Academic literature on the topic 'Aluminium – Alliages – Trempe'

À l'aide de deux modules numériques couples (thermique et mécanique) et d'un ensemble de tests de déformation, un refroidissement optimal a été défini et calculé dans le cas d'une géométrie cylindrique et pour les alliages d'aluminium 7010 et 7475. Analyse des caractéristiques obtenus à l'aide du traitement de trempe optimisé

La trempe est une opération critique lors de l'élaboration des alliages d'aluminium à durcissement structural. Les vitesses de refroidissement élevées nécessaires pour maintenir la solution solide sursaturée génèrent des contraintes internes. Dans le cas de la trempe de produits épais, la précipitation se développe cependant, car les vitesses de refroidissement peuvent être localement faibles. Elle modifie les propriétés mécaniques du matériau, et peut donc affecter les contraintes internes développées au refroidissement. Nous avons étudié ces différents effets pour un alliage al-zn-mg-cu. La précipitation se développant au refroidissement a été caractérisée à différentes échelles par trempe interrompue. Les sites de germination et les phases formées ont été étudiés par microscopie électronique. Les cinétiques de précipitation à haute température ont été suivies par resistivimetrie in-situ. L’évolution du rayon des précipités à basse temperature a été déterminée par diffusion centrale des rayons x aux petits angles. Le comportement mécanique au refroidissement a été identifié par trempe interrompue. Ses différentes caractéristiques ont été reliées à la température, ainsi qu'aux cinétiques de précipitation. La déplétion de la solution solide diminue la limite d'élasticité, alors que la précipitation homogène introduit un durcissement. Un modèle a été établi afin de décrire ces phénomènes. Les précipitations hétérogène et homogène sont prises en compte grâce à une approche moyenne. La germination est traitée à partir des théories statistiques classiques. L’équilibre local à l'interface des précipités permet de traiter la croissance. Une sursaturation en lacunes est introduite afin de traduire l'accélération de la diffusion. Le lien avec le comportement mécanique s'effectue grâce à des lois classiques de durcissement par solution solide et par précipitation cohérente. Ce modèle a été valide à chaque étape. Compte tenu des différentes hypothèses, l'accord entre simulation et expérience est satisfaisant. Ce modèle a été introduit dans le code de calcul thermomécanique marc afin d'appréhender les conséquences de la précipitation sur la genèse des contraintes internes dans une tôle forte. Seule la précipitation homogène influence au final le niveau des contraintes internes dans la zone en compression sous la surface. Ces calculs permettent également de décrire l'appauvrissement de la solution solide dans l'épaisseur de la tôle.

Une étude sur la stabilité microstructurale des alliages Al-Fe obtenus par refroidissement rapide depuis l'état liquide a été réalisée à l'aide de plusieurs techniques : Pouvoir thermoélectrique, Diffusion des R. X. Aux petits angles et Microscopie électronique par transmission. Les alliages Al-Fe ne sont pas des solutions solides parfaitement homogènes, juste après trempe de très petits amas enrichis en fer sont contenus dans ces alliages. En général les alliages Al-Fe (dont l'Al-8 % pds. En Fe est représentatif) sont caractérisés par une microstructure cellulaire formée par la matrice d'aluminium et une seconde phase présente sous forme de petits précipités dispersés au hasard. Les échantillons d'Al-Fe contenant plus de petits précipités (d'une taille inférieure à 10 nm) ont en général un pouvoir thermoélectrique plus élevé que ceux contenant moins de petits précipités. Au cours des vieillissements isothermes à des températures comprises entre 200 et 450°C la évolution de la population des précipités conduit à penser que la coalescence est le phénomène physique le plus important lors de l’évolution microstructurale des alliages Al-Fe. L'adjonction d’éléments d'alliage (tels que le Ni, Mo, Zr) peut modifier d'une certaine manière la stabilité microstructurale des alliages Al-Fe. Ainsi l'addition du Zr conduit d'une part à des microstructures plus fines et plus stables après la trempe sur roue et permet d'autre part de développer après traitement thermique une précipitation plus fine (phase cubique métastable Al3Zr). Les alliages Al-Fe-Mo donnent des courbes de l'évolution du pouvoir thermoélectrique ayant une allure très proche de celles des alliages Al-Fe-Zr, ceci laisse penser que le Mo serait en grande partie en solution solide après élaboration, comme c'était le cas pour le Zr. Finalement le Ni ne modifie pas les microstructures des alliages Al-Fe.

