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ALLIAGK Al--[.i--CU--Mg A BONNI~ DEFORM~Bll.I'rE: A l~ROID l~.~r
BONNE RESISTANCE AUX l)OM~Gl~S
L'invention concecne ~In alliage à base d~Al contenant essentiellement
du Li, du Cu, du Mg et du Zr comme éléments d~alliages principaux et possè-
dant une bonne aptitude à la déformation à froid, en particulier lors
du laminage à froid de tôles ou bandes, et une bonne resistance aux domma-
ges, c~està-dire essentiellement de bonnes résistances à la Eatigue et
à la corrosion sous tension ainsi qu'une bonne ténacité.
Les alliages d'Al contenant du Li sont essentiellement utilisés pour les
applications exigeant un haut module d'élasticité et une faible densité,
associés à des résistances mécaniques élevées. La recherche de ces résistan-
ces mécaniques élevées conduit à définir des alliages dont la teneur en
éléments principaux Li, Mg et Cu sont de plus en plus élevées. On connaît
dans ce domaine les alliages commerciaux désignés par 8090, 8091, 2090,
2091 selon les désignations de l'Aluminium Association.
Cependant, ces hautes resistances sont souvent associees à des ductilités
ou ténacités relativement faibles et surtout à une aptitude à la déformation
à froid, en particulier au laminage à froid, très limitée. Celle-ci se
manifeste essentiellement par la formation de criques de rives importantes
lors du laminage à froid des tôles ou bandes.
L'invention se propose donc de trouver un alliage de cette famille ayant
un bon comportement à la transformation à froid, tout en conservant de
bonnes propriétés mécaniques de résistance à la traction, de tenue à la
fatigue, de resistance à la corrosion sous tension et de ténacité~
De facon plus précise, on cherche à obtenir un alliage qui, à l'état d'utili-
sation, possède des caractéristiques mécaniques (R 0,2; Rm; A%) équivalentes
à celles de l'alliage 2024-T3 (par ex. pour les tôles d'épaisseur 2 à
10 mm, R 0,2 > 290 MPa dans toutes les directions du plan de laminage,
conformément à la norme AIR 9048), ainsi qu'une bonne ténacité ~par ex~
pour des tôles d'épaisseur inférieure à 6 mm, ~c ~-L > 125 MPa V mesuré
suivant la norme AMS 4100), et une bonne résistance à la corrosion sous
contcainte (par ex. des produits d~épaisseur supérieure à 25 mm, une contrain-
te de traction de non rupture à 30 jours supérieure à 200 MPa dans le
... . ..
.. . :
~- : -. .
sens travers-court, dans les conditions d~essai des normes ASTM G44, G47
et G49).
Ces objectifs sont atteints avec un alliage ayanL la composition pondérale
5 suivante (en ~) :
1,7 < Li < 2,3
1,0 < Cu < 1,5
1,0 < Mg < 1,8
avec Mg/Cu < 1,5
0,04 < Zr < 0,15
Zn jusqu'à 2
Fe jusqu'à 0,15
Si jusqu'à 0,15
Mn jusqu'à 0,5
Cr jusqu'à 0,25
autres : chacun < 0,05
total < 0,15
reste : Al.
.
L'alLiage a de préférence une teneur en Mg > 1,1~ et/ou un rapport
Mg/Cu < 1,4. Lorsque l'alliage contient du Zn, sa teneur est de préeérence
comprise entre 0,1 et 0,4~
.' ~ .
Au-dessous des valeurs limites inférieures des éléments d'alliages principaux,
les caractéristiques mécaniques de résistance sont insuffisantes; au-delà
de Li=2,3~, les criques de rives au laminage deviennent trop importantes;
au-delà de Cu=1,5% ou Mg=1,8% les propriétés de tolérance au dommage diminuent
en particulier la durée de vie en fatigue; si Mg/Cu>1,5 la résistance
à la corrosion diminue. Le Zn contribue à la résistance mécanique et pour
O,l < Zn < 0,4~ la tenue à la corrosion sous tension est améliorée~
L'alliage selon l'invention est élaboré et transformé de façon classique;
une gamme comportant une homogénéisation, un~ transformation à chaud,
telle que laminage, forgeage, filage, matricage, etc...suivie éventuellement
d'un recuit et /ou d'une transformation à froid, telle que laminage, étirage,
tréfilage, calibrage, etc... est adéquate.
