécaniques. En effet, même si en
dehors du cordon de soudure, le matériau ne subit pas la fusion, il est sujet à des changements
de température qui vont modifier son état de précipitation (notion de zone affectée
thermiquement).
Notre travail consistera à étudier les principaux traitements thermiques et leurs effets
sur la microstructure, l’observation par microscope optique de ces changements d’une zone à
une autre, et l’influence du procédé de soudage TIG sur les caractéristiques mécaniques d’un
alliage d’aluminium 7075 T6. Ces caractéristiques mécaniques seront définies par des essais
mécaniques (résilience et dureté). Le premier essai sera utilisé pour déterminer l’énergie de la
rupture (rupture fragile ou ductile), et le deuxième pour déterminer la variation de la dureté et
la micro-dureté dans chaque zone des pièces soudées (métal de base, zone affectée
thermiquement ZAT, zone fondue).
Mots clés : Procédé de soudage TIG, alliages d’aluminium 7075 T6, traitements thermiques,
propriétés mécaniques et microstructures.
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Introduction :
Les constructeurs apprécient l'aluminium pour sa légèreté, ses qualités mécaniques et
son caractère écologique. La haute qualité de surface, une fois décapée ou anodisée, lui donne
un atout supplémentaire. Ces alliages bénéficient d’un bon durcissement structural, via une
décomposition complexe faisant intervenir aussi bien des phases stables que métastables. [1].
Les alliages d'aluminium industriels laminés 7000 sont notamment utilisés en tant que
tôles fortes pour les voilures d’avions. Ces alliages comportant les éléments Zn, Mg et Cu
comme les principaux éléments d'addition. Leur utilisation est due à leurs plus hautes
caractéristiques mécaniques. Les alliages d'aluminium subissent au cours de leur mise en
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œuvre un traitement thermomécanique complexe qui comprend, après la coulée, un traitement
d’homogénéisation, puis divers laminages (à chaud puis à froid). [2].
Le soudage des alliages d’aluminium n’est pas une simple équation. Même les spécialistes ne
sont pas toujours d’accord sur la réponse des différents alliages au soudage et l’impact sur
leurs propriétés mécaniques. [3]. Le soudage de l’aluminium crée systématiquement une zone
affectée thermiquement (ZAT) dans laquelle les propriétés mécaniques peuvent être réduites
jusqu’à 50 % par rapport aux valeurs nominales, dépendant de l’alliage soudé et du procédé
utilisé. Généralement, pour le calcul de structures, il est entendu d’étendre cette zone à 2,5cm
de chaque coté du joint, à moins de pouvoir traiter thermiquement la pièce après soudage. La
conception de la pièce doit donc prendre en considération cette réalité. Le métal de base, qui
se trouve loin de la zone soudée, ne subit ni déformation ni échauffement important. Par
conséquent, il conserve ses propriétés et microstructures d'origine. [4].
Partie expérimentale :
Après l’étude bibliographique, la partie expérimentale s’est résumée sur l’application
des traitements thermiques sur notre alliage d’aluminium 7075 T6, la préparation des
échantillons, l’application du procédé de soudage TIG et l’application des essais mécaniques
(résilience, dureté).
Dans le cadre de notre étude, nous avons choisi l'alliage d'aluminium 7075. Il nous a été
remis, par le service de maintenance d'Air Algérie, sous forme de tôles à l'état T6.
Figure 1 : Plaque brute d’aluminium 7075 T6 d’épaisseur de 2 mm
Les échantillons ont été traités par la suite au niveau du laboratoire des Grands Travaux
Pétroliers (GTP) de Reghaia (Wilaya de Boumerdès) pour déterminer et vérifier la
composition chimique. Ce travail a été fait dans le but de vérifier la conformité de la fiche
technique du fournisseur du matériel.