Contrainte par la réduction des seuils d’émissions autorisés, l'industrie automobile est devenue plus respectueuse de l’environnement et des utilisateurs. Le "downsizing" des moteurs à combustion interne permet de limiter la masse des véhicules mais implique des cycles de combustion aux rendements améliorés et des niveaux de contraintes thermomécaniques plus importants. La pièce la plus sollicitée est la culasse réalisée en alliage Al-Si hypoeutectique. Les défis que cela engage sont doubles : permettre des températures de fonctionnement plus élevées et conserver des propriétés mécaniques optimales. Ces pièces sont traitées thermiquement par une séquence de : mise en solution, trempe et revenu afin d'optimiser le durcissement structural et de limiter le vieillissement en service de l'alliage par la création d'une distribution fine et homogène de nano-précipités dans les phases α pro-eutectique et eutectique. Durant la trempe, des gradients thermiques importants, résultant de vitesses de refroidissement différentes à l’intérieur de la pièce, peuvent provoquer des distorsions et réduire la résistance mécanique effective des pièces en raison de l'apparition de contraintes résiduelles. L’objectif de ce projet doctoral a été de comprendre et de caractériser l’effet de la vitesse de trempe ainsi que du revenu sur la cinétique de précipitation pour limiter l’impact des contraintes résiduelles et maintenir le potentiel durcissant sur quatre nuances industrielles. Les échantillons ont été coulés au centre de R&D Montupet par gravité à la louche dans une coquille thermo-régulée calibrée. Les échantillons comportent un SDAS compris entre 15 et 25μm, représentatif de celui en face feu des culasses automobiles. Chaque nuance a été au préalable caractérisée selon leur état métallurgique puis, dans un second temps, par simulations numériques afin de confronter les résultats et valider l’efficacité de la séquence de traitement thermique appliquée (métallographie, MEB, EDS, microsonde, ICP, fours tubulaires, DSC, essais de traction et simulations ThermoCalc, Dictra et MatCalc). Le projet s’organise selon trois volets principaux portant respectivement sur l’opération de trempe, la cinétique de précipitation associée à l’évaluation des mobilités interfaciales de précipités et la validation des lois de comportement issues d’essais mécaniques selon les conditions de revenu appliquées.
Contrainte par la réduction des seuils d’émissions autorisés, l'industrie automobile est devenue plus respectueuse de l’environnement et des utilisateurs. Le "downsizing" des moteurs à combustion interne permet de limiter la masse des véhicules mais implique des cycles de combustion aux rendements améliorés et des niveaux de contraintes thermomécaniques plus importants. La pièce la plus sollicitée est la culasse réalisée en alliage Al-Si hypoeutectique. Les défis que cela engage sont doubles : permettre des températures de fonctionnement plus élevées et conserver des propriétés mécaniques optimales. Ces pièces sont traitées thermiquement par une séquence de : mise en solution, trempe et revenu afin d'optimiser le durcissement structural et de limiter le vieillissement en service de l'alliage par la création d'une distribution fine et homogène de nano-précipités dans les phases α pro-eutectique et eutectique. Durant la trempe, des gradients thermiques importants, résultant de vitesses de refroidissement différentes à l’intérieur de la pièce, peuvent provoquer des distorsions et réduire la résistance mécanique effective des pièces en raison de l'apparition de contraintes résiduelles. L’objectif de ce projet doctoral a été de comprendre et de caractériser l’effet de la vitesse de trempe ainsi que du revenu sur la cinétique de précipitation pour limiter l’impact des contraintes résiduelles et maintenir le potentiel durcissant sur quatre nuances industrielles. Les échantillons ont été coulés au centre de R&D Montupet par gravité à la louche dans une coquille thermo-régulée calibrée. Les échantillons comportent un SDAS compris entre 15 et 25μm, représentatif de celui en face feu des culasses automobiles. Chaque nuance a été au préalable caractérisée selon leur état métallurgique puis, dans un second temps, par simulations numériques afin de confronter les résultats et valider l’efficacité de la séquence de traitement thermique appliquée (métallographie, MEB, EDS, microsonde, ICP, fours tubulaires, DSC, essais de traction et simulations ThermoCalc, Dictra et MatCalc). Le projet s’organise selon trois volets principaux portant respectivement sur l’opération de trempe, la cinétique de précipitation associée à l’évaluation des mobilités interfaciales de précipités et la validation des lois de comportement issues d’essais mécaniques selon les conditions de revenu appliquées.
