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~ a présente invention concerne les alliages d~alumi-
nium ~ durcissement structural possedant des caract~ristiques
mécaniques élevées et en particulier les alliages d'aluminium
à hautes carac~éristiques à chaud et à bon comportement au fluage.
Il est bien connu que l~Industrie Aéronautique utilise
plusieurs varié-tés de ce type d~alliages que leurs caractéristi-
ques élevées à chaud destinent en particulier à la construction
d'appareils supersoniques. Parmi ces alliages, llA-U2GN, décrit
notamment dans le brevet français 978.805 déposé le 10 janvier
1949, au nom de Rolls Royce ~imited et High Duty Alloys ~imited,
a connu un développement remarquable pendant ces dernières
années.
Sa composition est la suivante:
Cuivre 1,8 à 2,5%
Magnésium 1,2 à 2%
Nickel 0,3 à 1,5%)avec Fe + Ni compris
tentre 1,5% et 2~75~o
~er 0,85 ~ 1,5~)
Silicium 0 à 0,4
'~itane 0,02 ~ 0, 2~o
~ es proportions de cuivre et de magnésium dans cet
allia~e permettent le durcissement structural par précipitation
submicroscopique de la phase $~ Al-Cu-Mg.
Il est bien oonnu que le~ additions de fer et de nickel
~ont ~aites pour obtenir de bonnes caractéristiques à chaud
et en part~culier une ~onne xésist~nce au ~luage, en raison de
l~exi~tence d~une phase ~l-Fe-~Ji qui fait obstaole à la propaga-
tion de~ disloc~tion~, Mais cet alliage pré~ente ne revanche
des caractéristiques de tenacité, appréciée par le facteur
d~intensité de oontraintes K1C, et de résistance à la propagation
~ 0 ~ . . ~, .
des criques qui, sans etre insuffisantes, ne le classent pas parmi
- 1 -
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les meilleurs dans ces domaines.
~ e facteur K1C, qui permet de caractériser la tenacité
d'un alliage, est mesuré d'apras la méthode A-~M-E-399-72.
~ lobjet de l'invention e~-t une composition nouvelle
d'alliage qui, comparée ~ l'AU2GN antérieur, présente une
tenacité supérieure en particulier dans le sens travers-couxt,
un meilleur ~acteur K1C et une meilleure résistance à la propaga-
tion des criques de fatigue tout en gardant les bonnes propriétés
à chaud et la bonne résistance à la corrosion sous tension de -
cet alliage.
~ '~lliage selon l'invention est un nouvel alliage
d'aluminium contenant du cuivre, du magnésium et du nickel
comme ~A-U2GN antérieur mais caractérisé en ce que les teneurs
pondérales en ~er et en nickel ont été ramenées chacune à une
valeur comprise entre 0~10~o et 0,40~0 et en ce que le rapport
pondéral de la teneur en nickel à la teneur en fer est compris
entre 0,9 et 1~3.
Font également partie de l'invention: les pièces moulées
~ partir de cet alliage liquide, les demi-produits, plaques, pla-
teaux~ billettes coulées en cet alliage, les pièces obtenues en¢et alliage à partir des demi-produits par lamina~e, filage,
~orgeage et d'une ~açon générale tout mode de dé~ormation plastiqueO
~a demanderesse a découvert, ave¢ surpr~se, que l'action
de la phase Al-Fe-Ni ainsi que oelle d'autres oomposés intermé~al-
u-Ni et Al-Cu-Fe présente dans l'alliage antérie~
oo~nu~ n'est pa~ uniquement bénefique. Chacun de c~s trois
oompo~s a~ en ef~et, une action nefa~te relativement importante
~ur la résistanc~ ~ la propagation des criques de ~atigue et sur
lo ~aoteur d'intensité de contrainte K1C.
~a demanderesse a é~alement découvert que, contrairement
l'opinion gén~ralement admise au sujet de l'action sur les
caract~ristiques ~ chaud du composé Al-~e-Ni~ une réduction
- 2 -
~ . . . . ..
,. , , . ~ . ~ , . ,
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importante des teneurs en fer et en nickel ne modifie pas
sub~tantiellement les caractéristique~, ~ chaud de l'alliage.
Par contre et à condition que l'on maintienne le rapport pondéral
Ni/~e voisin de 1, la tenacité, en particulier dans le ~en,
traver~-court~ le facteur d'intensité de contrainte KlC et la
résistance ~ la propagation des crique, de fatigue sont nettement
améliorées.
