Etude de l'endommagement pendant la mise en forme à froid de tôles d'aluminium

Grenier Jean-Christophe

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Extrait

Chapitre III Caractérisation des matériaux à l’état initial

Dans une première partie, ce chapitre présente de manière générale les quatre alliages
étudiés. Ensuite, les microstructures initiales en terme d’intermétalliques et de porosités sont
analysées par tomographie haute résolution dans chacun de ces alliages. Enfin, les limites de
notre méthode sont testées en quantifiant la variabilité des analyses sur l’état initial.

III.1. Présentation des alliages
Les matériaux étudiés dans le cadre du projet européen VirForm sont nombreux. Nous
nous sommes intéressés à quatre des alliages:
• Le 1200 produit par Alcan est très faiblement allié. Il s’agit d’aluminium pur à plus de
99,5% avec des traces de Fer et de Silicium. Il comporte des inclusions de type phase
au fer.
• Le 3103, produit par VAW, est durci par solution solide (Manganèse) et présente des
phases de grosse taille riches en manganèse et/ou en fer.
• Le 5182 est produit par Pechiney. C’est un alliage durci par solution solide
(Magnésium) qui présente deux types d’inclusions Mg Si et phases au fer. 2
• Le 6181, produit par VAW, est un alliage à durcissement structural.

Les trois premiers alliages sont étudiés dans l’état recuit O. Le 6181 est étudié dans
l’état trempé T4 et vieilli naturellement pendant plusieurs mois.
Pour les résultats expérimentaux concernant la formabilité (chap IV), l’alliage 1200 ne
sera plus suivi. Pour la modélisation, nous avons également restreint l’étude aux alliages 3103
et 5182.




89 Chapitre III Caractérisation des matériaux à l’état initial
III.2.Propriétés mécaniques

Le Tableau III-1 présente les propriétés mécaniques des quatre alliages obtenues par les
différents partenaires du projet européen Virform :

Orientation par Epaisseur R R K p0,2 mAlliages rapport au A %A% n r g 0mm MPa MPa MPa
laminage
1200 O 0° 0,60 27 82 27,3 39,7 0,256 150 1,28990° 0,60 26 78 27,4 40,8 0,250 142 1,078
1200 O 45° 0,60 27 90 34,8 49,2 0,297 172 0,355
3103 O 0° 1,20 40 107 23,7 39,6 0,226 188 0,67490° 1,20 40 100 24,9 40,2 0,219 174 0,482
3103 O 45° 1,20 40 101 26,0 43,9 0,227 178 0,671
5182 O0° 1,00 139 282 23,8 26,7 0,319 574 0,780
5182 O 90° 1,00 137 275 23,2 27,4 0,316 555 0,72745° 1,00 138 275 23,5 26,0 0,313 554 0,738
6181 T4 0° 1,13 144 265 20,6 24,7 0,252 493 0,71490° 1,13 139 264 20,8 25,0 0,251 490 0,828
6181 T4 45° 1,13 140 264 21,3 25,6 0,250 487 0,584
Tableau III-1 Propriétés mécaniques des alliages.

Les alliages 1200 et 3103 ont une contrainte maximale de l’ordre de 100 MPa. Nous
parlerons dans ces deux cas d’alliages à matrice « molle ». Les alliages 5182 et 6181 ont eux
une contrainte maximale de l’ordre de 300 MPa. Nous parlerons dans ces deux cas d’alliages
à matrice « dure ». Certains des alliages présentent une anisotropie planaire modérée à la fois
en terme de contrainte maximale et d’allongement à rupture. Le coefficient de Lankford
r= e /e peut également varier. Dans le cadre du projet européen Virform, cette partie est 2 3
traitée dans un module décrivant l’écrouissage et les évolutions des textures granulaires. Ce
modèle n’étant pas complètement couplé à notre modèle d’endommagement au moment de la
rédaction de cette thèse, l’anisotropie macroscopique ne sera pas prise en compte dans notre
modélisation.
Les quatre graphiques ci-dessous (Figure III-1) décrivent le comportement des alliages
.
lors d’essais de traction classiques conduits à ε = 0,008m/s.
90 VAW