Constrained by the reduction of authorized emission thresholds, the automotive industry has become more respectful of the environment and users. The downsizing of internal combustion engines makes it possible to limit the mass of vehicles but involves combustion cycles with improved efficiency and higher levels of thermomechanical stresses. The most affected part is the cylinder head made of hypoeutectic Al-Si alloy. The challenges that this entails are two fold : allowing higher operating temperatures and maintaining optimal mechanical properties. These parts are heat treated by a solutionizing, quenching and aging steps in order to optimize the structural hardening and to limit aging during the use of the alloy by creating a fine and homogeneous distribution of nano-precipitates in the α pro-eutectic and eutectic phases. During quenching, important thermal gradients, resulting from different cooling rates inside the part, can cause distortions and reduce the effective mechanical strength of the parts due to the occurrence of residual stresses. The objective of this PhD project was to understand and characterize the effect of quench rate and aging on precipitation kinetics in order to limit the impact of residual stresses and maintain the hardening potential in four industrial alloys. The samples were castat the Montupet R&D center by gravity die casting into calibrated thermo-regulated die. The samples have aSDAS comprised between 15 and 25μm, representative of the one for fire deck surface of automobile cylinder heads. Each nuance was initially characterized according to their metallurgical state then, in a second step, by numerical simulations in order to compare the results and validate the efficiency of the applied heat treatment sequence (metallography, SEM, EDS, microprobe, ICP, tubular furnaces, DSC, tensile tests and ThermoCalc, Dictra and MatCalc simulations). The project is organized into three main sections dealing respectively with the quenching operation, the kinetics of precipitation associated with the evaluation of the interfacial mobilities of precipitates and the validation of thematerial behavior laws resulting from mechanical tests according to the applied aging conditions.
Constrained by the reduction of authorized emission thresholds, the automotive industry has become more respectful of the environment and users. The downsizing of internal combustion engines makes it possible to limit the mass of vehicles but involves combustion cycles with improved efficiency and higher levels of thermomechanical stresses. The most affected part is the cylinder head made of hypoeutectic Al-Si alloy. The challenges that this entails are two fold : allowing higher operating temperatures and maintaining optimal mechanical properties. These parts are heat treated by a solutionizing, quenching and aging steps in order to optimize the structural hardening and to limit aging during the use of the alloy by creating a fine and homogeneous distribution of nano-precipitates in the α pro-eutectic and eutectic phases. During quenching, important thermal gradients, resulting from different cooling rates inside the part, can cause distortions and reduce the effective mechanical strength of the parts due to the occurrence of residual stresses. The objective of this PhD project was to understand and characterize the effect of quench rate and aging on precipitation kinetics in order to limit the impact of residual stresses and maintain the hardening potential in four industrial alloys. The samples were castat the Montupet R&D center by gravity die casting into calibrated thermo-regulated die. The samples have aSDAS comprised between 15 and 25μm, representative of the one for fire deck surface of automobile cylinder heads. Each nuance was initially characterized according to their metallurgical state then, in a second step, by numerical simulations in order to compare the results and validate the efficiency of the applied heat treatment sequence (metallography, SEM, EDS, microprobe, ICP, tubular furnaces, DSC, tensile tests and ThermoCalc, Dictra and MatCalc simulations). The project is organized into three main sections dealing respectively with the quenching operation, the kinetics of precipitation associated with the evaluation of the interfacial mobilities of precipitates and the validation of thematerial behavior laws resulting from mechanical tests according to the applied aging conditions.