Ia compo~ition du nouvel alliage ~,elon l'invention
e~,t donc la suivante:
10Cuivxe 1,80% à 3,00~0 de préférence 2~10~o à 2j70~o ~;
Magné~,ium 1~20~o à 2~70% de préférence 1~,40~o à 2~00~o
I~ickel0~10~o à 0,40~0 de préférence 0~10~o à 0,35%
~er ~0,40% de préférence 0~10~o à 0,35%
a~ec Ni de 0,9 à 1,3
~e
Titane 0,~01% à 0~20~o
Silic~um 0~0 à 0,30% de préf~rence 0,15% à 0,25%
~e cobalt peut etre substitué partiellement ou totale-
ment au nickel.
20D'autres éléments par exemple le zirconium, le manga-
nèse, le chrome, le vanadium, le molybdène peu~ent etre a~outé~,
de~ teneurs comprises entre 0 et 0,4%.
~n peut é~alement a~outer du cadmium, de l'indium
et de l'~tain à de~ teneurs comprises entre 0 et 0,2% ainsi
~ue du b~r~llium à des teneurs oomprlses entre 1 et 2000 ppm.
~n~in des additions d'argent de 0 ~ 1% et de zinc de
O ~ ~% peu~ent au99i etre ~aite~.
~e traitement thermique de ce type d'alliage ne diffère
pas de celui de l'A-~2GN ola~sique, c'est-~-dire qu'il comprend:
30- une mlse en solution à une température eomprise
entre 520C et 535C;
- une trempe à l'eau froide, tiède ou bouillante, et
-- 3 --
~(3S7981
- un revenu a une temp~rature comprise entre 150C ~t
230C,
Un ecrouissage entre trempe et revenu peut e~alement
être pratiqué. Il a l'avantage de relâcher et d'uniformiser les
tensions internes dues a la trempe et d'accroître les caracté-
ristiques mécaniques de l'alliage, en particulier sa limite
elastique.
un traitement thermique tel que revendiqué dans le
brevet français No. 2.278.785 peut également être pratiqué:
il consiste a faire la mise en solution a une température
supérieure a celle de la fusion commenc,ante de l'alliage.
Cette mise en solution doit durer un temps suffisant pour
que les phases liquides apparues soient pratiquement complètement
résor~ees au moment de la trempe. La trempe et le revenu sont
faits dans des conditions identiques à celles indiquees ci-dessus. `
Par exemple une mise en solution faite a 555C (au lieu de 520
à 535) améliore les caracteristiques m~caniques: on gagne 1
à 2 hbar sur la charge de rupture.
Dans le but de faciliter la comprehension de la presente
invention il est rappele succintement ci-après la methode de
mesure et la signification du facteur KlC ainsi que la mesure
de la vltesse de propagation des criques de fatigue.
Le facteur de concentration de contraintes KlC est
mesure suivant la m6thode decrite dans la norme ~STM-E-398-72.
Sans entrer dans le d~tail du calcul de coefficient,
il est utile de savoir, pour comprendre sa signiEication, quel
e~ le principe de cette m~thode.
on pr~lave dans le produit une 6prouvette telle que
repr6sent6e sur la figure 1 annexee. La ligne joignant les centres
3~ des deux trous est dans le sens travers-court; l'arête de
l'entraille realis~e par usinage est dans le sens travers-long.
- 4 -
~ `
~,. .. :
.
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On soumet alors l~éprouvette ~ une séxie de cycles
de traction ondulée en la fLxant sur une machine de fatigue
au moyen de broches passant par les trous. On arr~te les cycle~
de traction ondu~ée lorsque l~on a initi~ une cri~ue de fatigue
de longueur en~iron 1,3mm (1/20 inch) mesurée à la surface de
lléprouvette ~ partir de l~extrémité de l~entallle~ ~éprouvette
e~t ensuite, toujours au moyen de broches pa~sant par les trous,
montée sur une machine de traction. On exerce alors une force
croissante ~usqu'~ rupture en enregistrant la force de traction
~0 en ~onction de llécartement des lèvres de l~éprouvette mesuré
~ l~aide d~un capteur. On obtient une courbe telle que celle
représentée ~ur la figure 2 annexée
Une méthode graphique permet de déterminer la charge
Pq dont l~application a provoqué la propagation de la crique
r~alisée par fatigue d~une longueur égale ~ 2% de sa valeur
initiale. ~e coefficient E1C est proportionnel à Pq, le facteur
de proportionnalité étant calculé en fonction des dimensions
g~ométrique~ de l~éprouvette et de la longueur de la ~issure ini-
tl~e préalablement par fatigue. Ce coefficient stexprime en
hbar Ymm.