L'homogénéisation est généralement pratiquée entre 450 et 550C pendant
12 à 48h et de préférence à une température inférieure à 525C.
:- ::,: . . .... :-. .. . . . - .: : ~
7~7~
le recuit, s~il y a lieu, est pratiqué entre 35û et 475C pendant 1 à
20 h~ures.
L.e traitement thermique ~inal consiste en une mise en solution entre 450
et 550C et de pre~érence à une tempéraLure inferieure à 525C, une trempe,
et un revenu compris entre 135 et 200C et de preférence de 150 à 200C,
pendant des durées comprises entre lh à lOOh, les temps les plus long
étant généralement associés aux températures les plus basses et vice versa.
Une déformation plastique comprise entre 1 et 5~ (par traction ou compression)
peut être appliquee entre trempe et revenu.
L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples suivants illustrés
par les figures suivantes :
. La figure 1 représente la variation de la longueur (maximale) des criques
de rives au laminage à Eroid en fonction de la teneur en Li (pour un
écrouissage de 70% env.)
. la figure 2 représente la ténacité de différentes coulées en fonction
de leur limite d'élasticité dans le sens long
la figure 3 représente la vitesse de fissuration en fonction de L~, K,
d'une coulée selon l~invention, en comparaison de celle du 202-1-T3
la figure 4 représente les durées de vie d'eprouvettes de fatigue des
coulées etudiées, en fonction de leur limite d'élasticité sens long
EXEMPLE 1
Caractéristiques mécaniques de traction et résistance à la corrosion sous
tension
Une coulée de composition chimique suivante (~ en poids) :
Li 1,95; Cu 1,25; Mg 1,1; Zr 0,07; Fe 0,04; Si 0,04; reste Al
a été homogénéisée à 525-530C pendant 25 heures, réchauffée 24h à 475C,
laminée à chaud de l'épaisseur 262 mm à 3,62 mm, recuite à 450C pendant
lh sous forme de bobine, puis laminée à froid jusqu'à 1,6 mm d'épaisseur,
mise en solution à 500C + 10C pendant 15 min, écrouie à froid de 2 %,
puis revenue dans les conditions suivantes :
A/ 96h à 135C B/ 48h à 175C et C/ l9h à 195C
Les résultats des caractéristiques mécaniques de traction déterminées
dans les conditions de la norme ASTM E 8M sur éprouvettes plates (Kt=1,035)
dans le sens Long (L), Travers (T) et à 60 de la direction de laminage
(X) ainsi que les résultats d'essais de corrosion sous tension dans le
sens travers long (TL) dans les conditions indiquées sont reportés au
Tableau I.
:., ., -. - ,: : .
' ' '. . . , . . . , ., ' : ' :: ':
: . : : -. ~ : . ~
77~i
EXEMPLE 2
Aptitude au laminage à ~roid
Des coulées à teneurs en L,i, Cu et Mg variables, dont les analyses sont
reportées au Tableau II, ont eté elaborées, coulées en plateau de section
800x300 mm2, puis homogénéisées, scalpées, réchauffées et laminées à chaud
jusqu'à une épaisseur de 4mm. Puis elles ont été laminées à froid, et
caractérisées, pour chaque écrouissage intermediaire, par la longueur
maximale de criques de rives produites.
La figure 1 montre, qu~au-delà de Li=2,3~, et pour un écrouissage de 70%
les criques de rives deviennent importantes et surtout sont instables,
c'est-à-dire qu'elles peuvent se propager rapidement jusqu'à détacher
un morceau de la tôle laminée.
EXEMPLE 3
Ténacité
Des tôles de 1,6mm d'épaisseur recristallisées issues des coulées ci-dessus,
ont été traitées par trempe après mise en solution à 527C pendant 20min
puis écrouies de 2%. Elles ont ensuite été revenues soit à 190C 12 heures
(~) soit à 150C, 24 heures (+).
Les valeurs de KcA selon la norme interne MBB-FOKKER FH 4.2,1400 déterminées
par traction jusqu'à rupture d'éprouvettes de longueur 620 mm, de largeur
160 mm, et ayant une entaille centrale de 53,3mm dans le sens L-T sont
données à la figure 2 en fonction de la limite d'élasticite dans le sens
long.