Les traitements thermiques sur les pièces en alliage d'aluminium génèrent des contraintes résiduelles dans le matériau. Celles-ci sont réduites grâce à des opérations de détensionnement mécanique. Durant l'usinage, la redistribution des contraintes internes demeurant dans le matériau conduisent à des déformations requérant des opérations de conformage destinées à ramèner les pièces dans les tolérances dimensionelles requises. On cherche à minimiser ces déformations en utilisant la combinaison d'un algorithme SQP et d'une méthode aléatoire (Monte-Carlo). Auparavant, on modélise les traitements thermiques et mécaniques ainsi que l'usinage. Les calculs numériques sont validés par une série d'essais et de mesures de contraintes résiduelles. Les travaux sont appliqués aux pièces Eclisses Tés et Croix situées à la jonction fuselage/voilure des avions Airbus. Les premières applications montrent de bons résultats et mettent en valeur des lacunes dans la maîtrise du procédé industriel
Thermal treatments on aluminium alloys aircraft parts involve residual stresses in the material. Those ones are relieved using stress-relieving operations. However, during machining, internaI stresses relaxation involves distortions, necessitating straightening operations to get the part back to the required dimensional tolerances. We try to minimise those distortions using the combination of SQP algorithm and Monte-Carlo method. Firstly, thermal and mechanical treatments and machining are modelled. Numerical calculation are validated by experimentation and residual stresses measurement. Those works are applicated to Triform and Cruciform parts located at the junction fuselage/wings of Airbus aircraft. First application shows good results and highlight aspects to be improved in the different stages of the manufacturing process

La trempe est une méthode de traitement thermique où un métal chaud est refroidi rapidement à l’aide d’un medium. Le but est de donner au métal une certaine microstructure afin d’atteindre les performances mécaniques requises. Ce procédé a des impacts directs sur l’évolution propriétés mécaniques, contrôle de la microstructure et libération des contraintes résiduelles. Afin de réaliser un procédé optimal, il est essentiel de contrôler correctement les transformations de phase qui ont lieu dans l’alliage, et ainsi obtenir la microstructure présentant les propriétés thermomécaniques souhaitées. Cette thèse est réalisée en collaboration avec la société Linamar Montupet spécialisée dans la fabrication de composants en aluminium pour l’industrie automobile. Ils s’intéressent à la trempe des pièces métalliques dans les liquides pouvant vaporiser. La vaporisation est le principal phénomène qui anime le système. L’objectif de cette thèse est donc de définir un cadre numérique capable de simuler le procédé de trempe à l’échelle industrielle. Différents aspects seront étudiés: (i) analyser et simuler les interactions liquide-vapeur-solide avec changement de phase, (ii) simuler des interactions fluide-solide pour pouvoir prédire le comportement thermomécanique du solide. Les résultats des développements numériques seront validés par des confrontations avec les expériences proposées par le partenaire industriel
Quenching is a heat treatment method where a hot metal part is cooled down rapidly with the help of a quenchant. The purpose of such process is to give a certain microstructure to the metal in order to achieve the required mechanical performance. This process has direct impacts on changing mechanical properties, controlling microstructure and releasing residual stresses. Good control of quenching is essential for correctly controlling the phase changes that take place within the alloy, and obtain the microstructure exhibiting the desired thermomechanical properties. This Phd is done in collaboration with the company Linamar Montupet specialized in the manufacture of complex cast alumnium components for the automotive industry. They are interested in the quenching of metallic parts in liquid quenchants that can vaporize. The vaporizationis generally the leading phenomenon that drives the system. Indeed, the cooling of the part is strongly conditioned by the behavior of the surrounding fluid that extracts the heat therein.Thus, the objective of this thesis is to set a numerical framework able to simulate the quenching process at an industrial scale. In this thesis, different aspects will be studied: (i) analyze and simulate the liquid-vapor-solid interactions with phase change, (ii) simulate fluid-solid interactions to be able to predict the thermomechanical behavior of the solid. The results coming from these numerical development will be validated by confrontations with the experiments proposed in agreement with the industrial partner

