Rapport de TP de matériaux Ecole Centrale Paris - MSTM 2008

1. TP MATERIAUX
PLASTICITE – DURCISSEMENT
PAR ECROUISSAGE
GROUPE D – suivi par Sylviane Bourgeois
S. Morabito, C. Léang, H. Bernard 13/02/08

2. Objectif du TP
Notions abordées:
Contrainte
Déformation (élastique et
plastique)
Ecrouissage, dislocation, joints de
grain
Limite d’élasticité (apparente,
conventionnelle)
Module d’Young
Tracer les courbes de traction
et les étudier
Caractériser et comparer le
comportement des matériaux
(A5 et AG3, écroui et non
écroui)
2 S. Morabito, C. Léang, H. Bernard

3. Objectif du TP
Deux typologies d’essais:
Caractérisation mécanique de l’aluminium pur à 99%, A5, et de l’alliage
d’aluminium AG3 (avec 2.5-3% de magnésium), par essais de traction
jusqu’à rupture.
Ces essais nous ont permis de vérifier de manière comparative l’influence de
l’adjonction du magnésium sur le comportement mécanique du matériau
ainsi que de mesurer l’impact du matériau sur la valeur de variables telles
que la limite d’élasticité (nominale et conventionnelle), la résistance à la
traction, l’allongement à rupture et le modulé d’Young
Ecrouissage de 5 éprouvettes d’AG3 au taux de 2%, 3%, 4%, 5% et 6%,
recristallisation et essais de rupture pour vérifier le durcissement par
affinement des grains
Ces essais nous ont permis de vérifier expérimentalement la loi de Hall-
Petch, qui stipule que la limite conventionnelle d’élasticité à 0.2% (Re0.2)est
inversement proportionnelle à la taille moyenne des grains (d-1/2), selon un
coefficient (k) qui dépend du matériau:
Re0.2 = σ0+kd-1/2
3 S. Morabito, C. Léang, H. Bernard

4. Essai de traction comparatif A5 – AG3
LE MATERIEL UTILISE
Machine de traction Instron 4505
Capteur de charge (dynamomètre)
Extensomètre (25 mm +/- 5 mm)
Ordinateur (courbe brute de traction)
Eprouvettes plates d’A5 et AG3, selon forme,
dimensions et composition spécifiées ci-dessous
85 mm = = 1.97 mm
9.75 mm
4 S. Morabito, C. Léang, H. Bernard

5. Essai de traction comparatif A5 – AG3
RESULTATS A5 AG3
R0.2 19 MPa 92 MPa
Rm 79 MPa 236 MPa
RR 1.2 MPa 191 MPa
AR 32% 23%
E extenso 62692 MPa 68067 MPa
E traverse 30666 MPa 31694 MPa
5 S. Morabito, C. Léang, H. Bernard

6. Essai de traction comparatif A5 – AG3
OBSERVATIONS:
Le module d’élasticité de la traverse est plus faible que celui de
l’extensomètre.
Le domaine élastique très limité pour l’A5 module d’Young
difficilement calculable, contrairement à l’AG3 où le domaine élastique et
le module d’Young sont facilement identifiables.
La limite d’élasticité est beaucoup plus élevée pour l’AG3 que pour l’A5,
ainsi que sa résistance maximale à la traction. En revanche la rupture de
l’AG3 se produit à une moindre déformation que celle de l’A5, ce qui
traduit son inférieure ductilité, confirmée par une
rupture en cisaillement à 45° et une striction à rupture moins
importante que pour l’A5.
Présence d’effets Portevin Le Chatelier visibles sur la courbe de traction
de l’AG3.
Les deux éprouvettes présentent une différence évidente de
granulométrie, l’A5 étant d’aspect beaucoup plus rugueux, signe d’un
allongement plus important des grains et d’une déformation plus
importante à rupture.
6 S. Morabito, C. Léang, H. Bernard

7. Essais d’écrouissage de l’AG3 aux taux de
déformation de 2%, 3%, 4%, 5% et 6%
7 S. Morabito, C. Léang, H. Bernard

8. Essais d’écrouissage de l’AG3 aux taux de
déformation de 2%, 3%, 4%, 5% et 6%
OBSERVATIONS:
Nécessité d’augmenter la contrainte afin de pouvoir continuer
à allonger le matériau augmentation de la limite d’élasticité
et durcissement
L’éprouvette écrouie à 2% présente une anomalie de
comportement
Résultats légèrement différents pour le module d’Young
explicables par des erreurs de mesure ou une différente
origine des éprouvettes
Aspect en palier des courbes de traction augmentation des
obstacles à la dislocation. Les paliers représentent les zones de
franchissement de ces obstacles.
8 S. Morabito, C. Léang, H. Bernard

