Étude du vieillissement des alliages d'aluminium pour culasses diesel et prise en compte dans le dimensionnement

par Pierre Osmond

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Luc Rémy.

Soutenue en 2010

à Paris, ENMP .

  • Titre traduit

    Study of ageing of cast aluminium alloys for diesel cylinders heads


  • Résumé

    L'utilisation des alliages d'aluminium pour les composants du groupe moto propulseur, en particulier les alliages à durcissement structural Aluminium-Silicium-Magnesium-Cuivre pour les culasses Diesel, s'est généralisée depuis les vingt dernières années, du fait de leur faible densité et leur excellente conductivité thermique. Ces alliages sont soumis, tout au long de la vie de la culasse, à de forts chargements thermomécaniques induisant une évolution progressive de la microstructure de précipitation et du comportement viscoplastique du matériau. L'objectif de cette étude est donc, au moyen d'une étude de la précipitation et du comportement mécanique, de corréler l'évolution de la microstructure de précipitation à celle du comportement mécanique pour ensuite proposer un modèle de comportement viscoplastique permettant, par l'intégration de paramètres métallurgiques et microstructuraux, de rendre compte de l'influence de la microstructure de précipitation sur le comportement mécanique. Cette étude est menée sur deux alliages présentant chacun une composition en cuivre et magnésium distincte. L'analyse des microstructures par microscopie électronique en transmission a permis de rendre compte de l'évolution de la microstructure de précipitation. Celle-ci a été quantifiée pour des traitements isothermes de vieillissement pour une gamme de température allant de 200 à 300°C. Les analyses ont mises en évidence une forte évolution de la précipitation, sensible sur l'ensemble des paramètres morphologiques, cristallographiques et chimiques de la microstructure. L'étude comparative de la cinétique de précipitation sur les deux alliages a, de plus, permis de mieux comprendre les interactions existant entre morphologie de la précipitation, mécanisme de croissance et stabilité thermique. Pour l'étude du comportement viscoplastique, nous nous sommes attachés à évaluer l'influence de la microstructure de précipitation au moyen d'une importante base expérimentale couvrant une large gamme de température, d'amplitude de déformation et de vitesse de déformation inélastique. La compréhension du comportement viscoplastique et de l'influence de la microstructure de précipitation a été facilitée par l'utilisation d'une analyse par partitionnement des composantes de l'écrouissage. L'interaction existant entre les paramètres géométriques de la précipitation, la composante isotrope et la composante cinématique de l'écrouissage a ainsi clairement été mise en évidence. L'analyse de l'influence des temps de maintien en déformation sur la composante cinématique de l'écrouissage a permis d'autre part de démontrer une relaxation systématique des contraintes internes associée à la montée des boucles de dislocations autour des précipités. A partir des analyses expérimentales, une loi de comportement a été proposée. Celle-ci est basée sur les densités de dislocations et propose, par une utilisation explicite des paramètres de la microstructure de précipitation (distance entre précipités, fraction volumique de précipités…) de rendre compte du rôle de la microstructure de précipitation sur le comportement mécanique. La modélisation s'appuie de plus sur le développement d'une loi d'écoulement originale, adaptée aux mécanismes d'écoulement plastique présents aux hautes températures dans les alliages à phases dispersées, en particulier à la montée des dislocations. Cette modélisation permet ainsi une très bonne description du comportement viscoplastique observé à 10-3 s-1 et présente de plus, une sensibilité à la microstructure de précipitation relativement convenable. De plus, l'analyse de la variation des paramètres en température présente une évolution tout à fait physique permettant ainsi de relier un certain nombre de variables ajustables - notamment celles de la loi d'écoulement - aux activations thermiques du glissement et de la montée des dislocations. La physique de l'écoulement plastique étant convenablement retranscrite, le modèle constitue ainsi un outil intéressant pour tester l'influence des paramètres microstructuraux sur le comportement mécanique.


  • Résumé

    The use of cast aluminium alloys for automotive engine components, especially Aluminium-Silicon-Copper-Magnesium alloys for cylinder head, has significantly increased over the past two decades, mainly because of their low density and very good thermal conductivity. Due to the growing demand in engine efficiency and specific power, cylinder heads are submitted to ever-increasing thermomechanical loading during start-stop cycles, which appears as the critical design specification. Due to these thermal loadings, a significant ageing of the material occurs during engine lifetime, which leads to a transient evolution of the viscoplastic behaviour of the material. The aim of this study is to experimentally correlate the evolution of hardening precipitation and viscoplastic mechanical behaviour in order to propose a viscoplastic behaviour model integrating metallurgical and microstructural parameters enables to account for influence of microstructural parameters on viscoplastic behaviour. This study was realized on two alloys presenting different compositions of copper and magnesium. In order to understand the transient evolution of precipitation, precipitation alteration and precipitates growth kinetics are studied by transmission electron microscopy. This evolution has been quantified for isothermal ageing heat treatments between 473 and 573K. This analysis highlights a strong evolution of the chemical, crystallographic and morphological characteristics of the precipitation. Moreover, the quantitative study of the growth kinetics of precipitation on both alloys allow an accurate understanding of the interaction between precipitate shape, growth mechanism and thermal stability. To understand the influence of the microstructural parameters on the mechanical viscoplastic behaviour, we realized mechanical tests through a large range of temperatures, inelastic strain amplitude and strain rate. The use of stress partitioning analysis technique enables a clear understanding of the influence of hardening precipitation and chemical composition on the isotropic and kinematic hardening of the mechanical behaviour. Especially, the analysis of the interaction between stress relaxation and hardening components shows a systematic relaxation of the internal stresses, explained by the climb of dislocations loop around precipitates. Based on the experimental analysis, a dislocation density based constitutive model is introduced. In order to take into account the influence of microstructure on the mechanical behaviour, hardening precipitation parameters are explicitly introduced into the constitutive equations. Moreover, to account for variation of plastic flow through temperature, a specific flow rule, which reflects the evolution in dislocation kinetics motion with temperature, is proposed. The predictions of the model are in convenient agreement with experimental behaviour and additionally show a good sensibility to the hardening microstructure. Furthermore, an important result to be underlined is the physical evolution of flow rules parameters versus the temperature. As a matter of fact, two activation energies, which present physical convenient values with dislocations slip and climb activation energies, are identified.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (196 p.)
  • Notes : Thèse confidentielle jusqu'au 31 décembre 2014
  • Annexes : Bibliographie p. 164-174

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