Figure III-1 Courbes de traction des alliages dans différentes directions.
III.3. Microstructure
III.3.1. Visualisations qualitatives
Les deux figures suivantes donnent une vision qualitative des 4 alliages. La Figure III-2
présente des coupes en niveau de gris extraites des images tomographiques. Pour chaque
alliage, des coupes dans les trois plans principaux de la tôle sont présentées. Il apparaît
nettement des différences en terme de fraction volumique, de taille et de morphologie des
intermétalliques d’un alliage à l’autre et dans les différents plans d’observation. La Figure
III-3 présente des rendus volumiques issus du seuillage des images tomographiques. La
matrice a été retirée virtuellement laissant apparaître, en volume, les intermétalliques et les
porosités. Pour chaque alliage, deux vues selon l’axe n et l’axe t sont présentées. Un dernier
rendu selon l’axe n ne montre que la porosité. Les particules apparaissent « écrasées » et
alignées par le laminage. Les porosités sont toujours liées aux particules sous la forme de
ruptures ou de décohésions. Toutes ces remarques vont être complétées ci-après dans les
analyses quantitatives. Ces images montrent à la fois le potentiel et les inconvénients de la
méthode. Il nous est possible d’analyser l’aspect tridimensionnel de la microstructure. Par
contre, la résolution de la méthode d’imagerie est visible par l’aspect « voxelisées » des
surfaces à cette échelle.
91 Chapitre III Caractérisation des matériaux à l’état initial


3103 O
5182 O
6181 T4

n sl sl
sl st n st st n

Figure III-2 Vues 2D des 4 alliages, coupes extraites des images tomographiques, 70 µm de côté.

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3103 O

5182 O

6181 T4



sl sl sl
n st st n n st

Figure III-3 Vues 3D des 4 alliages, 70 µm de côté,, Phases au Fer ou Mn en gris clair, Mg Si en gris sombre et 2
pores en noir.
93 Chapitre III Caractérisation des matériaux à l’état initial
III.3.2. Quantification à partir des images 3D
Les quantifications réalisées par analyse d’images 3D ont nécessité l’emploi de logiciels
spécifiques et le développement d’outils de post-traitement. Ceci a été réalisé en C++ à partir
du code source d’AI3D (cf. chap II) et en Visual Basic.
III.3.2.1. Intermétalliques (Mg Si, phases au Fer ou phases au Mn) 2
Le Tableau III-2 présente les différents paramètres morphologiques mesurés par analyse
des images tomographiques pour les intermétalliques des quatre alliages retenus à l’état
initial, c’est à dire avant la mise en forme. Pour chaque paramètre, sont fournis la valeur
moyenne, le minimum, le maximum, l’écart type et la médiane. Les densités numériques et
volumiques en particules sont également données.
Pour chacun des paramètres, on notera que la médiane est inférieure à la moyenne. Dans
la distribution en taille des particules, il y a de nombreuses particules petites et très peu de
grosses. On peut voir figure III-4, à titre d’exemple, la distribution de taille des particules
dans les alliages 5182 et 3103.
3 3Les volumes moyens des particules varient de 10 µm à 30 µm environ selon les
3 3alliages. La résolution étant de (0,7 µm) soit 0,35 µm , elle paraît suffisante pour caractériser
ce paramètre. Les dimensions moyennes du parallélépipède équivalent a, b et c varient elles
entre 0,7 µm et 2,5 µm. On peut noter que la résolution est un peu trop grande pour bien
caractériser l’épaisseur 2c des particules. Mettre en œuvre la technique avec une résolution
inférieure à 0,7 µm reste encore délicat avec les dispositifs actuels. Nous devrons donc nous
contenter de ce niveau de résolution.
La fraction volumique en particules varie de 1% à 3% selon les alliages. Une forte
fraction volumique s’explique par de grosses particules dans le cas du 3103 et par de
nombreuses particules dans l’alliage 1200.
Les particules les plus grosses sont trouvées dans le 3103 puis le 6181. Les quelques
Mg Si présents dans le 6181, visibles Figure III-2, n’ont pas été analysés car leur fraction est 2
très faible.
Les particules les plus allongées sont rencontrées dans l’alliage 3103, avec un a moyen
de 2,5 µm. Ce sont également les plus élancées avec un rapport longueur sur épaisseur de 3.
Dans l’ensemble, les particules sont plus longues que larges et plus larges qu’épaisses.
Les élancements longueur sur épaisseur varient de 2 à 3,1. Les élancement longueur sur
largeur varient eux de 1,5 à 2,2.
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Fraction Nombre de 3 vol µm a µm b µm c µm Fab F