Etude des transformations de phase dans des alliages Al-Cu et Al-Mg-Si nanostructurés par déformation intense

par Yana Nasedkina

Thèse de doctorat en Physique des matériaux

Sous la direction de Xavier Sauvage.


  • Résumé

    Les alliages d’aluminium sont largement utilisés dans l’industrie aérospatiale, automobile ou le génie civil pour l’application structurelle grâce à leur faible densité et haute résistance mécanique et pour l'application fonctionnelle en génie électrique en raison d'une conductivité électrique relativement élevée. Le durcissement par précipitation et le renforcement par contrôle de taille de grain figurent parmi principaux mécanismes de renforcement des alliages d’aluminium thermiquement traités. Le durcissement par précipitation est effectué par le vieillissement artificiel (VA) quant au renforcement par taille de grain, il peut être effectué par plusieurs méthodes, dont la déformation plastique sévère (DPS). L’association de ces méthodes permet d’améliorer considérablement la résistance des alliages d’aluminium. Afin de combiner ces effets, c’est à dire de concevoir une structure aux grains ultra fins avec des nanoprécipités, il est possible d’utiliser trois méthodes: DPS suivi par VA, VA suivi par DPS ou DPS à des températures de VA. En pratique les choses secompliquent car la DPS induit des transformations de phase dans les alliages d’aluminium. Les mécanismes de ces transformations de phase sont encore mal compris. Ainsi, le contrôle de la microstructure et, par conséquent, le contrôle des propriétés devient très difficile. Par conséquent, la première étape ce travail était de déterminer les changements de microstructure se produisant dans les alliages d'Al sous DPS et de comprendre les mécanismes sous-jacents de l'évolution de la microstructure. Dans une deuxième étape, nous avons quantifié la relation entre la structure et les propriétés mécaniques et électriques. Pour atteindre ces objectifs, un alliage modèle Al-Cu et un alliage Al-Mg-Si de pureté industrielle ont été étudiés par la microscopie électronique à transmission (MET), la sonde atomique tomographie (SAT), les mesures de microdureté et les mesures de conductivité électrique. Les alliages ont été soumis à la DPS par torsion sous haute pression (THP) dans les différentes conditions de traitement, afin d’identifier leurs influence sur la microstructure et les propriétés. Il est démontré que la THP à température ambiante conduit à la décomposition de la solution solide des deux alliages d'Al et, uniquement pour l'alliage Al-Cu, la précipitation dynamique aux joints de grains. Le transport de solutés par les joints de grains est identifié comme le mécanisme principal de la décomposition de solution solide. La précipitation dans l'alliage Al-Cu est expliqué par une augmentation de concentration de Cu et une diffusivité élevée Cu aux joints de grain. En outre, le traitement thermomécanique optimal, combinant la DPS et le traitement thermique après déformation, est également déterminé pour maximiser le couple résistance mécanique/conductivité électrique.


  • Résumé

    Al alloys are widely used for structural application in aerospace, automotive and constructive engineering due to their low density and high strength and for functional application in electrical engineering due to a relatively high electrical conductivity. Precipitation hardening and grain size strengthening are among the main strengthening mechanisms of heat-treatable Al alloys. The precipitation hardening is achieved by artificial aging (AA) and the grain size strengthening could be achieved by several methods, including severe plastic deformation (SPD). The combination of these strengthening effects allows significant improvement of strength of Al alloys. In order to combine these effects, i. E. To design an ultrafine grain structure with nanoscaled precipitates, it is possible to use three different routes: SPD followed by AA; AA followed by SPD or SPD at temperatures of AA. However in practice it turns out to be sometime complex, because of phase transformations induced by SPD in Al alloys. The mechanisms of such phase transformations are still poorly understood. Therefore, the control of microstructure and as a consequence the control of properties becomes very difficult. Therefore, in this work, the first step was to determine the microstructure changes occurring in Al alloys under SPD and to understand the underlying mechanisms of microstructure evolution. In a second step we have also quantified the relationship between structure and mechanical and electrical properties. To reach these goals, model Al-Cu and industrial Al-Mg-Si alloys were studied using Transmission Electron Microscopy (TEM), Atom Probe Tomography (APT), microhardness measurements and electrical conductivity measurements. Alloys were subjected to SPD by high pressure torsion (HPT) under different processing conditions to reveal the influence on microstructure and properties. It is shown that HPT at ambient temperature leads to the decomposition of solid solutions for both Al alloys and dynamic precipitation at grain boundaries only for Al-Cu alloy. The solute drag by grain boundaries motion was identified as the main mechanism supporting the decomposition of solid solutions. The precipitation in the Al-Cu alloy occurs due to an increase of Cu concentration at GBs and a high Cu GB diffusivity. Besides, the optimum thermomechanical treatment, combining HPT and post-deformation heat treatment was also determined in order to optimize the combination of high strength and electrical conductivity.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (188 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. 310 références

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  • Bibliothèque : Université de Rouen. Service commun de la documentation. Section sciences site Madrillet.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 15/ROUE/S023
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