2
Le Tableau 1 représente la composition chimique des échantillons de l'alliage d'aluminium
7075 T6.
Si
0.10
Ti
0.04
Mn
0.03
Cu
1.53
Fe
0.22
Cr
0.19
V
0.01
Zn
5.63
Mg
2.50
Autres
0.03
Al
89.72
7075
T6
Tableau 1: Composition chimique des échantillons de l'alliage d'aluminium 7075 T6
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Lors de l’expérience, trois différents échantillons ont été utilisés. Le premier échantillon n’a
subit aucun traitement thermique et les deux autres échantillons ont subit un traitement
thermique : la mise en solution, la trempe et le revenu.
Le procédé de soudage TIG s’est déroulé au niveau du centre de recherche scientifique et
technique en soudage et contrôle de Chéraga à Alger (Algérie).
Résultats et interprétations :
Lors de l’utilisation du microscope optique, des changements dans la microstructure
causés par l’effet Joule du soudage TIG ont été constatés. Les zones les plus affectées sont
celles proches du cordon de soudure et la zone affectée thermiquement. Ainsi, le métal
d’apport fondu complètement est solidifié dans des conditions différentes que celles du métal
de base et la zone affectée thermiquement subit une température élevée lors du soudage. Les
grains du métal de base commencent à grandir entrainant une diffusion des particules vers le
métal d’apport. Le changement de la microstructure dans cette zone apparait nettement par
rapport au métal de base.
A titre d’exemple, la zone affectée thermiquement est représentée dans la figure
suivante :
Figure 2 : Présentation de la ZAT sous différentes formes (sans traitement thermique,
traitement thermique et revenu respectivement à 120°C et 180°C) x 500
L’essai de micro-dureté nous a permit d’obtenir la figure suivante. La moyenne de la microdureté varie d’une zone à une autre.
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150
145
140
Dureté Hv
135
130
125
120
115
110
105
0
10
20
30
40
50
60
Distance (mm)
Figure 3: Profil de la micro-dureté de l’échantillon traité (T=120°C)
350
MB
300
CORD
250
ZAT
Dureté
200
150
100
50
0
Figure 4 : Evolution de la dureté de l’échantillon traité (T=120°C)
4
D’après nos résultats, on remarque une diminution de la dureté dans la zone affectée
thermiquement. Cette diminution est provoquée par l’effet de la température de soudage qui
dépasse 500°C. Cette température joue un rôle d’un traitement thermique semblable à une
mise en solution, qui a pour effet de réduire considérablement la dureté, et par conséquent une
diminution des caractéristiques mécaniques.
Les résultats de l’essai de résilience sont représentés dans le tableau suivant :
E (Sans traitement thermique)
E (Avec revenu à T°=120°C)
E (Avec revenu à T°=180°C)
Entaille au MB
Entaille au ZAT
Entaille au CORD
2.27
4.70
4.49
1.68
1.45
1.57
1.57
1.57
1.19
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Tableau 2 : Energie à la rupture (en Joules) de chaque échantillon
De ce tableau, on remarque que dans le metal de base, l’énergie à la rupture est plus grande
dans le cas des échantillons traités. Dans la zone affectée thermiquement, les valeurs sont
proches ce qui nous permet de conclure que le traitement thermique dans la ZAT n’a
pratiquement pas d’effet sur l’effet de la résilience.
Conclusion :
D’après notre étude, nous pouvons conclure que le traitement thermique permet d’améliorer les
caractéristiques mécaniques de notre alliage d’aluminium 7075 T6 et son aptitude à être soudé. Aussi,
le procédé de soudage TIG permet de provoquer des zones fragilisées (ZAT) conduisant ainsi un
changement de microstructure.
Référence :
[1]: Wilfried Kurz, Introduction to the sciences of materials, second edition, polytechnic and
universities Romandes, 1991.
[2] David Dumont, thesis of doctorate: Relation of the microstructure/tenacity in the
aeronautical alloys (7000), 2001.
[3]II.6: W. F. SAVAGE, E. F NIPPES, A Study of Weld Interface Phenomena in an Alloy
Steel, Welding Journal Research Supplement (1976), p. 260s-268s.
[4] R. BLONDEAU, Procédés et applications industrielles du soudage, Hermès Science
publication, Paris (2001).
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