La coulée selon l'invention présente globalement la meilleure ténacité.
EXEMPLE 4
Vitesse de propagation des fissures en fatigue
Les propriétés des tôles issues de la coulée 2141 de 1,6mm d'épaisseur
ci-dessus ont été comparées à celles de l'alliage classique 2024 à l'état
T3 dans les états de traitement thermique donnés à l'Exemple 3 sur éprouvet-
tes CCT 160mm (norme interne MBB-FOKKER, sens LT) et reportées à la Fig.3.
Cette coulée présente une résistance en fatigue supérieure à celle de
1 allia9e 2024-T3
:..... - - . -- -- - -
. ~-.- : :
., ~ - -
775
EXEMPLE 5
FATI~UE : amorçage des Eissures
Les propriétés de Eatigue de tôles de 1,6mm d~épaisseur issues de coulées
ci-dessus ont été déterminées en traction ondulee ( cr-~ = 90 ~ 40 MPa)
dans le sens L-T sur éprouvettes prismatiques (Kt=l) aux états de traitement
thermique correspondant à l'Exemple 3.
La coulée selon l'invention presente les meilleures caracteristiques de
fatigue (voir ~ig.4).
0 TABLEAU I
¦ REVENU ¦ SENS ¦ R0,2 I Rm ¦ A~ ¦ CSC TL
I I ¦ (MPa) ¦ (MPa) ¦ (~) I (jours)
I l L ¦ 338 ¦ 435 ¦ 12,2 1 _
¦ 96h à 135C ¦ TL ¦ 343 ¦ 451 ¦ 14,2 ¦ 3 NR 30 *
I I X 1 290 1 414 1 17,2 1 -
I
l l L ¦ 382 ¦ 440 ¦ 11,0
¦ 48h à 175C ¦ TL ¦ 390 ¦ 456 ¦ 11,5 ¦ 3 NR 30 *
I I X 1 336 1 419 1 13,5
l l L ¦ 365 1 416 ¦ 11,0 ¦ -
¦ l9h à 195C I TL ¦ 372 ¦ 430 ¦ 11,5 ¦ 3 NR 30 *
1 I X 1 341 1 400 1 13,0 1 - I .
* 3 éprouvettes non rompues en 30 jours.
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. ' `: `' ' - '' : ' '
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TALLEAU II
Analyses des coulees étudiées (~ en poids)
N ¦ ~ L i ¦ ~ Cu ¦ ~ Mg
¦2133 ¦ 2,67 ¦ 1,12 ¦ 0,63 ¦ H.I*
I_______________________________________~______________________
1 2134 1 2,66 1 1,09 1 1,28 1 ~. l
I_____________________________________________________________
1 2135 1 2,65 1 1,64 1 0,69 1 - I
I______________________________________________________________
1 2139 1 2,64 1 1,65 1 1,22 1 -
I______________________________________________________________
1 2140 1 2,07 1 1,17 1 0~69 1 " I
I______________________________________________________________
¦ 2141 ¦ 2,06 ¦ 1,14 ¦ 1,45 ¦ Inv **
I______________________________________________________________
15 ¦ 2142 ¦ 2,07 ¦ 1,65 ~ 0,68 ¦ H.I
I________________________________________ _____________________
1 2147 1 2,12 1 1,74 1 1,4~
I______________________________________________________________
1 2149 1 2,35 1 1,48 1 0,98 1 -
1 _____________________________
1 2144 1 2,1 1 1,9 1 0,92 1 -
Fe = 0,03%; Si =G,02% et Zr =0,05% pour toutes les coulées.
* ~.t.: hors invention
** Inv: selon l'invention.
Il va s'en dire que des modifications à la descrip-
tion ci-haut seront evidentes à ceux qui sont verses
dans l'art, et ce tout en demeurant dans l'esprit
de l'invention tel que défini dans les revendications
qui suivent.
. ..... , ~ . , ~ ; . : ~ :
. :. ... . . . .
: . . . . . - - : . - . -
::. .. . - ~, - : - ::.: .
- ' ` , ' '' ' , ..