Plusieurs types d'alliages d'aluminium de fonderie sont employés pour des applications automobiles principalement pour réduire la masse des véhicules. Parmi ces derniers, les alliages eutectiques sont utilisés pour leur bonne coulabilité. L'alliage utilisé dans cette étude est l'alliage 413.1 auquel différentes additions ont été réalisées. Neuf différentes compositions ont ainsi été étudiées. Il s'agit de l'alliage 413.1 de base et ce même alliage avec différentes additions de strontium (Sr), magnésium (Mg), cuivre (Cu), argent (Ag), lanthane (La), cérium (Ce), zinc (Zn) et nickel (Ni). Les caractéristiques de la microstructure et les propriétés mécaniques des alliages de fonderie dépendent de plusieurs facteurs tels la composition chimique des alliages, la vitesse de solidification et les traitements thermiques. Cette étude permet de formuler des conclusions concernant les modifications de la microstructure et les variations de propriétés mécaniques en traction en fonction de la composition des alliages et des traitements thermiques appliqués. Les différents traitements thermiques qui sont examinés sont les traitements T4 et T6. La mise en solution se fait à 495°C pendant deux temps différents de quatre ou vingt-quatre heures. Quatre types de trempe sont utilisés : un refroidissement à l'air ambiant, une trempe à l'eau chaude (60°C) et deux trempes dans un appareil projetant de l'eau et de l'air sous pression. Les deux températures de l'eau utilisée à l'entrée de cet appareil sont de 12°C et 55°C. Ce type de trempe produit un refroidissement intermédiaire entre le refroidissement à l'air ambiant et la trempe à l'eau chaude. Pour le traitement T6, les vieillissements utilisés sont de cinq heures à trois différentes températures; 155°C, 180°C et 240°C. Une série d'échantillons tels que coulés est aussi analysée. Les propriétés étudiées sont : la morphologie des particules de silicium, la fraction surfacique des phases intermétalliques, la distribution des éléments d'addition dans l'alliage ainsi que les propriétés mécaniques en traction, la limite ultime (LU), la limite élastique (LE) et le pourcentage de déformation à la rupture (%Déf). Les conclusions de cette étude sont que la vitesse de solidification de l'alliage a un effet plus important sur la morphologie des particules de silicium eutectique que la modification au strontium et que l'augmentation du temps de mise en solution augmente les changements produits sur la morphologie. Les phases intermétalliques qui se dissolvent le font après quatre heures de mise en solution. Les phases intermétalliques Q-Al5Cu2Mg8Si6 ainsi que ceux contenant du fer, du nickel ou des métaux terres rares ne se sont pas dissoutes après vingt-quatre heures de mise en solution. Parmi les phases intermétalliques présentes, seul la phase B-Al5FeSi influence la grosseur des particules de silicium eutectique. Ces composés se solidifient en premier et entraînent avec eux une certaine quantité de strontium qui reste à proximité de ces composés pour modifier de façon plus importante les particules de silicium eutectique des alentours. Les autres phases intermétalliques n'affectent pas la morphologie des particules de silicium eutectique. L'addition de strontium et l'addition de strontium et de magnésium améliorent la limite ultime des alliages tels que coulés tandis que l'addition d'argent et de zinc améliore la limite élastique. Après un traitement thermique T4, c'est l'alliage de base avec une addition de strontium et de cuivre qui obtient les valeurs de résistance mécanique en traction les plus élevées. La mise en solution de vingt-quatre heures n'améliore pas la résistance des alliages comparativement à une mise en solution de quatre heures. Pour les traitements thermiques T6, le vieillissement à 155°C est plus approprié pour les alliages ne contenant pas de cuivre et le vieillissement à 180°C fait plus augmenter les propriétés des alliages qui en contiennent. Par contre, la température de vieillissement de 240°C est trop élevée pour être appliqué pendant cinq heures et elle produit un sur vieillissement. Le vieillissement à la température de 180°C diminue considérablement la ductilité des alliages. Plusieurs d'entre eux se rompent dans la partie élastique de la courbe de traction.