9. Recristallisation des éprouvettes
Recristallisation des éprouvettes d’AG3, précédemment
écrouies à 2%, 3%, 4%, 5% et 6%, par passage au four à 540°C
pendant 30 minutes
La recristallisation, activée par la température, procède par
germination et croissance, comme spécifié ci-dessous:
Structure Structure
anisotrope isotrope et
équiaxe
En dessous d’un taux critique d’écrouissage, la germination ne
se produit pas. C’est ce qui est arrivé avec l’éprouvette écrouie
à 2%.
9 S. Morabito, C. Léang, H. Bernard

10. Révélation des grains et loi de Hall Petch
Révélation des grains: polissage et immersion des éprouvettes dans un bain d’acide
composé de: 156ml H2O, 26 ml HCl, 18 ml HF
Comptage des grains présents par unité de longueur et détermination du diamètre
moyen
Application de la loi de Hall Petch afin de vérifier la cohérence des données
expérimentales avec la loi théorique.
Re0.2 = σ0+kd-1/2
10 S. Morabito, C. Léang, H. Bernard

11. Révélation des grains et loi de Hall Petch
11 S. Morabito, C. Léang, H. Bernard

12. Observations
Nos résultats expérimentaux sont cohérents avec les
résultats théoriques et avec l’étalonnage qui présente une
courbe Re0.2 = f(ΔL) en dessous des 80 MPa
Plus le taux d’écrouissage augmente et plus la taille des
grains diminue ceci est du à l’augmentation des sites
propices à la germination par augmentation de l’énergie
fournie par écrouissage.
La limite conventionnelle d’élasticité augmente de
manière directement proportionnelle au taux
d’écrouissage plus le taux d’écrouissage est important
et plus la limite d’élasticité est élevée. Nous obtenons
ainsi un durcissement du matériau.
12 S. Morabito, C. Léang, H. Bernard

13. Essai de rupture sur les éprouvettes écrouies
à 2%, 3%, 4%, 5% et 6% et recristallisées.
On effectue des essais de traction jusqu’à rupture des échantillons écrouis
respectivement à 2, 3, 4, 5, et 6% après recristallisation.
Nous souhaitons observer les propriétés élastiques et plastiques de nos échantillons.
Essais de traction jusquà rupture
250
200
2%
150
3%
4%
5%
100
6%
50
0
0,00 0,01 0,02 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,07 0,07
Déformation
Sur ce graphique, nous pouvons constater que les propriétés mécaniques de nos
échantillons varient en fonction du degré d’écrouissage.
Les résultats obtenus pour les échantillons de 2% et 4% d’écrouissage sont
apparemment faussés.
13 S. Morabito, C. Léang, H. Bernard

14. Observations / Résistance maximale à la traction
En supprimant la valeur de
Évolution de Rm en fonction du degré d'écrouissage
l’éprouvette écrouie à 4%, il
est possible d’obtenir une 205
droite de tendance
cohérente par rapport aux 200
données expérimentales.
195
La contrainte à Rm est
Contrainte (MPa)
directement 190 RM
proportionnelle au degré
d’écrouissage 185
L’écrouissage d’un matériau
permet donc de faire varier 180
ses propriétés mécaniques,
notamment d’augmenter sa 175
2% 3% 4% 5% 6%
résistance maximale à Degré d'écrouissage (en %)
traction.
14 S. Morabito, C. Léang, H. Bernard

15. Observations / Elasticité
L’élasticité d’un matériau est caractérisée par sa limite d’élasticité ainsi que par
son module d’Young
Tracer les valeurs de la limite conventionnelle d’élasticité en fonction du degré
d’écrouissage nous permet de mettre en évidence l’influence de l’écrouissage
sur la limite d’élasticité du matériau.
La limite d’élasticité varie de manière Module d'élasticité en fonction du degré d'écrouissage
directement proportionnelle au taux 120
Limite conventionnelle d’élasticité Re0,2 en fonction du taux d’écrouissage
d’écrouissage. Ses valeurs sont comprises 100
entre 60 et 80 MPa. 80
Après recristallisation, plus le nombre de 60 Module d'élasticité
grains est important, plus la surface des 40
joints de grain par unité de volume du 20
matériaux est élevé, plus il y a d’obstacles 0
au déplacement des dislocations. 1 2 3
Degré s'écrouissage (en %)
4 5
Il est donc possible de travailler sur le
degré d’élasticité d’un matériaux en jouant
sur la taille des grains.
15 S. Morabito, C. Léang, H. Bernard

16. Conclusions
3 méthodes pour augmenter la limite d’élasticité:
Utilisation d’éléments d’alliage (ex: magnésium)
Ecrouissage (créations de dislocations)
Recristallisation après écrouissage: diminution de la taille des
grains
Impact:
Augmentation de la résistance à la traction des matériaux
Durcissement des matériaux
Diminution de la capacité des matériaux à se déformer
(diminution de la ductilité)
16 S. Morabito, C. Léang, H. Bernard