Plus le facteur K1C est élevé pour une éprouvette
d~terminée, plus P~ est élevé, donc plu~ la force ~ exercer pour
faire progre~er la cri~ue de 2% est ~le~ée.
~ a ~ite~se de propagation des ¢rlque~ de ~atigue est
mesur~ de la ~açon sui~ante:
Qn perce au centre d~une éprouvette rectangulaire
d~ 250 mm de long, 100 mm de large et 1,6 mm d'épais~eur un trou
oentral de 2 mm de diam~txe. On soumet cette éprou~ette ~ des
oycl~ de fatigue en traotlon ondulée et on mesure sur des
olioh~s photographiques pris ~ intervalles regulier~ la longueur
des oriques. ~n trace eneuite la courbe de la longueur de la
- 5 - `~
.. . . .
r . , . , . ., ~ . . . .
-
~ 579 ~ 1
crique en fonction du nombre de cycles, ~e ~ui permet de me3urer
la ~itesse de propagation des criques.
~ e~ exemples indiqués c~-dessou~ ~ont donnés ~ titre
purement illustrati~ et ne présentent aucun caractère limitatif
~iS-~-YiS de la présente invention, Il~ conoernent une série de
traitements et de mesures de caractéristiques sur cin~ alliages
aont les compositions sont le~ suivantes:
All~age 0 Cu - 2 ~ 65% Alliage 1 Cu - 2 ~ 63%
t~moin Mg = 1~64% ` Mg = 1~60~o
10~e - 1,07% Fe = 0, 30%
Ni - l, lg~o Ni = 0~ 35%
Si = 0,22% Si - 0,22~
Ti - 0,10% ~i = 0,lO%
Alliage 2 Cu = 2,63% Alliage 3 ~u = 2,65% Alliage 4 Cu - 2 ~ 65~o
Mg _ 1,60% Mg - 1,64% Ng = 2 ~ 04%
Fe = 0,15% ~e - 0,29% ~e = 0,15% ~,
Ni = 0,17% . Ni - 0,36% Ni c 0,17%
Si ~ 0,22% Si = 0,22% Si~ OJ23%
0~10% !I!i ~ 0~10% !I!i - 0~11%
Zr - 0,12%
~all~age 0 est llalliage t~moin de composition conforme
au brevet ~rançais 978.805.-~es autres alliages sont des compo-
~ition~ dif~érentes entrant toutes dans le oadre de ltinventi~n.
~linvention sera mleux connue ~ pal-tir de8 exemples
non-l~mltati~s donné~ oi-aprè~,
- `` ~e~ alliages 0, 1, 2 et 3 sont coulés en semi-continu,
80u~ ~orme d~ plaques de section 120 x 380 mm~ pUi9 homog~néisés
20 h ~ 520C.
Apras débitage et écroutage des sur~aces, les plaques
90nt r~chauf~ées ~ 480C et laminées par passes de 10 mm ~usqulà
~palsseur de 45 mm. ~e traitement des t8les ép~is~e~ ainsi
. - 6 - :~
~ . .
lOS79~ 1
obtenues comprend en.~uite les pha~es suivantes:
- mise en solution de 10 h à 530C;
- brempe à l~eau;
- traction entre trempe et revenu correspondant ~ un allongement
permanent de 2%, et
- revenu final de 20 h ~ 190C~
. De~ éprou~ettes de traction dans le sens travers-
long et dans le sens travers-court, des éprouvettes de mesure du
coefficient E1C, des éprouvettes de ~tesse de prop~gatio~ de
criques et de~ éprouvettes de fluage ont été prélevées dans les
tôles obtenues à partir de~ 4 plaques d~alliage.
~ es caract~ristiques mécaniques ainsi que le facteur
K1C flgurant dans le tableau ci-des~ous:
~ ..... _ . . ~................... - -- ~ .. ..
