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TP MATERIAUX
PLASTICITE – DURCISSEMENT
         PAR ECROUISSAGE

    GROUPE D – suivi par Sylviane Bourgeois



     S. Morabito, C. Léang, H. Bernard   13/02/08
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
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
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
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
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
Essais d’écrouissage de l’AG3 aux taux de
déformation de 2%, 3%, 4%, 5% et 6%




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




11              S. Morabito, C. Léang, H. Bernard
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
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
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
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
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

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Plasticité - TP Materiaux ECP

  • 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