~I~IAGES aara_térl~tiq,ues mécaniques de traction E1a
Sens travers-lon~l Sen~ travers-co~r~ Sens travers-
. , ~ ~ court
RpO,2 Rm ¦ A% RpO,2 Rm ~% ~ar Vmm
. hbar hbar I hbar hbar . .
_. - .. . .... ~ , . _ . . . . . ., . .
o 41,6 45,9 8,5 40,8 46,3 8,7 71,4
1 41 45 8,4 40,2 45,1 7,9 84
2 40,5 44,6 7,9 39~1 44,3 7,1 98~6
3 _ ~;~ 45, 2 ~. 9 40.1 ~5~2 ~ 86 ~ 9 .
On co~state que les coeffic~ent~ K1C des alliages 1,
2 et 3 (nou~elle composition) sont nettemenb sup~rieurs tde 38%
aans le meilleur cas) ~ oelui de l~alliage témoin (anoienne com-
position) san~ que les caxactéristiques de t~actio~ soient
abaissées d~ ~açon significati~e.
~ es vitesses de fissurabion par ~atigue exprimées en
mm~ pour 1000 cycles, mesurées entre 5 et 20 mm sont les
~ui~antes:
,
- 7 - ~ ~
1~ 57~ 81
Alliages Vites~e moyenne de propagation !
mm/1000 cycles
. . .. .
O 0,87
1 0,69
2 0,64
3 -I 0-79 , ~
On constate donc que le~ alliages 1, 2 et 3 ~elon
l~in~ention ont des vitesse~ de propiagation de criques infé-
rieures ~ celles de l~alliiage O pris comme témoin.
~es contrainte~ de fluage ~_100 dians le sens tra~ers-
court o~ été ~galement déterminée~; o~~ 01 représente la
contrainte pro~oquant un allongement de fluage de 0,1% en 100 h
de maintien à la température.
~ e~ résultats de fluage au~ températures de 1~oa
et de 175C figurent dans le tableau ci-deaeou~:
Alliages o~ 0.1
A 130C A 175a
hbar _ _ hbar _
O 27,5 17,6
1 27tO 17,9
2 26,4 17,3
_ 27,2 18l0
~ ~ .,
~a résistance au fluage des alliages 1, 2 et 3, ob~et
d~ notxe ~n~entlon est dono tout ~ fait comparable i~ celle de
llalllage O pris oomme base de comparai~on.
2e"E~XEM~P~æ
~e~ alliages de oomposition 0,2 et 4 ont été coulés
on ~em~-oontinu sou~ ~orme de plaques de 120 x 38C mm puis
homog~néises 20 heures ~ 520C.
- 8 -
~7 ~ ~ ~
~ pr~s éoroutage de~ surface~, les plaques sont
réchau~ées ~ 489C et lan~née~ par pas~e~ de 10 m~ ju~u~
u~e épai~ewr de 45 mm.
~ es t61e~ épaisses subis~ent ensuite un traitement
de mise e~ solution à 530C pendant 10 heures, puis une trempe
l~eau froide.
Ensuite, et cette fois-ci ~ans dressage par traction
entxe trempe et revenu, o~ pratique un re~enu de 20 heures
~ 203C afin d~obtenir un état ~6 que l~on utilise généralement
dans le ca~ des produits rorgés et matricés.
~ es caractéristiques de traction ont été mesurées
dans les sens tra~er~-long et tra~ers-court.
~ es résultats obtenus rigurent dans le tableau
cl-des~ous:
.
~ Se~s tra~ers-long I Sens traYers-court
Alliages .
RpO,2 Rm -~A% ¦ RpO,2¦ Rm ¦ A~
hbar ~bar 5.6~ ~'a hbar hbarI 5,65 V~rO
~ 37~3 42~8~ 6,9 38,3 ~3,5l 6,8
2 38~3 42,5l 6,6 38,2 42~21 5,3
4 40~3 44,31 6,2 40~2 44 1 5
..
A l~état T6 (txempe-revenu)~ l~all~age 2 a des cara¢té-
rlstique~ méoani~ues de traotion comparables ~ celles de l~allia- ;
ge 0. ~alliage 4 a Weint une limite élastique e~ une charge
de xupture sup~rieure~ ~ celles du t~mo~n.
Ie ~aoteur ~la passe d~une ~aleur de 82 hbar G da~s
le oas d~ l~alliage O ~ 102 hbar V mm pour l~alliage 2 et iO3
hbar vGm pour l~alliage 4.
.. . .
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